Генератор влажности «КОНГ»

Тема 7. Эталонное оборудование серии КОНГ.

Для метрологического обеспечения (поверки) влагомеров практически до самого последнего времени в газовой промышленности применялось в основном стационарное оборудование, требующее как постоянного внимания со стороны высококвалифицированного персонала, так и большого количества дорогостоящих расходных материалов (жидкий азот, очищенный воздух, газообразный азот, специальные фильтры, осушители, компрессоры и т.д.). К этому оборудованию относятся наиболее распространённые в газовой промышленности динамические генераторы влажности «Родник-2» и «Родник-3», генератор «Полюс-1», зарубежные генераторы «Ендрюс-Хаузер» и переносной генератор «Панаметрикс» (массой ~50 кг). Кратко остановимся на основных принципах функционирования имеющихся технических средств поверки влагомеров.

1.Принцип двух давлений (динамические генераторы влажности «Родник-2» и «Родник-3»). Сущность метода состоит в насыщении газа влагой при определенном повышенном давлении Р₁ и последующем изотермическим расширении его до атмосферного давления Р₂. Вследствие чего парциальное давление водяного пара уменьшается пропорционально общему давлению газа, а относительная влажность в рабочем объеме определяется соотношением

φ =Р₂/Р₁

Кроме относительной влажности генератор «Родник-2» аттестован по объемной доле влаги и по температуре точки росы в диапазоне от минус 33 ^оС до +54^оС.

Объемная доля влаги определяется по формуле

В=Р_а/Р₁*Вн

Р_а – нормальное атмосферное давление равное 101,3 кПа;

Вн – табличное значение насыщения водяного пара при температуре термостатирования насытителя и давлении 101,3 кПа (определяется по таблицам Вукалович М.П. Ривкин С.П. Александров А.А., Таблицы тепло-физических свойств воды и водяного пара, Издательство Стандартов, М., 1969.).

Температура точки росы по влаге определяется по величине В с помощью тех же таблиц. Таким образом, в погрешность объемной доли влаги, и точки росы входит погрешность используемых справочных данных (таблиц). Для диапазона температуры от 0 до минус 70°С разработан генератор «Родник-3» построенный по тому же принципу. На текущий момент серийно генераторы («Родник-2» и «Родник-3») не выпускаются. Данные генераторы используются в Центрах стандартизации и метрологии в городах – Саратов, Москва, Надым. К недостаткам данного типа генераторов следует отнести сложность и громоздкость конструкции, отсутствие какой-либо автоматизации, длительный выход на режим (до 4-х часов), высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, наличие расходных материалов (очищенного воздуха или азота под высоким давлением). Точность воспроизведения единицы влажности составляет 0,01% относительной влажности, что соответствует 0,2°С.

2. Принцип достижения фазового равновесия над жидкой или твердой фазой (генератор «Полюс»). Сущность этого метода состоит в насыщении газа влагой при известной температуре над жидкойили твердой фазой воды или льда.

После насыщения газа в сатураторе (насытителе) увлажненный газ подается в измерительную камеру поверяемого гигрометра. Для повышения точности метода измеряют давление в сатураторе и измерительной камере гигрометра. Если перепад давления между камерой насыщения и гигрометром пренебрежимо мал, то температура сатуратора Т, при которой устанавливается фазовое равновесие между паром и жидкой (твердой) фазой, и является точкой росы Тр (либо инея Ти). Еслиже имеется некоторый перепад давления, то парциальное давление водяного пара в измерительной камере поверяемого гигрометра уменьшается пропорционально общему давлению:

е = Ен* Р₂/Р₁

где е - парциальное давление в измерительной камере гигрометра;

Ен - парциальное давление насыщенного пара при температуре насытителя.

Можно сказать, что метод фазового равновесия является абсолютным методом получения известной точки росы.

На методе фазового равновесия основан образцовый генератор влажного газа «ПОЛЮС-1». Погрешность воспроизводимой генератором «ПОЛЮС-1» температуры точки росы определяется стабильностью, градиентами и точностью измерения температуры насытителя. Крометого, существенное значение приобретает вопрос полноты насыщения (т.е. достижения фазового равновесия), что обеспечивается выбором конструкции сатуратора и режима его работы. Разновидность метода, реализуемую при низкой температуре (отрицательной по Цельсию) часто называют методом вымораживания. При его реализации необходимо предусматривать меры, препятствующие образованию и выносу из насытителя влаги в дисперсной фазе (т.е. «морозного тумана»).

Для обеспечения работы генератора требуется доукомплектовать его побудителем расхода газа (компрессор), средствами подготовки газа (увлажнитель, осушитель и т.п.), средствами измерения сопротивления платинового термометра (потенциометр высокой точности с образцовым резистором) и т.п.

Сложность конструкции, высокое энергопотребление генератора, а также использование жидкого азота в качестве охладителя сильно затрудняют работу с ним. Серийное производство таких генераторов не организовано и общееих количество в стране крайне мало (несколько штук).

3. Принцип смешения потоков (генераторы «Ендрюс-Хаузер» и «Панаметрикс»)

Генераторы основанные на этом методе применяются в ОАО «Газпром» («Тюменьтрансгаз», «Оренбурггазпром», «ВНИИГАЗ») в качестве передвижных.

Сущность метода заключается в смешении двух потоков – сухого и влажного газа. При этом влажный газ насыщается при известной температуре, а сухой газ используется для понижения влажности влажного газа за счёт нормированного смешения потоков. Регулирование влажности осуществляется с помощью изменения расходов сухого и влажного газа. Для расчета генерируемой точки росы используются специальные таблицы.

Положительной стороной этого типа генераторов является то, что их можно, хоть и с трудом, использовать в качестве переносного средства поверки (вес с дополнительным оборудованием, необходимым для работы, около 50 кг). Однако, генераторы «Ендрюс-Хаузер» и «Панаметрикс» имеют достаточно высокую погрешность ±(1…2) ^оС и требуют дополнительного оборудования (компрессор, баллоны с газом, фильтры, осушитель и т.д.), и, как все генераторы этого класса, имеют довольно продолжительное время выхода на режим (примерно 1,5…2 часов).

В табл. 1 приведены основные характеристики стационарных образцовых средств задания влажности газов.

Таблица 1.

Основные характеристики стационарных образцовых средств задания влажности газов.

Образцовое средство	Воспроизводимая величина	Пределы измерений	Предел допустимой погрешности измерения
Динамический генератор влажности «Родник-2»	Относительная влажность   Объемная доля влаги	5 – 99 %     410 –150000 млн^-1	Абс. + 0,5%   Отн. + 1%
Динамический генератор влажности «Родник-3»	Относительная влажность   Объемная доля влаги	10 – 99 %     0,3-2000 млн^-1	Абс. + 1,5%   Отн. + 3%
Генератор «Полюс»	Точка росы	-60…+20^оС	Абс. + 0,2^оС

Принципы работы поверочного комплекса «КОНГ»

Таким образом, анализируя состояние дел со средствами поверки можно сделать вывод, что малое их количество (единичные экземпляры в России) и практически полное отсутствие переносных устройств сильно затрудняет проведение поверки на местах использования гигрометров. В связи с этим для облегчения поверки гигрометров серии КОНГ, научно-технической фирмой «Вымпел» было разработано уникальное, мобильное средство для проведения поверок – «Поверочный комплекс КОНГ», и было налажено его серийное производство. Простота обслуживания, небольшие размеры и вес, удобный интерфейс, полностью автоматизированный способ задания температуры точки росы, отсутствие расходных материалов – позволяют использовать его непосредственно на местах установки средств измерения для проведения оперативной поверки.

В основу работы комплекса положен метод фазового равновесия над жидкой или твердой фазой при установившемся гигротермодинамическом равновесии. Метод фазового равновесия является абсолютным методом получения известной точки росы. Комплекс создан с учетом имеющихся плюсов и минусов данного метода (см. выше). В «Поверочном комплексе КОНГ» насытитель и рабочая камера объединены, что исключает влияние перепада давления. Небольшие размеры рабочей камеры (около 0,2 см³) обеспечивают наступление термодинамического равновесия (время выхода на режим) в кратчайшие сроки (~10 минут). У других генераторов это время колеблется от 2^х до 4^х часов.

Для большинства генераторов необходим принудительный проток газа через рабочую камеру, что связано с определенными трудностями, по обеспечению генераторов дополнительным оборудованием (компрессорами, баллонами с газом, осушителями, специальными фильтрами и т.д.). В поверочном комплексе «КОНГ» применен ряд оригинальных отечественных разработок, которые позволили проводить работы в стационарном режиме без принудительного расхода газа через рабочую камеру. Благодаря этому отсутствуют трудности связанные с динамическим режимом (который, кстати, так же можно использовать при работе с комплексом), а так же нет опасности выброса жидкости (тумана из насытителя), что присуще генераторам серии «Полюс». Основные технические характеристики разработанного комплекса приведены ниже.

Диапазон воспроизведения точки росы	-	от –50 до +30°С
Пределы допускаемой абсолютной погрешности при воспроизведении точки росы, не более	-	±0,5°С
Время выхода на режим воспроизведения заданного значения точки росы, не более	-	30 мин
Напряжение питания термогигростата	-	от 187 до 242В, (50±2)Гц
Потребляемая мощность термогигростата, не более	-	30 Вт
Габаритные размеры термогигростата, не более	-	120х200х250мм
Масса термогигростата, не более	-	3кг
Условия эксплуатации: Температура окружающего воздуха Относительная влажность воздуха Атмосферное давление	---	(20±5)°С до 80% от 84 до 106,7 кПа (от 630 до 800 мм.рт.ст.)

Комплекс аттестован органами Госстандарта РФ и внесен в Государственный реестр средств измерений под №17286-98, Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.31.004.A №5195.

Сравнение «Поверочного комплекса КОНГ» с переносными аналогами

Компактность «Поверочного комплекса КОНГ» позволяет использовать его как в качестве лабораторного (стационарного), так и в качестве переносного генератора точки росы. Низкая погрешность в совокупности с габаритно-массовыми характеристиками а также отсутствие расходных материалов (специально подготовленного воздух или азота, фильтров или компрессогров и т.д.) делает работу с комплексом простой и удобной. В таблице 2 приведены сравнительные технические характеристики поверочного комплекса «КОНГ» с переносным генератором «Панаметрикс».

Конструкция и функционирование «Поверочного комплекса КОНГ»

Поверочный комплекс «КОНГ» представляет собой генератор влагосостояния, основанный на принципе насыщения-вымораживания. Конструктивно комплекс (см. Рис. 1) состоит из термогигростата, согласующего электронного блока, преобразователя температуры точки росы серии «КОНГ-Прима» и управляющего компьютера IBM PC со специальным программным обеспечением. Нехорошее описание в целом! Например. ниже появляется преобразователь конг Прима, но он – «неописанный идентификатор!»

Основным элементом термогигростата является конденсационное зеркало (см. Рис. 7, поз. Е), температура которого регулируется при помощи охлаждающего модуля, построенного на базе трехкаскадного «элемента Плетье». Рисунок 7 далеко ниже и не по тому поводу!

Для того, чтобы конденсационное зеркало стало сатуратором (насытителем), перед установкой преобразователя «КОНГ-Прима» зеркало охлаждается до температуры минус 20˚С* (для конденсации паров воды из окружающего воздуха) и выдерживается в течении 5 минут (для образования устойчивой плёнки воды/льда).

Конструкция ЧЭ преобразователя «КОНГ-Прима» и зеркала комплекса такова, что при монтаже анализатора образуется замкнутый объем, и чувствительный элемент преобразователя «КОНГ-Прима» (см. Рис. 7, поз D) находится в 1,5мм от зеркала (сатуратора) комплекса (см. Рис. 7, поз. Е). Т.о. образуется измерительная ячейка (см. Рис. 7, поз. А), влагосостояние в которой зависит от температуры зеркала (сатуратора) и от фазового состояния жидкости на зеркале комплекса. Следовательно, изменяя температуру зеркала, изменяем точку росы в измерительной ячейке.

Таблица 2.

Технические характеристики генератор MG-101(производство фирмы «Панаметрикс») и поверочного комплекса «КОНГ»

Технические характеристики	Поверочный комплекс «КОНГ»	Калибратор MG-101
Диапазон задания точки росы, ^оС	Минус 50 …+30	Минус 60 …+20
Погрешность задания точки росы, ^оС	+ 0,5	+ 1
Время выхода на режим, мин
Габаритные размеры, мм	120 х 200 х 250	1200 х 1250 х 680
Дополнительное (необходимое) оборудование	В комплект поставки входит Ноутбук, либо любой компьютер типа IBM PC с установленным ПО.	Источник газа (компрессор или баллон не входит в комплект поставки). Фильтр и осушитель входят в комплект поставки
Общая масса, кг		50 (без баллона и/или компрессора)

При измерении точки росы преобразователем «КОНГ-Прима» происходит конденсация паров воды на ЧЭ преобразователя. Количество воды, которое используется при проведении измерения, не может исказить пробу в измерительной ячейке комплекса. Это показывают как результаты измерений точки росы по льду, так и простые оценочные расчеты. Наличие на зеркале комплекса жидкости толщиной ~1 мм обеспечивает чувствительный элемент преобразователя «КОНГ-Прима» при измерении необходимым количеством молекул воды, поскольку объемная доля влаги необходимая для проведения измерений составляет 6.75х10^-3 % от всего количества влаги сконденсированной на зеркале (сатураторе) внутри измерительной ячейки (исходные данные на основании которых проводился расчёт: площадь зеркала комплекса 50 мм², среднее значение толщины плёнки льда на зеркале 1мм, площадь чувствительного элемента 0,25 мм² толщина пленки влаги необходимая для падения фотосигнала на 90%** от максимального уровня – 13.5 мкм). Очевидно, что столь низкое количество влаги необходимое для проведения измерений преобразователем «КОНГ-Прима4» не может, сколь ни будь существенно, повлиять на влагосостояние внутри измерительной ячейки.

Управление процессами задания и поддержания точки росы осуществляется через согласующий электронный блок при помощи компьютера со специализированным программным обеспечением.

Рис. 1. Поверочный комплекс «КОНГ» совместно с преобразователем точки росы серии «КОНГ−Прима»

1 – согласующий электронный блок, 2 – термогигростат, 3 преобразователь точки росы серии "КОНГ-Прима", 4 – управляющий компьютер

Электронный блок термогигростата и компьютер со специальной программой обеспечивают:

¨ стабилизацию заданной температуры точки росы на поверхности конденсационного зеркала;

¨ автоматический режим работы комплекса при калибровке (поверке) с отображением числовых значений контролируемых параметров;

¨ протоколирование работы.

Дата добавления: 2014-01-07