Гордеев, Дмитрий Александрович. Генератор относительной влажности газов на принципе смешения потоков

brief description

Гордеев, Дмитрий Александрович. Генератор относительной влажности газов на принципе смешения потоков : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.13.- Санкт-Петербург, 2000.- 122 с.: ил. РГБ ОД, 61 00-5/2803-5

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи

ГОРДЕЕВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ГЕНЕРАТОР ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ НА ПРИНЦИПЕ СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ
Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Катушкин В.П.
Научный консультант - доктор технических наук, зав. отделом метрологии - главный метролог ВНИИЖ
Бегунов А.А.
Санкт-Петербург
2000

Оглавление
Введение 4
1. Аналитический обзор 7
1.1 Определение понятия «влажность газов» 7
1.2 Характеристики влажности газов 7
1.3 Анализ состояния парка приборов влажности газов 10
1.4 Анализ системы метрологического обеспечения измерений влажности газов 12
1.5 Методы и средства градуировки и поверки гигрометров 14
1.5.1 Метод насыщенных растворов 15
1.5.2 Метод двух давлений 20
1.5.3 Метод двух температур 24
1.5.4 Метод смешения потоков 30
1.5.5 Гравиметрический метод 32
1.6 Обоснование выбранного направления 33
1.7 Выводы 35
2. Теоретическое обоснование и исследование выбранного метода 36
2.1 Определение относительной влажности как физической величины 36
2.2 Теоретический анализ процессов тепло - массообмена в условиях смешения потоков39
2.3 Методика расчета и расчет основных узлов генератора 46
2.3.1 Методика расчета и расчет узла адсорбционной осушки воздуха 46
2.3.2 Методика расчета и расчет насытителя 49
2.3.3 Методика расчета и расчет теплообменника 52
2.3.4 Выбор конструктивных параметров смесителя 53
2.3.5 Выбор конструкции измерительной камеры 55
2.4 Теоретический анализ источников погрешности и оценка погрешности задания влажности 56
2.4.1 Вывод уравнения для расчета погрешности задания влажности 56
2.4.2 Анализ источников погрешности 57
2.4.3 Расчет систематической и случайной погрешности 62
2.5 Выводы 65
3. Конструктивные особенности генератора 66
3.1 Функциональная схема генератора 66
3.2 Генератор влажного газа 69
3.3 Термостат 72
3.4 Термогигрометр 74
3.4.1 Чувствительный элемент термогигрометра 74
3.4.2 Схема включения чувствительного элемента 77
3.4.3 Градуировочная характеристика термогигрометра 77
3.5 Выводы 80
4. Экспериментальные исследования метода и генератора 81
4.1 Задачи экспериментальных исследований 81
4.2 Аппаратура и техника экспериментов 81
4.2.1 Методика работы на генераторе 83
4.2.2 Контрольно-измерительная аппаратура 84 
з
4.2.3 Градуировка устройств контроля расхода 85
4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований 88
4.3.1 Исследование стабильности термогигрометра 88
4.3.2 Исследование динамических характеристик термогигрометра 89
4.3.3 Исследование температурного поля в рабочей камере термостата 91
4.3.4 Исследование выхода генератора на температурный режим 92
4.3.5 Исследование динамических характеристик генератора 96
4.3.6 Градуировка генератора относительной влажности газов 98
4.3.7 Исследование режима смешения двух потоков 101
4.3.8 Исследование стабильности температурно-влажностного режима генератора 102
4.3.9 Исследование влияния начальной температуры и влажности газа 103
4.3.10 Исследование воспроизводимости значений относительной влажности 104
4.3.11 Исследование неравномерности температуры и влажности по объему измерительной камеры 106
4.4 Выводы 108
5. Применение генератора 109
115
Выводы 113
Литература

Введение
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. Обес¬печение единства и точности измерения влажности газов и оценка метроло¬гических характеристик разрабатываемых приборов невозможны без разви¬тия 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 соответст¬вии с поверочной схемой ГОСТ 8.547-86 «Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений относительной влажности газов». Для достижения поставленной цели пред¬полагается решение следующих задач:
♦ проведение аналитического обзора существующих методов и средств создания парогазовых смесей;
♦ выбор наиболее подходящего или разработка нового метода, поло¬женного в основу генератора;
♦ проведение теоретических исследований выбранного метода и ана¬лиз значимости источников погрешности;
♦ разработка методики расчета основных узлов и выполнение расчета;
♦ создание генератора для поверки и градуировки гигрометров относи¬тельной влажности на базе проведенных теоретических исследова¬ний;
♦ проведение экспериментальных исследований с целью проверки тео¬ретических положений, расчетов, определение метрологических ха¬рактеристик генератора;
♦ проведение теоретической оценки погрешности генератора и его градуировка.

bibliography

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-гЮО) %, по температуре (Юч-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.

Литература
1. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, - 1973. - 400с.
2. Бегунов А.А. 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 А.А. 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.
Ю.Соков И. А. Основные понятия и термины в гигрометрии. // Измерительная техника. - 1986. - №2.- с.60.
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 А.А., 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 А.А. 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 А.А. Поверочные схемы для гигрометров // Измерительная техника. - 1979. - №3,- с.50.
25. Lapinski М., Kostyrko К., Wlodarsky W. Modem Methods for the Control and Mesurement of Humidity and Moisture. Warszawa.: Arkady, - 1976. - p.272.
26. Кузнецов B.A. Ялунина Г.В. Основы метрологии. М.: Из-во стандартов, - 1995. -279с.
27. Веккер Б.Л. Относительная влажность над растворами. В сб.: Материалы Всесоюзного научно-технического совещания «Аналитическое приборостроение, методы и приборы для анализа жидких сред». Тбилиси. - 1975. -т.11. -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. Гриднев А.С. Переходные процессы в установке для определения дина-мических характеристик гигрометров. В сб.: Материалы Всесоюзного научно-технического совещания «Аналитическое приборостроение, методы и приборы для анализа жидких сред». Тбилиси. - 1975. - т.2. - с.59.
33. 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.ЗЗ.
34. Гриднев А.С., Свиридова А.Я. Основные результаты разработки и испы-тания установки для определения динамических характеристик гигромет¬ров. В сб.: Материалы Всесоюзного научно-технического совещания «Аналитическое приборостроение, методы и приборы для анализа жидких сред». Тбилиси. - 1975. - т.2. - с.47.
35. Белошицкий А.П., Симулик М.Д. Образцовый генератор влажности газов на принципе двух давлений. В сб.: Материалы Всесоюзного научно- технического совещания «Аналитическое приборостроение, методы и приборы для анализа жидких сред». Тбилиси. - 1975. - т.2. - с. 145.
36. Соков И.А., Жилинский А.А., Белошицкий А.П., Сатыр Т.А. Образцовый генератор влажного газа «Родник-2ВК». // Измерительная техника. - 1982. - №9. - с.63.
37. Вапняр Г.Д., Соков И.А. Комплекс средств поверки гигрометров КСПГ-
79. // Измерительная техника. - 1982 - №9 - с.62.
38.Instruments at NBS. // USA Trasacfions - 1968 - vol.7. - №4. - p.356.
39. Дубовиков Н.И., Подмирная O.A., Соков И.А. Погрешность генератора влажного газа на методе двух давлений. // Измерительная техника. - 1985. - №7. - с.55.
40. Белоножко В.М., Гриднев А.С., Крепе И.Б., Мандрохлебов В.Ф. Образцовый генератор влажного воздуха для поверки высокотемпературных гигрометров. // Измерительная техника - 1982. - №9. - с.56.
41. Greensplan L. Low-frost-poent humidity generator. // J. Of Research NBS. - 1973 - №5 -c. 145.
42. Меркулов А.П., Колышев Н.Д., Соков И.А. Аттестация образцового динамического генератора влажного газа «Полюс-2». // Измерительная техника. - 1982. - №9. - с.65.
43. Мчелидзе Л.Д. Установка для контроля и создания влажности парогазовых смесей в диапазоне микроконцентраций: Дис. ... канд. техн. наук: Л. - 1984. - 130 с.
44. 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.
45. Дозорцев А.Р., Фридзон М.Ф., Балагуров А.М. Универсальный генератор влажного воздуха «Диполь». // Измерительная техника. - 1986. - №3. - с.35.
46. Дозорцев А.Р., Фридзон М.Ф., Балагуров А.М. Характеристика и метрологическая аттестация универсального генератора «Диполь». // Измерительная техника. - 1988. - №1. - с.45.
47. Фридзон М.Б. Образцовая установка для исследования атмосферных условий. // Метрология и Гидрология. - 1979. - №3. - с.97.
48. Инамацу Т., Такахаси Т. Изготовление прецизионного генератора влаж-ности. // Ое буцури. - 1984 - т.53 - №3 - с.249.
49. Бегунов А.А., Качкагишвили Л.Д., Матвеев JI.T. О давлении насыщенного водяного пара. // Метрология и гидрология. - 1978. - №2. - с.101.
50. Дубовиков Н.И., Дозорцев А.Р., Подмурная О.А., Фридзон М.Ф. Анализ погрешностей методов получения газа с заданной влажностью. // Измерительная техника. - 1986. - №3. - с.33.
51. Гершкович Е.А. Камеры для поверки и градуировки гигрометров. // Приборы и системы управления. - 1970. - №1. - с.39.
52. Гершкович Е.А., Мчелидзе Л.Д. Исследования и аттестация климатических камер. // Измерительная техника. - 1977. - №2. - с.83.
53. Гершкович Е.А., Мчедлидзе Л.Д. Результаты исследований климатиче¬ской камеры «Фейтрон». // Холодильная техника. - 1975 - №2 - с.30.
54. Бенгард Ф. Установка для определения статических и динамических характеристик гигрометров. // Измерительная техника. - 1970. - №2,- с.30.
55. Бегунов А.А. 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.
56. Костырко К. Эталонный сорбционно-гравиметрический гигрометр. // Измерительная техника. - 1976 - №11 - с.30.
57. Теруко Иманауц. Современный уровень исследований эталонов влажно¬сти в США. // Кейсокантри. - 1969 - т. 18 - №10 - с.23.
58. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух, термодинамические свойства и применение. М:. Энергоатомиздат. - 1984 - 124 с.
59. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е., Техническая термодинамика. М.: Из-во Наука. - 1979 - 510с.
60. Радушкевич JI.Д. Курс термодинамики. М.: Просвещение. - 1971 - 288с.
61. Тер-Хаар Д., Вергеланд Г. Элементарная термодинамика. М.: Мир. - 1968 -250с.
62. Андрюшенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М.: Высшая школа. - 1975. - 261с.
63. Харисон Л.П. Неидеальные газы. В кн.: Влажность JL: Гидрометеоиздат, - 1969.-Т.З.-С.128.
64. Вукалович М.П. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. М.: Издательство стандартов. - 1969 - 377с.
65. Сидоров А.И., Шумяцкий Ю.И. Адсорбционная осушка газов. М.: Стройиздат, - 1972. - 140с.
66. Сыщиков В.И. Сорбционные осушители воздуха. JL: Стройиздат, - 1969. - 210с.
67. Шолахов А. Исследование некоторых вопросов применения селикагеля для осушки воздуха.: Автореф. дис.... канд. техн. наук: М., - 1971. - 14с.
68. Рамм В.М. Адсорбционные процессы в химической промышленности. - М.: Госхимиздат, - 1951. - 290 с.
69. Алабовский А.Н., Удыма П.Г. Аппараты погружного горения. М.: Из-во МЭИ - 1994-255с.
70. Успенский В.А., Киселев В.М. О скорости барбатирования газа в жидкости. // Журнал прикладной химии. - 1973. - T.XLV. - с.113.
71. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, - 1980. - 323с.
72. Домашнев А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М.: Химия, - 1970. - 403с.
73. Мак-Адамс В.Х. Теплопередача. М.: Металлургиздат, - 1961. - 290с.
74. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Энергоиздат, - 1981. -417с.
75. Тадеуш Хоблер. Теплопередача и теплообменники. Jl.: Госхимиздат, - 1961. - с. 541.
76. Х. Хаузен. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе. М: Энергоиздат, - 1981. - 381с.
77. Богданов В.В., Христофоров Е.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъ¬емные смесители. Л.: Химия, - 1989. - 223с.
78. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабані В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. Л.: Химия, - 1984. - 336с.
79. Байдон Г.Г. Критический обзор таблиц и графиков, используемых в пси-хрометрии. В кн.: Влажность Л.: Гидрометеоиздат, - 1969. - т.1. - с.9.
80. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М.: Энергия, - 1963. - 383с.
81. Свойства влажного воздуха при давлениях 500-1000 мм.рт.ст (таблицы и диаграммы). М.: Госгортехиздат, - 1963. - 131с.
82. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, - 1959. - 699с.
83. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. М.: Госэнергоиздат, - 1950. - с.125
84. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных изме-рений. М.: Энергоатомиздат, - 1992. - с.64.
85. 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.
86. Пыко С.М., Снурников В.А., Харазов В.Г., Утешев М.А., Гордеев Д.А. Цифровой регулятор температуры. // Измерительная техника. - 1996 - №11 - с.35.
87. Гордеев Д.А., Катушкин В.П., Шилин В.Л. Установка задания влажности. // Деп. в ВИНИТИ. - 1998. - №2141-В98.
88. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Анализ и оценка погрешностей измерения в учебном процессе. СПб.: СПбГУТ, - 1997. - 62с.
89. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных дан-ных при измерениях. J1.: Энергоатомиздат, - 1990. - с. 188.
90. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Из-во стандартов, - 1973. - 190с.
91. МИ 2083-90 ГСИ. Измерение косвенные. Определение результатов изме-рения и оценивание их погрешностей. М:. Из-во стандартов, - 1991. - 9с.
92. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа. Л.: Химия, - 1986. - с.312.
93. Шилин B.JL, Катушкин В.П., Гордеев Д.А. Термогигрометр для высоких влажностей. // Деп. в ВИНИТИ. - 1998. - №2140-В98.