автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Генератор относительной влажности газов на принципе смешения потоков

На правах рукописи

РГ§

1 3 МАГ 2111

ГОРДЕЕВ ДМИТРИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ГЕНЕРАТОР ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ НА ПРИНЦИПЕ СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Технологическом институте (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

доктор технических наук, зав. отделом метрологии -главный метролог ВНИИЖ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент

Катушкин Владимир Петрович

Бегунов

Александр Андреевич

Тартаковский Дмитрий Федорович

Савельев

Владимир Алексеевич

Ведущая организация: ГУЛ ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

Защита состоится 2000 г. в ч.^^мин. в ауд. Ц_ на

заседании Диссертационного Совета Д 063.25.11 в Санкт-Петербургском Государственном Технологическом институте (техническом университете) по адресу: 198013 Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТИ(ТУ).

Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198013 Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (технический университет), Ученый Совет.

Автореферат разослан « ог 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационн Совета, к.т.н., доцент:

В.И. Халимон

ЭШ.9

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Влажность - это один из важнейших параметров газа, измерение которого имеет большое значение и широко применяется в хозяйственной, производственной и научной деятельности. К примеру: в метеорологии - для изучения и предсказания погоды, в производствах, связанных с гигроскопическим сырьем, в сельском хозяйстве - в теплицах, оранжереях и зернохранилищах.

В настоящее время существует огромный парк приборов (гшрометров)_для измерения влажности газов и постоянно разрабатываются новые. Обеспечение единства измерения влажности газов и оценка метрологических характеристик гигрометров невозможны без развития и совершенствования системы метрологического обеспечения. Отсюда вытекает актуальность разработки новых технических средств системы метрологического обеспечения приборов измерения влажности газов.

Целью работы является разработка генератора для создания поверочных паровоздушных смесей с заданной относительной влажностью в соответствии с поверочной схемой ГОСТ 8.547-86. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

♦ проведение аналитического обзора существующих методов и средств создания парогазовых смесей;

♦ выбор наиболее подходящего или разработка нового метода, положенного в основу генератора;

♦ проведение теоретических исследований выбранного метода и анализ значимости источников погрешности;

♦ разработка методики расчета основных узлов и выполнение расчета;

♦ создание генератора для поверки и градуировки гигрометров относительной влажности на базе проведенных теоретических исследований;

♦ проведение экспериментальных исследований с целью проверки теоретических положений, расчетов, определение метрологических характеристик генератора;

♦ проведение теоретической оценки погрешности генератора и его градуировка.

Методы исследований. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования с применением аппарата термодинамики, теплопередачи, процессов и аппаратов, математической статистики и теории погрешностей.

Научная новизна выполненной работы:

♦ теоретически и экспериментально показано, что метод смешения можно применять как абсолютный метод воспроизведения относительной влажности;

♦ на основе проведенных теоретических исследований процесса смешения потоков и анализа значимости источников погрешности генератора получены уравнения и рекомендации, позволяющие рассчитать конструктивные и технологические параметры и оптимизировать условия создания поверочных паровоздушных смесей;

♦ разработана методика расчета основных узлов генератора и выполнен расчет, обеспечивающий необходимые метрологические характеристики;

♦ разработана методика теоретического определения погрешности генератора относительной влажности и получены аналитические зависимости оценки ее составляющих;

♦ создан генератор относительной влажности газов на принципе смешения потоков, обладающий свойством динамического изменения режима по влажности и длительным межповерочным интервалом, проведена его метрологическая аттестация и градуировка.

Практическая ценность работы заключается в том, что впервые создан отечественный динамический генератор, основанный на методе смешения потоков для поверки и градуировки гигрометров в диапазоне относительной влажности (5+100) %; температуры (10+60) °С.

Основные положения, выносимые на защиту:

♦ обоснование выбранного направления для решения задачи метрологического обеспечения гигрометров относительной влажности;

♦ теоретические исследования процессов смешения потоков; уравнения и рекомендации для конструктивных расчетов;

♦ анализ источников погрешности и аналитические зависимости для расчета погрешности задания влажности;

♦ конструктивные решения генератора относительной влажности газов на принципе смешения потоков;

♦ результаты экспериментальных исследований и основные метрологические характеристики генератора.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно - технической конференции аспирантов СПбГТИ (ТУ), посвященной памяти Сычева М.М. (Санкт - Петербург, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 18 рисунков, список использованной литературы из 93 наименований.

Содержание работы

Во введение обоснована актуальность темы, поставлена цель работы и указаны задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

В первой главе проведен анализ состояния парка приборов измерения влажности газов, из которого следует, что более 90 % современного парка гигрометров - это приборы относительной влажности; диапазон измерений большинства из них лежит в промежутке от 20 до 100 % по влажности и от 5 до 60 °С по температуре. Значение основной абсолютной погрешности большинства приборов составляет 2,5 % по относительной влажности. Это является основой для метрологических требований к поверочным средствам.

Система метрологического обеспечения приборов относительной влажности представлена государственной поверочной схемой по ГОСТ 8.547-86.

Рассмотрение существующих методов и средств для выполнения поверки и градуировки приборов показало, что в номенклатуре технических средств, предусмотренной поверочной схемой, практически отсутствует ее нижнее звено. В связи с этта^ становится необходимой разработка новых поверочных средств. Основными требованиями для них являются: получение поверочного средства с необходимыми метрологическими характеристиками и длительным межповерочным интервалом в условиях территориальной удаленности от эталона (г. Иркутск).

Выбран наиболее подходящий метод смешения с точки зрения точности, быстродействия, диапазона возможных значений по влажности и температуре, простоты реализации и перспективности. Основным преимуществом метода над остальными является возможность динамического изме-

нения влажности при установившемся температурном режиме, что позволяет исследовать динамические характеристики гигрометров.

Метод смешения потоков основан на смешении в определенном соотношении двух воздушных потоков с различной, но постоянной влажностью. Обычно, это насыщенный и сухой поток. Получение заданной влажности достигается соотношением расходов двух потоков и может быть найдено по следующей формуле:

где <р - относительная влажность %;

(2 - объемный расход потока;

Т- температура потока;

индексы: «с» - сухой; «в» - влажный; без индекса - смесь.

Обоснована необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований метода смешения потоков для создания генератора.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию и исследованию выбранного метода смешения потоков, расчету основных узлов генератора и выбору конструктивных и технологических параметров.

Решение задачи основано на определении относительной влажности как физической величины. Существует несколько различных определений. В данном случае применено! рекомендованное всемирной метрологической организацией определение относительной влажности как отношение молярной доли водяного пара хп к молярной доле пара хш, которая имеет место в случае насыщенного отношения к воде при тех же значениях давления Р и температуры Т.

_ 0.9. + 0С9С

а+&

Т =Т

в хс <рв= 100% <ре= 0%

р = \—\ -100% (2)

^ Хпн ' р у

Запишем уравнение (1) для случая смешения двух влажных газов при одинаковых значениях давления Р и температуры Т, имеющих массы т„, Шс и относительные влажности фв, фс соответственно:

тю, + тт„

(р = —^-^ (3)

т„ + тс

Подставив в (3) уравнение (2), получим:

Н~ ■■(■*„ + —^о] 100% = (-"-) 100% (4) и„„ тв+тс тв + тс ) рт Кхт) р_7

откуда следует, что значение молярной доли водяного пара смеси хп определяется как сумма молярных долей водяного пара компонентов, умноженных на долю каждого в смеси, что доказывает абсолютность метода смешения потоков.

Разделим уравнение (3) на время:

От +

где индекс «гп» - массовый.

Перейдем через плотность влажного р„ и сухого рс потоков к объемным расходам:

о.?.+а—к

ср =--- (6)

а+е,-р.

Исследования соотношения плотностей сухого и влажного потоков (рс/рв) показали, что оно принимает пренебрежимо малое значение, если учесть, что (Рс/Рв)м0°с=1,006 и (рс/рв)г=бо°с=1,05. Это позволяет на данном уровне точности использовать для расчета относительной влажности поверочной паровоздушной смеси объемные расходы потоков.

Анализ процессов тепло- и массообмена, происходящих в условиях смешения потоков, позволил вывести уравнения материального и теплового баланса, описывающие параметры состояния смеси по известным параметрам состояния исходных компонентов. Общее уравнение материального баланса: т, +тс=т, (5)

для сухого воздуха:

тсу,,+т<ухс=™сух., (6)

для влаги:

тс)х, '< + тсухс ■ dc = mC(I -d. (7) где d - массовое отношение влаги (m^a,Jmcyxlxo ,та);

Уравнение теплового баланса выглядит следующим образом: п\ i,+mc-ic=m-i (8)

где i - энтальпия;

На основании уравнений материального и теплового баланса получим: d-d т^г

d-d от К - i т.

I - г, тс

откуда следует, что состояние смеси определяется отношением масс потоков участвующих в смешении, имеющих состояние «в» и «с» соответственно.

Из уравнения теплового и материального баланса получена зависимость температуры смеси от температур компонентов, участвующих в смешении. Численные исследования зависимости показали, что температура смеси будет отличатся от температуры компонентов, даже если температуры этих компонентов до смешения были одинаковыми. Изменение температуры смеси объясняется различными значениями теплоемкостей сухого и влажного потоков при смешении.

Приращение энтропии системы АБ в процессе смешения описывается уравнением;

Д3 = т- (тд + ШД) = [и, (с;„ 1пГ-Л„1пр) + тс {срс Ы - Л, 1пр)] - ^ (ср, К - К 1пр,) + тс(Срс 1пГе - 1прс)] - (т,К, 1пх„, + от Д. 1п*к)

где 5 - энтропия;

Я - газовая постоянная; ср - теплоемкость при постоянном давлении; ? - температура; р - давление;

Из этого уравнения видно, что если смешиваемые газы до смешения имели одинаковую температуру и давление, что и смесь 1в=1с=1 и рв=рс=р, то приращение энтропии ЛЯ от смешения останется также положительной величиной, так как хт<1 и х№<1, что доказывает необратимость процесса смешения двух разных газов.

Разработана методика и выполнен расчет основных узлов генератора, а именно конструктивных параметров насытителя, осушителя, теплообменника, смесителя и измерительной камеры.

Основным элементом насытителя является парогенератор, для которого рассчитана площадь зеркала испарения^ необходимая для обеспечения увлажнения заданного расхода газа до максимальной молярной доли пара хш. Площадь зеркала испарения Б определялась по уравнению:

F-.il, (11)

Рпа

где В - паровыделение; р„ - плотность пара; а - удельный паросъем; г - время.

Выбран тип адсорбента для осушителя, отвечающий требуемой степени осушки. Определено его количество, которое обеспечит непрерывную

работу генератора в течение заданного времени. Масса адсорбента рассчитана по следующей формуле:

ш^-, (12) а»

где ая - динамическая активность адсорбента; а - абсолютная влажность осушаемого газа; т„р - время до проскока (длительность цикла адсорбции); Ос - объемный расход осушаемого газа.

Выведено уравнение для расчета систематической и случайной составляющих погрешности задания влажности.

( АФ.уН Ад,)2+(— 4 Г Щ.У

А , а+а ^ 1а+а (а+а)2 ' ,,,,

Д?> = *- 1ПП ^ (13)

11 ча+а)2

где А' - коэффициент, определяемый доверительной вероятностью (при Р=0.95

Выявлены и проанализированы источники погрешности генератора (таблица 1), влияющие на точность воспроизводимой величины относительной влажности.

Значения неисюпоченных остатков систематической погрешности отдельных составляющих, которые приведены в таблице 1, установлены расчетным и экспериментальным путем. Принятые конструктивные и методические решения позволили получить условия, при которых влияние большинства источников систематической погрешности сведены к пренебрежимо малому значению.

Проведен расчет погрешности задания влажности генератором в соответствии с ГОСТ 8.207 и другими методическими материалами. Вычислена граница суммарной неисключенной абсолютной систематической погрешности генератора, которая составляет 1 %. Вычислена оценка суммарного абсолютного среднелжвадратического отклонения результата измерения,

равного 0,6 %. Определена доверительная граница погрешности задания влажности, составляющая 1,6 %. (при Р=0,95)

Таблица 1

Источники погрешности задания влажности

Источники погрешности Значения при <2в/(2с

20/80 50/50 80/20

Систематические

1. Неполное насыщение влажного потока -0,06 -0,15 -0,24

2. Наличие капельной влаги незначит.

3. Остаточная влажность сухого потока +0,26 +0,16 +0,06

4. Негерметичность соединений ±0,6

5. Неравномерность температур:

♦ в насытителе; -0,12 -0,3 -0,48

♦ в измерительной камере; незначит.

♦ при смешении ±0,12 ±0,3 ±0,48

6. Неравномерность влажности в измерительной незначит.

камере

7. Изменение температуры при смешении сухо- незначит.

го и влажного воздуха

8. Отклонение свойств реального газа от иде- незначит.

ального

9. Неравномерность давления вызванная:

♦ изменением атмосферного давления; незначит.

♦ перепадом, необходимым для движения по незначит

трубопроводу

Ю.Переход от массовым к объемным единицам незначит.

Случайные

1. Измерение расхода сухого потока ±0,16 ±0,25 ±0,16

2. Измерение расхода влажного потока ±0,08 ±0,5 ±1

3. Измерение температуры в измерительной ка- ±0,6

мере

В третьей главе рассматривается конструкция генератора относительной влажности, разработанного на основе проведенных теоретических исследований. Основными блоками генератора являются генератор влажного газа, термостат и термогигрометр для определения момента установ-

ления температурно-влажностного режима и исследования стабильности работы генератора.

Функциональная схема генератора представлена на рис. 1. Принцип работы генератора заключается в следующем. Поток атмосферного воздуха поступает от компрессора на вход генератора, проходит через предварительный осушитель и теплообменник и разветвляется на два потока: один поступает в осушитель, а другой в увлажнитель. Далее потоки смешиваются в смесителе. Регулирование расходов потоков осуществляется с помощью вентилей и контролируется по ротаметрам. Значение относительной влажности в измерительной камере находится расчетным путем по уравнению 1. Необходимый температурный режим может быть установлен задат-чиком терморегулятора термостата.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки основных теоретических положений и расчетов, а также исследования метрологических характеристик генератора.

Проведенные исследования температурного поля в рабочей камере термостата показали, что неравномерность значения температуры не превышает (0,09±0,03) °С.

Изучение динамики выхода генератора на температурный режим и переход с точки на точку по температуре позволило определить необходимое время установления температурного режима, которое составляет около 1 часа. Разница значений температуры в каждом потоке и в рабочей камере при установившемся температурном режиме не превышала 0,1 °С.

Функциональная схема генератора

1 - компрессор

2 - предварительный осушитель

3 - теплообменик

4 - регулирование расхода

5 - осушитель

6 - увлажнитель

7 - измерение расхода

8 - измерение температуры

9 - смеситель

10 - запирающий вентиль

11 - переключатель направления потока

12 - измерительная камера

13 - термогигрометр

14 - термостат

Из исследований динамических характеристик генератора по влажности при установившемся температурном режиме и динамических характеристик термогигрометра, использованного в эксперименте, теоретически найдено время перехода с точки на точку по влажности в пределах от 20 до 50 %, которое составляет около 30 с. Последнее делает возможным определение динамических характеристик термогигрометра по генератору (рис.2.).

Экспериментально изучены стабильность температурно-влажностного режима генератора и воспроизводимость значений относительной влажности. Определено, что колебания режима в течение 1 часа по влажности составляет не более 1,5 %, по температуре - не более 0,12 °С. Оценка СКО воспроизводимости значений относительной влажности составляет 1 %. При использовании системы кранов, позволяющих многократно чередовать подачу в измерительную камеру потока поверочной паровоздушной смеси или потока сухого воздуха, оценка СКО воспроизводимости значений относительной влажности составляет 0,1 %.

Исследования стабильности термогигрометра в течение более 6 месяцев показали, что абсолютное отклонение его показаний не превышает +0,5 %.

Проведена экспериментальная оценка влияния изменения температуры и влажности поступающего на вход генератора воздуха на значение температуры и относительной влажности в измерительной камере. Установлено, что относительная влажность и температура создаваемой поверочной смеси не зависят от температуры и влажности поступающего атмосферного воздуха, что подтверждает достоверность тепло-массообменного расчета.

Динамические характеристики темогигрометра по генератору

60 -50 40 30 20 10 0

0

О, ед.

<р,%

— Ос

— <р

Время, мин

10 11 12 13 14 16 16

Н—I

!-1-1

-г

3

4

5

6

Г

9

Исследования специально разработанной измерительной камеры показали, что неравномерность температурно-влажностных полей по объему не превышает предела погрешности приборов, которые использовались в эксперименте.

Выполнена градуировка генератора относительной влажности (рис.З.). Для этого использовался термогигрометр типа НМР-233 фирмы «Уа^эаЬ ОУ» (Финляндия) с пределом допускаемой абсолютной погрешности измерения относительной влажности ±1 % (прибор включен в Госреестр СИ РФ). Градуировка генератора является способом передачи размера единицы относительной влажности от эталона к генератору.

Результаты градуировки оценивались с помощью математического аппарата регрессионного анализа. Уравнение регрессии имеет вид:

<р = а+Ь-——, (И)

а+а

где параметры: а--0,99, Ь=0,98;

оценки СКО параметров: 8а=1,25, Бь^О, 03. откуда следует, что метод смешения на данном уровне точности можно

рассматривать как абсолютный в пределах доверительного интервала абсолютной погрешности по относительной влажности +2 % (при Р=0,95). Это позволяет проводить поверку генератора не чаще чем раз в 5 лет, а промежутках довольствоваться поверкой ротаметров и термометра.

Созданный генератор применен для градуировки термогигрометров, разработанных на кафедре Электротехники и Электроники СПбГТИ(ТУ) для хлебозавода «Каравай» и Василеостровкого хлебозавода. Длительная эксплуатация термогигрометров на хлебозаводах показала стабильность их работы и соответствие техническим требованиям. Конструкция термоги-рометров и результаты градуировки представлены в работе.

Градуировка генератора

- Расчетное значение + + + + - Действительное значение при 18.8°С ♦ ♦ ♦ ♦ -Действительное значение ври 29.1°С х х х х -Действительное значение при 37.4°С

Выводы

1. Проведен метрологический анализ состояния рабочих средств измерения и технических характеристик известных моделей генераторов, на основании которого обоснована целесообразность создания новых технических средств для градуировки и поверки гигрометров в диапазоне по влажности (5-^100) %, по температуре (1СМ-60) °С.

2. Выбран метод смешения потоков как способ приготовления прецизионных парогазовых смесей. Теоретически и экспериментально доказана возможность его использования как абсолютного метода воспроизведения относительной влажности в пределах погрешности, определяемой рабочими средствами измерения.

3. Проведен теоретический анализ выбранного метода и оценена значимость источников погрешности генератора, на основе которого получены уравнения и рекомендации, используемые при проектировании. Разработана методика и выполнен расчет основных узлов генератора. Установлены аналитические зависимости, с помощью которых дана теоретическая оценка абсолютной погрешности генератора, составляющая ±1,6 %.

4. Создан генератор, основанный на принципе смешения потоков с рабочим диапазоном по относительной влажности от 5 до 100 %; по температуре от 10 до 60 °С, который состоит из термостата, генератора влажного газа и термогигрометра.

5. Проведены экспериментальные исследования созданного генератора, в результате которых установлено время выхода генератора на температурный режим, составляющее 1 час и время изменения режима по влажности, равное 30 с, что позволяет использовать генератор в целях определения динамических характеристик гигрометров.

6. Выполнена градуировка генератора. Оценка результатов градуировки позволила сделать вывод, что генератор может использоваться для поверки и градуировки гигрометров в диапазоне относительной влажности от 5 до 100 % при температуре от +10 до +60 °С с основной абсолютной погрешностью по относительной влажности ±2 %. Этот вывод совпадает с заключением лаборатории государственных эталонов в области аналитических измерений ГУЛ ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

7. Аттестация паровоздушной смеси в генераторе по процедуре приготовления позволила установить длительность межповерочного интервала не менее 5 лет, а в промежутках довольствоваться поверкой ротаметров и термометра.

8. Термогигрометры, отградуированные с помощью созданного генератора, в течение длительного периода эксплуатации на хлебозаводе «Каравай» и Василеостровком хлебозаводе, демонстрируют стабильность работы и соответствие техническим требованиям.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Гордеев Д.А. Установка задания влажности // Научно-техническая конференция аспирантов СПбГТИ(ТУ), посвященная памяти Сычева М.М.: Тез.,докл. СПб: Изд. СПбГТЩТУ), - 1997 - С. 176.

2. Пыко С.М., Снурников В.А., Харазов В.Г., Утешев М.А., Гордеев Д.А. Цифровой регулятор температуры. // Измерительная техника. - 1996 -№11 -С.35.

3. Гордеев Д.А., Катушкин В.П., Щилин В.Л. Установка задания влажности. // Деп. в ВИНИТИ. - 1998. - №2141-В98.

4. Шилин B.JI., Катушкин В.П., Гордеев Д.А. Термогигрометр для высоких влажностей. // Деп. в ВИНИТИ. - 1998. - №2140-В98.

28.02.00г. Зак.29-57 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Определение понятия «влажность газов»

1.2 Характеристики влажности газов

1.3 Анализ состояния парка приборов влажности газов

1.4 Анализ системы метрологического обеспечения измерений влажности газов

1.5 Методы и средства градуировки и поверки гигрометров

1.5.1 Метод насыщенных растворов

1.5.2 Метод двух давлений

1.5.3 Метод двух температур

1.5.4 Метод смешения потоков

1.5.5 Гравиметрический метод

1.6 Обоснование выбранного направления

1.7 Выводы

2. Теоретическое обоснование и исследование выбранного метода

2.1 Определение относительной влажности как физической величины

2.2 Теоретический анализ процессов тепло - массообмена в условиях смешения потоков

2.3 Методика расчета и расчет основных узлов генератора

2.3.1 Методика расчета и расчет узла адсорбционной осушки воздуха

2.3.2 Методика расчета и расчет насытителя

2.3.3 Методика расчета и расчет теплообменника

2.3.4 Выбор конструктивных параметров смесителя

2.3.5 Выбор конструкции измерительной камеры

2.4 Теоретический анализ источников погрешности и оценка погрешности задания влажности

2.4.1 Вывод уравнения для расчета погрешности задания влажности

2.4.2 Анализ источников погрешности

2.4.3 Расчет систематической и случайной погрешности

2.5 Выводы

3. Конструктивные особенности генератора

3.1 Функциональная схема генератора

3.2 Генератор влажного газа

3.3 Термостат

3.4 Термогигрометр

3.4.1 Чувствительный элемент термогигрометра

3.4.2 Схема включения чувствительного элемента

3.4.3 Градуировочная характеристика термогигрометра

3.5 Выводы ВО

4. Экспериментальные исследования метода и генератора

4.1 Задачи экспериментальных исследований

4.2 Аппаратура и техника экспериментов

4.2.1 Методика работы на генераторе

4.2.2 Контрольно-измерительная аппаратура

4.2.3 Градуировка устройств контроля расхода

4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований

4.3.1 Исследование стабильности термогигрометра

4.3.2 Исследование динамических характеристик термогигрометра

4.3.3 Исследование температурного поля в рабочей камере термостата

4.3.4 Исследование выхода генератора на температурный режим

4.3.5 Исследование динамических характеристик генератора

4.3.6 Градуировка генератора относительной влажности газов

4.3.7 Исследование режима смешения двух потоков

4.3.8 Исследование стабильности температурно-влажностного режима генератора

4.3.9 Исследование влияния начальной температуры и влажности газа

4.3.10 Исследование воспроизводимости значений относительной влажности

4.3.11 Исследование неравномерности температуры и влажности по объему измерительной камеры

4.4 Выводы

5. Применение генератора

Выводы

Влажность - это один из важнейших параметров газа, измерение которого имеет большое значение и широко применяется в хозяйственной, производственной и научной деятельности. Например, для изучения и прогнозирования погоды необходима информация о влажности слоев атмосферы и о вертикальном распределении водяного пара. Осушка и контроль влажности природного газа предохраняет магистральные газопроводы и технологическое оборудование от серьезных аварий и простоев. Также, важен контроль влажности при применении защитных атмосфер для термической обработки деталей.

Влажность является одним из основных технологических параметров, определяющих качество исходного сырья и конечной продукции. При сушке керамических и огнеупорных изделий перед обжигом, влажность омывающих эти изделия газов необходимо поддерживать на заданном уровне, оптимальном для каждого периода процесса сушки.

В жилых, производственных помещениях и в общественных зданиях влажность воздуха - это один из факторов, определяющих самочувствие и условия комфорта человека.

Задача измерения и регулирования влажности воздуха актуальна в складских и производственных помещениях, связанных с гигроскопическим сырьем, полуфабрикатами и готовыми изделиями и на некоторых машино- и приборостроительных предприятиях для предотвращения коррозии изделий, создания необходимых условий сборки и испытания приборов.

Аналогичные задачи возникают и в сельском хозяйстве при выращивании растений в закрытом грунте (теплицы, оранжереи), в животноводстве и птицеводстве (в инкубаторах и помещениях для содержания скота), продуктивность которого зависит от влажности окружающего воздуха, в зернохранилищах и помещениях для хранения и дозревания овощей и фруктов.

Регулирование влажности воздуха, наряду с другими параметрами, необходимо в библиотеках и музеях для создания оптимальных условий хранения книг и экспонатов.

В настоящее время существует большой парк приборов (гигрометров) для измерения влажности газов и постоянно разрабатываются новые. Обеспечение единства и точности измерения влажности газов и оценка метрологических характеристик разрабатываемых приборов невозможны без развития и совершенствования системы метрологического обеспечения. Отсюда вытекает актуальность разработки новых средств системы метрологического обеспечения приборов для измерения влажности газов.

Целью работы является разработка генератора для создания поверочных паровоздушных смесей с заданной относительной влажностью в соответствии с поверочной схемой ГОСТ 8.547-86 «Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений относительной влажности газов». Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач: проведение аналитического обзора существующих методов и средств создания парогазовых смесей; выбор наиболее подходящего или разработка нового метода, положенного в основу генератора; проведение теоретических исследований выбранного метода и анализ значимости источников погрешности; разработка методики расчета основных узлов и выполнение расчета; создание генератора для поверки и градуировки гигрометров относительной влажности на базе проведенных теоретических исследований; 6 проведение экспериментальных исследований с целью проверки теоретических положений, расчетов, определение метрологических характеристик генератора; проведение теоретической оценки погрешности генератора и его градуировка.

Выводы

1. Проведен метрологический анализ состояния рабочих средств измерения и технических характеристик известных моделей генераторов, на основании которого обоснована целесообразность создания новых технических средств для градуировки и поверки гигрометров в диапазоне по влажности (5-И 00) %, по температуре (10-60) °С.

2. Выбран метод смешения потоков как способ приготовления прецизионных парогазовых смесей. Теоретически и экспериментально доказана возможность его использования как абсолютного метода воспроизведения относительной влажности в пределах погрешности, определяемой рабочими средствами измерения.

3. Проведен теоретический анализ выбранного метода и оценена значимость источников погрешности генератора, на основе которого получены уравнения и рекомендации, используемые при проектировании. Разработана методика и выполнен расчет основных узлов генератора. Установлены аналитические зависимости, с помощью которых дана теоретическая оценка абсолютной погрешности генератора, составляющая ±1,4%.

4. Создан генератор, основанный на принципе смешения потоков, с рабочим диапазоном по относительной влажности от 5 до 100 %; по температуре от 10 до 60 °С, который состоит из термостата, генератора влажного газа и термогигрометра.

5. Проведены экспериментальные исследования созданного генератора, в результате которых установлено время выхода генератора на температурный режим, составляющее 1 час и время изменения режима по влажности, равное 30 с, что позволяет использовать генератор в целях определения динамических характеристик гигрометров.

6. Выполнена градуировка генератора. Оценка результатов градуировки позволила сделать вывод, что генератор может использоваться для поверки и градуировки гигрометров в диапазоне относительной влажности от 5 до 100 % при температуре от +10 до +60 °С с основной абсолютной погрешностью по относительной влажности ±2 %. Этот вывод совпадает с заключением лаборатории государственных эталонов в области аналитических измерений ГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева.

7. Аттестация паровоздушной смеси в генераторе по процедуре приготовления позволила установить длительность межповерочного интервала не менее 5 лет, а в промежутках довольствоваться поверкой ротаметров и термометра.

8. Термогигрометры, отградуированные с помощью созданного генератора, в течение длительного периода эксплуатации на хлебозаводе «Каравай» и Василеостровком хлебозаводе, демонстрируют стабильность работы и соответствие техническим требованиям.

1. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, - 1973. - 400с.

2. Бегунов A.A. Теоретические основы и технические средства гигрометрии: Метрологические аспекты. М.: Из-во стандартов, 1988. - 350с.

3. Соков И.А. Метрологическое обеспечение гигрометрии. Обзорная информация. М.: ВНИИКИ, 1987. - вып.1.- 32с.

4. Лыжникова С.А. Приборы для измерения влажности газов и их поверка: Конспект лекций / Гос.ком. СССР по стандатам. М.: Из-во стандартов, -1988.- 53с.

5. ГОСТ 8.221-76 Влагометрия и гигрометрия (Основные понятия). М:. Из-во стандартов, 1976. - 4с.

6. Зайцев В.А., Ледохович A.A. Влажность воздуха и ее измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - с. 17.

7. Харисон Л.П. Основные понятия и определения, относящиеся к влажности. Л.: Гидрометеоиздат, 1969 - В кн.: Влажность - т.З-с.9.

8. Sonntag D. Hygrometrie. Berlin: Akadimie Verlag, - 1968. - p.1086.

9. Берлинер М.А. Задачи и тенденции развития гигрометрии. // Измерительная техника. 1982. - №9.- с.44.

10. Ю.Соков И. А. Основные понятия и термины в гигрометрии. // Измерительная техника. 1986. - №2.- с.60.

11. П.Эмдер Э.А. Анализ употребляемых характеристик влажности. В кн.: Влажность. Л.: Гидрометеоиздат, 1969 - т.3-с.403.

12. Психрометрические таблицы. М.: Гидрометеоиздат, 1981. - 125с.

13. Соков И. А. Метрологическое обеспечение гигрометрии. Обзорная информация. М.: ВНИИКИ, 1982. - вып.5,- 35с.

14. Спенсер-Грегори К., Роурке Е. Гигрометрия. М:. Металлургиздат, 1963. -204 с.

15. Холод В.П. Современное состояние и тенденции развития влагометрии твердых и газообразных веществ. М:. ЦНИИТЭИ приборостроения, 1979. - вып.5 - 53с.

16. Бегунов A.A., Шустова В.П. Метрологический анализ современного состояния отечественной гигрометрии // Приборы и системы управления. -1975.-№3.- с.ЗО.

17. Мандрохлебов В.Ф., Арутюков Ю.В. Состояние и перспективы разработки и производства гигрометров и средств их метрологического обеспечения. // Измерительная техника. 1982. - №9.- с.46.

18. Дрянов А.Н. Гигрометр «Волна-5». // ПТЭ. 1986. №2,- с.235.

19. Sholz G. Metrologishe Probleme der Luftfeuchtemessung. // Wissenshaftliche Zeitschrift. 1980. №26. - Helf 4. - p.23.

20. Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. Основы метрологии. М:. Из-во стандартов, -1975. -256с.

21. ГОСТ 8.547-86 Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений относительной влажности газов. М:. Из-во стандартов, 1986. - 4с.

22. Бегунов A.A. Принципиальные основы метрологического надзора за приборами для измерения влажности газов. // Метрология 1975 - №5-с. 16.

23. Соков И. А. Принцип построения метрологического обеспечения гигрометрии. //Измерительная техника. 1986. - №3.- с.31.

24. Бегунов A.A. Поверочные схемы для гигрометров // Измерительная техника. 1979. - №3,- с.50.

25. Lapinski М., Kostyrko К., Wlodarsky W. Modern Methods for the Control and Mesurement of Humidity and Moisture. Warszawa.: Arkady, 1976. - p.272.

26. Кузнецов В.А. Ялунина Г.В. Основы метрологии. М.: Из-во стандартов, -1995. -279с.

27. Веккер Б.JI. Относительная влажность над растворами. В сб.: Материалы Всесоюзного научно-технического совещания «Аналитическое приборостроение, методы и приборы для анализа жидких сред». Тбилиси. 1975. - Т.П. -с.145.

28. List R.Y., Smithsonian Meteorological Tables. Wachington: D.C. Smithosomian Institution, 1958.-p.332

29. Мандрохлебов В.Ф. Исследование и разработка солевых генераторов влажного воздуха: Автореф. дис. . канд. техн. наук: М., 1974. - 15 с.

30. Гриднев А.С., Мандрахлебов В.Ф. Солевые генераторы влажного воздуха. // Измерительная техника. 1982. - №9. - с.59.

31. Гриднев А.С., Мандрахлебов В.Ф. Солевые генераторы влажного воздуха для поверки гигрометров и снятия их статических и динамических характеристик. // Приборы и системы управления. 1974. -№11.- с.22.

32. Симонян Г.А., Шахбудагян-Шоу С.Э., Мандрахлебов В.Ф., Гриднев А.С. Стационарные и переносные гидростаты с использованием насыщенных растворов солей. // Приборы и системы управления. 1970. - №2. - с.33.

33. Соков И.А., Жилинский A.A., Белошицкий А.П., Сатыр Т.А. Образцовый генератор влажного газа «Родник-2ВК». // Измерительная техника. 1982. - №9. - с.63.

34. Вапняр Г.Д., Соков И.А. Комплекс средств поверки гигрометров КСПГ-79. // Измерительная техника. 1982 - №9 - с.62.

35. Instruments at NBS. // USA Trasacfions 1968 - vol.7. - №4. - p.356.

36. Дубовиков Н.И., Подмирная O.A., Соков И.А. Погрешность генератора влажного газа на методе двух давлений. // Измерительная техника. 1985. -№7. - с.55.

37. Белоножко В.М., Гриднев A.C., Крепе И.Б., Мандрохлебов В.Ф. Образцовый генератор влажного воздуха для поверки высокотемпературных гигрометров. // Измерительная техника 1982. -№9. - с.56.

38. Greensplan L. Low-frost-poent humidity generator. // J. Of Research NBS. -1973 -№5 -c.145.

39. Меркулов А.П., Колышев Н.Д., Соков И.А. Аттестация образцового динамического генератора влажного газа «Полюс-2». // Измерительная техника. 1982. - №9. - с.65.

40. Мчелидзе Л.Д. Установка для контроля и создания влажности парогазовых смесей в диапазоне микроконцентраций: Дис. . канд. техн. наук: Л. 1984.- 130 с.

41. Гершкович Е.А., Мчелидзе Л.Д., Колышев Н.Д. Образцовая установка для поверки и градуировки гигрометров при отрицательных температурах. // Измерительная техника. 1982. - №9. - с.67.

42. Дозорцев А.Р., Фридзон М.Ф., Балагуров A.M. Универсальный генератор влажного воздуха «Диполь». // Измерительная техника. 1986. - №3. - с.35.

43. Дозорцев А.Р., Фридзон М.Ф., Балагуров A.M. Характеристика и метрологическая аттестация универсального генератора «Диполь». // Измерительная техника. 1988. - №1. - с.45.

44. Фридзон М.Б. Образцовая установка для исследования атмосферных условий. // Метрология и Гидрология. 1979. - №3. - с.97.

45. Инамацу Т., Такахаси Т. Изготовление прецизионного генератора влажности. // Ое буцури. 1984 - т.53 - №3 - с.249.

46. Бегунов A.A., Качкагишвили Л.Д., Матвеев JI.T. О давлении насыщенного водяного пара. // Метрология и гидрология. 1978. - №2. - с. 101.

47. Дубовиков Н.И., Дозорцев А.Р., Подмурная O.A., Фридзон М.Ф. Анализ погрешностей методов получения газа с заданной влажностью. // Измерительная техника. 1986. - №3. - с.33.

48. Гершкович Е.А. Камеры для поверки и градуировки гигрометров. // Приборы и системы управления. 1970. - №1. - с.39.

49. Гершкович Е.А., Мчелидзе Л.Д. Исследования и аттестация климатических камер. // Измерительная техника. 1977. - №2. - с.83.

50. Гершкович Е.А., Мчедлидзе Л.Д. Результаты исследований климатической камеры «Фейтрон». // Холодильная техника. 1975 - №2 - с.30.

51. Бенгард Ф. Установка для определения статических и динамических характеристик гигрометров. // Измерительная техника. 1970. - №2.- с.30.

52. Бегунов A.A. Разработка и исследования поверочной установки для определения влагосодержания газов в диапазоне от 3000 до 600000 млн"1: Автореф. дис. . канд. техн. наук: Л., 1975. - 22 с.

53. Костырко К. Эталонный сорбционно-гравиметрический гигрометр. // Измерительная техника. 1976 - №11 - с.30.

54. Теруко Иманауц. Современный уровень исследований эталонов влажности в США. // Кейсокантри. 1969 - т. 18 - №10 - с.23.

55. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух, термодинамические свойства и применение. М:. Энергоатомиздат. 1984 - 124 с.

56. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е., Техническая термодинамика. М.: Из-во Наука. 1979 - 510с.

57. Радушкевич Л.Д. Курс термодинамики. М.: Просвещение. 1971 - 288с.

58. Тер-Хаар Д., Вергеланд Г. Элементарная термодинамика. М.: Мир. 1968 - 250с.

59. Андрюшенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М.: Высшая школа. 1975. - 261с.

60. Харисон Л.П. Неидеальные газы. В кн.: Влажность Л.: Гидрометеоиздат, -1969. -т.З.-с.128.

61. Вукалович М.П. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство стандартов. 1969 - 377с.

62. Сидоров А.И., Шумяцкий Ю.И. Адсорбционная осушка газов. М.: Стройиздат, 1972. - 140с.

63. Сыщиков В.И. Сорбционные осушители воздуха. Л.: Стройиздат, 1969. -210с.

64. Шолахов А. Исследование некоторых вопросов применения селикагеля для осушки воздуха.: Автореф. дис. . канд. техн. наук: М., 1971. - 14с.

65. Рамм В.М. Адсорбционные процессы в химической промышленности. -М.: Госхимиздат, 1951. - 290 с.

66. Алабовский А.Н., Удыма П.Г. Аппараты погружного горения. М.: Из-во МЭИ 1994-255с.

67. Успенский В.А., Киселев В.М. О скорости барбатирования газа в жидкости. // Журнал прикладной химии. 1973. - т.ХЬУ. - с.113.71 .Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1980. - 323с.

68. Домашнев А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, 1970. - 403с.

69. Мак-Адаме В.Х. Теплопередача. М.: Металлургиздат, 1961. - 290с.

70. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Энергоиздат, 1981. -417с.

71. Тадеуш Хоблер. Теплопередача и теплообменники. Л.: Госхимиздат, -1961.-с. 541.

72. Х. Хаузен. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе. М: Энергоиздат, 1981.-381с.

73. Богданов В.В., Христофоров Е.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989. - 223с.

74. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. Л.: Химия, -1984. 336с.

75. Байдон Г.Г. Критический обзор таблиц и графиков, используемых в психрометрии. В кн.: Влажность Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - т.1. - с.9.

76. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М.: Энергия, 1963. - 383с.

77. Свойства влажного воздуха при давлениях 500-1000 мм.рт.ст (таблицы и диаграммы). М.: Госгортехиздат, 1963. - 131с.

78. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. -699с.

79. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. М.: Госэнергоиздат, 1950. -с.125

80. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. М.: Энергоатомиздат, 1992. - с.64.

81. Гордеев Д.А. Установка задания влажности // Научно-техническая конференция аспирантов СПбГТИ(ТУ), посвященная памяти Сычева М.М.: Тез.,докл. СПб: Изд. СПбГТИ(ТУ), 1997 - С. 176.

82. Пыко С.М., Снурников В.А., Харазов В.Г., Утешев М.А., Гордеев Д.А. Цифровой регулятор температуры. // Измерительная техника. 1996 - №11 - с.35.

83. Гордеев Д.А., Катушкин В.П., Шилин В.Л. Установка задания влажности. // Деп. в ВИНИТИ. 1998. - №2141-В98.122

84. Тартаковский Д.Ф., Ястребов A.C. Анализ и оценка погрешностей измерения в учебном процессе. СПб.: СПбГУТ, 1997. - 62с.

85. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - с.188.

86. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Из-во стандартов, 1973. - 190с.

87. МИ 2083-90 ГСИ. Измерение косвенные. Определение результатов измерения и оценивание их погрешностей. М:. Из-во стандартов, 1991. - 9с.

88. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Д.: Химия, 1986. - с.312.

89. Шилин B.JI., Катушкин В.П., Гордеев Д.А. Термогигрометр для высоких влажностей. // Деп. в ВИНИТИ. 1998. - №2140-В98.