RU2247973C2

RU2247973C2 - Device for measuring humidity and temperature at dew point from moisture

Info

Publication number: RU2247973C2
Application number: RU2002132819/28A
Authority: RU
Inventors: И.В. Калугин (RU); И.В. Калугин; О.В. Вшивкова (RU); О.В. Вшивкова
Original assignee: Калугин Игорь Владимирович
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2005-03-10

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: device has two units. The first one combines mechanical units and has casing, connection tube with gas duct. The tube branches into the main one and internal one placed inside, electrically connected to each other. Filter collecting moisture is mounted on entry to the internal tube. The third tube having entry closed from the gas flow side is formed above the internal tube surface. The fourth tube is located in the third tube. The fourth and the third tube go out from the main one. The fourth one is connected to pump which outlet is separately connected to cooler and heater. Dielectric layers cover external surface of the third tube and internal surface of the fourth one. Its dielectric properties depend on moisture amount. The dielectric layers are covered with reticular electrodes bearing temperature gages attached to them. The second unit is electric circuit for shaping, processing and recording electric signal. It has generator, bridge circuit, differential amplifier, recorder and two-channeled amplifier.

EFFECT: high accuracy in concurrently measuring humidity and temperature.

2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений влажности и температуры точки росы по влаге в газовом потоке.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure humidity and temperature of the dew point in moisture in a gas stream.

Известно устройство для измерения влажности в газовом потоке с перерасчетом на температуру точки росы по влаге "Panametrics", см.: Ланчаков Г.А., Кульков А.Н., Зиберт Г.К. Технологические процессы подготовки природного газа и методы расчета оборудования. - М.: ООО “Недра - Бизнес - центр”, 2000, - 279 с., ил. - USBN 5-8365-0047-9 [1]. Устройство является сорбционно-диэлькометрическим измерителем влажности. Устройство включает датчик преобразования влажности в электрический сигнал и измерительную электрическую схему с процессором и регистратором. Датчик представляет конденсатор с двумя плоскими электродами, на один из них из алюминиевой пластинки напыляется диэлектрик окись алюминия, на этот слой осаждается второй электрод из тонкой пленки пористого золотого покрытия.A device for measuring humidity in a gas stream with recalculation of the Panametrics moisture dew point temperature, see: Lanchakov GA, Kulkov AN, Siebert G.K. Technological processes for the preparation of natural gas and methods for calculating equipment. - M.: Nedra - Business Center LLC, 2000, - 279 p., Ill. - USBN 5-8365-0047-9 [1]. The device is a sorption-dielcometric moisture meter. The device includes a sensor converting moisture into an electrical signal and a measuring circuit with a processor and a recorder. The sensor is a capacitor with two flat electrodes, an aluminum oxide dielectric is deposited on one of them from an aluminum plate, and a second electrode is deposited on this layer from a thin film of a porous gold coating.

Принцип действия устройства основан на зависимости электрического сигнала от диэлектрических свойств такого конденсатора, которые зависят от парциального давления водяных паров.The principle of operation of the device is based on the dependence of the electrical signal on the dielectric properties of such a capacitor, which depend on the partial pressure of water vapor.

Основным недостатком этого устройства является необходимость пересчета измеренной влажности в температуру точки росы, что приводит к дополнительным погрешностям.The main disadvantage of this device is the need to convert the measured humidity to the dew point temperature, which leads to additional errors.

Для измерения температуры точки росы в газовом потоке известно устройство [1], прототип. Устройство включает два корпуса, в которых размещены смотровое окно, рабочая камера с отверстием и конденсационным зеркальным основанием, шесть термокарманов под ней для установки термометров, вихревая трубка, имеются входы и выходы с вентилями для пуска и отвода газа в рабочую камеру и вихревую трубку. На соединительных трубах установлены манометры и термометр для измерения давления и температуры исследуемого газа.A device [1], a prototype, is known for measuring the dew point temperature in a gas stream. The device includes two cases in which a viewing window is placed, a working chamber with an opening and a condensation mirror base, six thermowells under it for installing thermometers, a vortex tube, there are inputs and outputs with valves for starting and removing gas into the working chamber and the vortex tube. Manometers and a thermometer are installed on the connecting pipes to measure the pressure and temperature of the test gas.

Устройство работает следующим образом. Газ, разделенный в вихревой трубке на холодный и горячий потоки, охлаждает один и нагревает другой конец конденсационного зеркального основания рабочей камеры, по которой проходит поток исследуемого газа. При статическом перепаде температур на участке полного насыщения осаждается влага, зеркальная поверхность мутнеет, что наблюдается в смотровое окно. Температурой точки росы по влаге является измеренная температура данного участка зеркального основания.The device operates as follows. Gas, divided in a vortex tube into cold and hot flows, cools one and heats the other end of the condensation mirror base of the working chamber, through which the flow of the test gas passes. With a static temperature difference, moisture is precipitated in the area of full saturation, the mirror surface becomes cloudy, which is observed through the viewing window. The moisture dew point temperature is the measured temperature of a given section of the mirror base.

Основным недостатком данного устройства является сложный процесс измерения и невозможность автоматизации этого процесса.The main disadvantage of this device is the complex measurement process and the inability to automate this process.

Целью настоящего изобретения является одновременно измерение влажности и температуры точки росы по влаге с упрощением процесса измерений и получением информации в виде электрического сигнала.The aim of the present invention is to simultaneously measure the humidity and temperature of the dew point in moisture, simplifying the measurement process and obtaining information in the form of an electrical signal.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения точки росы, содержащем корпус, соединительную трубу с газопроводом с манометром и термометром, вентили, трубы для исследуемого газа и теплоносителя с манометром на выходе, конденсационную металлическую поверхность, нагреватель, охладитель, термометры, труба соединения с газопроводом разветвлена на электрически соединенные основную и внутреннюю в ней, на входе внутренней установлен фильтр, над поверхностью внутренней трубы образована третья труба с закрытом входом со стороны газового потока, в ней расположена четвертая труба с открытым входом, третья и четвертая трубы выведены из основной трубы, при этом четвертая труба входит в насос, выход которого раздельно соединен с охладителем и нагревателем, выходы которых соединены с третьей трубой и снабжены запорными кранами, кроме этого на внешней поверхности трубы и внутренней поверхности внутренней трубы в начальном участке третьей трубы нанесены слои диэлектрика, электрические свойства которого зависят от увлажненности, слои диэлектрика покрыты сетчатыми металлическими электродами, к поверхностям которых подсоединены термодатчики, выходы от сетчатых электродов и термодатчиков выведены из внутренней и основной труб, при этом выходы электродов и основная труба электрически соединены с входами измерительной электрической схемы, которая включает последовательно соединенные генератор, мостовую схему, дифференциальный усилитель, регистратор, а выходы термодатчиков соединены с входами двухканального усилителя, выходы которого соединены с входами регистратора.This goal is achieved by the fact that in the device for measuring the dew point, comprising a housing, a connecting pipe with a gas pipeline with a pressure gauge and a thermometer, valves, pipes for the test gas and coolant with a pressure gauge at the outlet, a condensation metal surface, a heater, a cooler, thermometers, a connection pipe with a gas pipeline it is branched into electrically connected main and internal ones, a filter is installed at the input of the internal one, a third pipe is formed above the surface of the internal pipe with a closed entrance with gas flow, it has a fourth pipe with an open entrance, the third and fourth pipes are removed from the main pipe, while the fourth pipe enters the pump, the outlet of which is separately connected to the cooler and heater, the outlets of which are connected to the third pipe and are equipped with shut-off valves, in addition, on the outer surface of the pipe and the inner surface of the inner pipe in the initial section of the third pipe, insulator layers are deposited, the electrical properties of which depend on moisture, the insulator layers are covered with retina and metal electrodes to the surfaces of which thermal sensors are connected, the outputs from the mesh electrodes and temperature sensors are taken out of the inner and main pipes, while the electrode outputs and the main pipe are electrically connected to the inputs of the measuring electric circuit, which includes a series-connected generator, a bridge circuit, a differential amplifier, the recorder, and the outputs of the temperature sensors are connected to the inputs of a two-channel amplifier, the outputs of which are connected to the inputs of the registrar.

Основная и внутренняя трубы разделяют исследуемый газовый поток на два, при этом внутренний поток обезвожен фильтром, поглощающим влагу. Затем оба потока соединяются, давление в них контролируется манометром на выходе.The main and inner pipes divide the gas stream under study into two, while the internal stream is dehydrated by a filter that absorbs moisture. Then both flows are connected, the pressure in them is controlled by a pressure gauge at the outlet.

Третья труба с ограничением со стороны газового потока и расположенная внутри ее четвертая труба с открытым входом вместе с насосом, охладителем, нагревателем формируют поток газообразного или жидкостного теплоносителя. Нагрев или охлаждение регулируются запорными кранами. Поверхности третьей и общей с нею внутренней труб электрически связаны между собой и образуют общий электрод конденсаторов со слоем диэлектрика и вторыми сетчатыми электродами. Сетчатые металлические электроды обращены внутрь исследуемых газовых потоков, их нагрев или охлаждение регулируется и измеряется в измерительной электрической схеме посредством сигналов от термодатчиков.The third pipe with restriction from the side of the gas stream and the fourth pipe located inside its open entrance with the pump, cooler, heater form a gaseous or liquid coolant flow. Heating or cooling is controlled by shut-off valves. The surfaces of the third and common inner pipes are electrically connected to each other and form a common electrode of capacitors with a dielectric layer and second mesh electrodes. Mesh metal electrodes are turned inside the studied gas flows, their heating or cooling is regulated and measured in the measuring electric circuit by means of signals from temperature sensors.

Электрические свойства конденсаторов с диэлектриком, изменяющим диэлектрические свойства от степени увлажненности, и сетчатым металлическим электродом зависят от влажности в большей степени, чем от других компонентов газа по двум причинам: 1. Диэлектрическая проницаемость воды ~81 больше, чем у других компонентов ~1-3; 2. Конденсированная влага является электрическим проводником и увеличивает эффективную площадь сетчатых электродов, что не наблюдается с другими компонентами - диэлектриками в любом состоянии.The electrical properties of capacitors with a dielectric that changes the dielectric properties on the degree of moisture and a mesh metal electrode depend on humidity to a greater extent than other components of the gas for two reasons: 1. The dielectric constant of water is ~ 81 greater than that of other components ~ 1-3 ; 2. Condensed moisture is an electrical conductor and increases the effective area of the mesh electrodes, which is not observed with other components - dielectrics in any state.

Измерительная электрическая схема сравнивает два сигнала, сформированные мостовой схемой, на вход которой подключены конденсаторы. Электрические сигналы после мостовой схемы зависят от диэлектрических свойств диэлектриков, реагирующих на степень увлажненности соприкасающегося с ними газа. Увлажненность влияет на величину сигнала через изменение емкостей и тангенсов углов диэлектрических потерь. Одновременно с измерением разностного электрического сигнала измеряются температуры сетчатых электродов конденсаторов.The measuring electric circuit compares two signals generated by a bridge circuit, at the input of which capacitors are connected. The electrical signals after the bridge circuit depend on the dielectric properties of the dielectrics reacting to the degree of moisture of the gas in contact with them. Humidity affects the magnitude of the signal through a change in capacitance and tangent of the dielectric loss angle. At the same time as measuring the difference electric signal, the temperatures of the grid electrodes of the capacitors are measured.

На фиг.1 и 2 показаны общая схема устройства и сечения на участке образованных конденсаторов.Figure 1 and 2 shows a General diagram of the device and the cross section on the plot of the formed capacitors.

1 - соединительная труба с газопроводом, 2 - вентиль соединительной трубы, 3 - манометр с термометром на входе исследуемого газа, 4 - основная труба, 5 - внутренняя труба, 6 - третья труба, 7 - четвертая труба, 8 - фильтр, 9 и 10 - сетчатые металлические электроды, 11 - вентиль, 12 - насос, 13 - нагреватель, 14 - охладитель, 15 и 16 - запорные краны, 17 - выход электрических связей от электродов и термодатчиков, 18 - ограничитель на входе третьей трубы, 19 - манометр на выходе исследуемого потока газа, 20 - диэлектрики, 21 - генератор электрических сигналов, 22 – мостовая схема, 23 - дифференциальный усилитель, 24 - регистратор, 25 - двухканальный усилитель, 26 - теплоноситель.1 - connecting pipe with a gas pipeline, 2 - connecting pipe valve, 3 - pressure gauge with a thermometer at the inlet of the test gas, 4 - main pipe, 5 - inner pipe, 6 - third pipe, 7 - fourth pipe, 8 - filter, 9 and 10 - mesh metal electrodes, 11 - valve, 12 - pump, 13 - heater, 14 - cooler, 15 and 16 - stopcocks, 17 - output of electrical connections from electrodes and temperature sensors, 18 - limiter at the inlet of the third pipe, 19 - pressure gauge the outlet of the investigated gas flow, 20 - dielectrics, 21 - generator of electrical signals, 22 - bridge circuit, 2 3 - differential amplifier, 24 - recorder, 25 - two-channel amplifier, 26 - coolant.

Устройство выполнено в двух блоках. Первый блок объединяет механические узлы, во втором смонтирована измерительная электрическая схема.The device is made in two blocks. The first block combines mechanical units, in the second a measuring electrical circuit is mounted.

Градуировку устройства выполняют измерениями в газовых потоках с известными влажностями и температурами точек росы по влаге.Calibration of the device is performed by measurements in gas flows with known humidity and moisture dew point temperatures.

Измерение влажности выполняют по следующей схеме. Устройство посредством вентиля 2 и трубы 1 подсоединяют к газопроводу. Открывают вентиль 2, а вентилем 11 устанавливают в основной 4 и внутренней 5 трубах давление, близкое к давлению в газовом потоке на входе. Значения давлений контролируют по манометрам 3 и 19. Краны 15 и 16 перекрыты, насос 12 выключен.Humidity measurement is performed as follows. The device through the valve 2 and pipe 1 is connected to the gas pipeline. Open valve 2, and valve 11 set the pressure in the main 4 and inner 5 pipes close to the pressure in the gas stream at the inlet. The pressure values are monitored by gauges 3 and 19. The taps 15 and 16 are closed, the pump 12 is turned off.

В основной трубе 4 с диэлектриком 20 соприкасается газ, содержащий водяные пары. Диэлектрик, выполненный из окиси алюминия, полимерного покрытия или других материалов, реагирующих на влажность, изменяет диэлектрические свойства. Величина изменений зависит от степени увлажненности, что формирует соответствующий сигнал в мостовой схеме 22, запитанной от генератора 21. Диэлектрик 20 в конденсаторе во внутренней трубе 5 не подвержен влиянию влажности, поглощенной фильтром 8, и электрический сигнал, сформированный в мостовой схеме 22, будет отличаться от первого. На выходе усилителя 23 сформируется разностный сигнал, характеризующий влажность. Величина этого сигнала фиксируется регистратором 24.In the main pipe 4, a gas containing water vapor is in contact with the dielectric 20. A dielectric made of alumina, a polymer coating, or other moisture-responsive material changes dielectric properties. The magnitude of the changes depends on the degree of moisture, which generates the corresponding signal in the bridge circuit 22, powered by the generator 21. The dielectric 20 in the capacitor in the inner tube 5 is not affected by the moisture absorbed by the filter 8, and the electric signal generated in the bridge circuit 22 will differ from the first. At the output of the amplifier 23, a difference signal characterizing moisture is generated. The magnitude of this signal is recorded by the recorder 24.

Дифференциальная схема измерений позволяет уменьшить погрешности из-за влияния внешних и внутренних факторов, занизить требования к изготовлению и комплектующим.The differential measurement scheme allows to reduce errors due to the influence of external and internal factors, to lower the requirements for manufacturing and components.

Измерение температуры точки росы по влаге выполняют следующим образом. Устройство также подсоединяют к газопроводу. Вентилем 11 устанавливают давление газового потока, близкое к входному. Определяют температуру газа по термометру 3. Если она выше предполагаемой температуры точки росы, включают насос 12, открывают кран 15 и им регулируют динамику охлаждения, она читается на индикаторе регистратора 24 по скорости уменьшения температуры. По величине разностного сигнала после усилителя 23 фиксируется температура точки росы по влаге. С началом конденсации влаги сигнал резко возрастает. На этот момент снимается значение температуры сетчатого электрода в основной трубе 4. Это и будет температурой точки росы по влаге.Measuring the temperature of the dew point in moisture is as follows. The device is also connected to the gas pipeline. The valve 11 sets the pressure of the gas stream close to the inlet. The gas temperature is determined by the thermometer 3. If it is higher than the expected dew point temperature, turn on the pump 12, open the valve 15 and regulate the cooling dynamics, it is read on the indicator of the recorder 24 according to the rate of temperature decrease. The magnitude of the difference signal after the amplifier 23 is fixed temperature dew point moisture. With the start of moisture condensation, the signal increases sharply. At this moment, the value of the temperature of the mesh electrode in the main pipe 4 is taken. This will be the temperature of the dew point in moisture.

Этот принцип регистрации позволяет однозначно определить температуру точки росы по влаге и мало зависит от влияния других компонентов исследуемого газового потока.This registration principle allows you to unambiguously determine the temperature of the dew point by moisture and little depends on the influence of other components of the studied gas flow.

Claims

A device for measuring humidity and temperature of the dew point on moisture, comprising a housing, a connecting pipe with a gas pipeline with a manometer and a thermometer, valves, pipes for the test gas and coolant with a pressure gauge at the outlet, a condensation metal surface, a heater, a cooler, thermometers, characterized in that the gas connection pipe is branched into electrically connected main and internal pipes, a filter is installed at the inlet of the internal pipe, a third pipe is formed above the surface of the internal pipe, with closed m inlet from the gas flow side, there is a fourth pipe with an open inlet, the third and fourth pipes are removed from the main pipe, while the fourth pipe enters the pump, the outlet of which is separately connected to the cooler and heater, the outlets of which are connected to the third pipe and equipped taps, in addition, on the outer surface of the third pipe and the inner surface of the inner pipe in the initial section of the third pipe, dielectric layers are applied, the dielectric properties of which depend on moisture, the dielectric layers covered with mesh metal electrodes, to the surface of which are connected thermal sensors, the outputs from the mesh electrodes and temperature sensors are taken out of the inner and main pipes, while the outputs of the electrodes and the main pipe are electrically connected to the inputs of the measuring electric circuit, which includes a series-connected generator, a bridge circuit, and a differential amplifier , the recorder, and the outputs of the temperature sensors are connected to the inputs of a two-channel amplifier, the outputs of which are connected to the inputs of the recorder.