Вимірювання вологості газу в трубопроводі (стр. 3 из 5)
Рисунок 8 - Структурна схема вологоміра
3. Визначення та дослідження основних елементів і вузлів приладу для вимірювання вологості газу
Основними елементами приладу можна вважати перетворювачі температури, тиску та вологості в електричний сигнал, та реєструючий пристрій. В нашому приладі використовуються наступні чутливі елементи. Для перетвореннятемператури потоку використовуємо термометр опору, опір якого залежить від зміни температури навколишнього середовища, в даному випадку температури потоку природного газу в трубопроводі. Для перетворення вологості в електричний сигнал використовуємо ємнісний перетворювач, ємність якого, за рахунок зміни діелектричної проникності ε, яка залежить від вмісту вологи в потоці. Для отримання значення тиску в трубопроводі використовуємо
3.1 Термоперетворювач опору
Термометр опору - датчик для вимірювання температури, чутливим елементом якого є резистор, що виконаний з металевого дроту або плівки і має відому залежність електричного опору від температури. Найбільш поширений тип термометрів опору - платинові термометри. Це пояснюється тим, що платина має високий температурний коефіцієнт опору і високу стійкість до окислення. Еталонні термометри виготовляються з платини високої чистоти з температурним коефіцієнтом не менше 0,003925. Як робочі засоби вимірювань застосовуються також мідні і нікелеві термометри.
Стандарт, що діє, на технічні вимоги до робочих термометрів опору: ГОСТ Р 8.625-2006 (Термометри опору з платини, міді і нікелю. Загальні технічні вимоги і методи випробувань). Опір виготовленого термометра може бути будь-яким. Промислові платинові термометри опору в більшості випадків використовуються із стандартною залежністю опір-температура (НСХ), що обумовлює похибку не краще 0,1°С (клас АА при 0°С). Термометри опору на основі напиленої на підкладку плівки відрізняються підвищеною віброміцністю, але меншим діапазоном температур. Максимальний діапазон, в якому встановлені класи допуску платинових термометрів для дротяних чутливих елементів складає 660°С (клас З), для плівкових 600°С (клас З). Термоперетворювачі опору виготовляються термочутливих елементів (ЧЕ) рисунок 9, в корпус з неіржавіючої сталі 08Х18Н10Т. Гнучкий вивід виготовлений з термостійкого екранованого дроту у фторопластовій ізоляції типу МСЕО-1511.
Рисунок.9 - Термоперетворювач опору
3.2 Ємнісний перетворювач вологості
Ємнісні вимірювальні перетворювачі використовуються для перетворення лінійних або кутових переміщень, тисків, вібрацій, прискорень, рівнів рідини в електричний сигнал. Являє собою конденсатор що складається з двох чи більше пластин, відокремлених одна від одної шаром повітря або іншим діелектриком.
В розроблюваному приладі використано властивість ємнісних перетворювачів перетворювати зміну вологості середовища, яка змінює діелектричну проникність ε діелектрика.
Ємнісний перетворювач, який входить до складу розроблюваного приладу має дуже малі габаритні розміри, в якості діелектрика використано полімер чутливий до вологи, щоб забезпечити доступ вологи до діелектрика одну з пластин робимо пористою ширина пор від 1 до 10 мкм рисунок 10 [3].
Рисунок 10 - Ємнісний перетворювач вологості
3.3 Тенорезисторний перетворювач тиску
Використаний перетворювач тиску рисунок 11 складаються з первинного перетворювача і електронного пристрою. Середовище під тиском подається в камеру первинного перетворювача і деформує його мембрану, що приводить до зміни електричного опору розташованих на ній тензорезисторов, включених в електричне коло, внаслідок чого первинний перетворювач видає сигнал напруги. Електронний пристрій перетворить електричний сигнал в цифровий код значення вимірюваного тиску, який потім перетвориться в уніфікований струмовий вихідний сигнал.
Конструктивно датчик складається із сталевого циліндричного корпусу, в якому розміщений модуль аналогового пристрою. З одного торця корпусу угвинчений штуцер з тензоперетворювачем, на іншому кінці корпусу встановлена герметична вилка для підключення до струмової петлі 4…20мА. Вилка встановлюється через гумове кільце ущільнюється і закріплюється пластмасовою гайкою, яка нагвинчується на зовнішнє різьблення корпусу.
Рисунок 11 Тензорезисторний перетворювач тиску
Описані вище чутливі елементи найбільш підходять для їх використання в умовах, описаних в завданні, окрім того вони не дорогі, що робить розроблюваний прилад більш доступним.
Для захисту від механічних пошкоджень вище описані чутливі елементи помістимо в захисну гільзу, виконану з нержавіючої сталі, що забезпечить довгостроковість експлуатації приладу.
4. Розрахунок основних елементів вузлів приладу для вимірювання вологості газу
4.1 Розрахунок термоперетворювача опору
Для промислових платинових термометрів опору використовується рівняння Каллендара-Ван Дзюзена з відомими коефіцієнтами, які встановлені експериментально і нормовані в міжнародному стандарті МЕК 60751
RT=R0 [1+AT+BT2+cT3 (T-100)] (-200ºC<T<0ºC)
RT=R0 [1+AT+BT2] (0ºC<T<850ºC)
де RT - опір при температурі Т, R0 - опір про 0ºC та константи (для платинового термоперетворювача):
А = 3,9083 х 10-3 ºC-1
В = - 5,775 х 10-7 ºC-2
с = - 4,183 х 10-12 ºC-4
Оскільки коефіцієнти В і С відносно малі, опір росте майже лінійно по мірі росту температури. Порахувавши опору перетворювача від температури вимірюваного середовища заповнимо таблицю 2.
Найпоширеніша конструкція - так звана "вільна від напруги спіраль". Ця конструкція випускається багатьма російськими підприємствами і вважається найнадійнішою. Варіації основного дизайну полягають в розмірах деталей і матеріалах, використовуваних для герметизації корпусу ЧЕ. Для різних діапазонів температур використовуються різні види глазурі. Ця конструкція ЧЕ також дуже поширена за кордоном [1].
ЧЕ проектуємо у вигляді платинової спіралі рисунок 12, три відрізки якої укладаються в канали трубки з оксиду алюмінію і засипаються порошком з оксиду алюмінію високої чистоти. Таким чином, забезпечується ізоляція витків спіралі один від одного, амортизація спіралі при термічному розширенні і віброміцність. Герметизація кінців ЧЕ проводиться за допомогою проводиться за допомогою цементу, приготованого на основі оксиду алюмінію, або спеціальної глазурі.
Рисунок 12 - Схема ЧЕ
Таблиця 2 Залежності опору від температури
| Температура, 0С | Опір, Ом |
| -50 | 401,5 |
| -45 | 411,4 |
| -40 | 421,3 |
| -35 | 431,2 |
| -30 | 441,1 |
| -25 | 450,5 |
| -20 | 460,5 |
| -15 | 470,5 |
| -10 | 480,4 |
| -5 | 490,2 |
| 0 | 500 |
| 5 | 505,4 |
| 10 | 515,4 |
| 15 | 528,4 |
| 20 | 538,4 |
| 25 | 548,3 |
| 30 | 558,5 |
| 35 | 568,5 |
| 40 | 578,5 |
| 45 | 586,3 |
| 50 | 592,0 |
Відношення опору термоперетворювачів при 100ºС до опору при 0ºС повинне відповідати W100 = 1,3910. Статична характеристика рисунок 13 перетворювача повинна відповідати формулі (1):
Rt = Wt R0 (1)
де Rt - опір перетворювача Ом, при температурі t, Wt - значення відношення опору при температурі t до опору при 0ºС.
Рисунок 13 - Статична характеристика
4.2 Розрахунок ємнісного перетворювача вологості
Ємність будь-якого конденсатора залежить від трьох основних параметрів: площі пластин S, відстані δ між пластинами і діелектричної проникності середовища ε між пластинами конденсатора, формула 2.
. (2)Із наведеної формули бачимо, що зміни ємності можна досягти, змінивши значення однієї з величин δ, ε або S. Для розроблюваного приладу використовуємо зміну діелектричної проникності середовища, тобто δ=const, S=const, тому використаємо формулу (3) [4]
(3)Його характеристика С=f (ε) буде лінійною рисунок 14
Рисунок 14 - Характеристика ємнісного перетворювача
Для перевірки впливу тиску на ємнісний датчик використовується калібратор вологості, схема якого зображена на рисунку 15, який моделює умови трубопроводу.
Рисунок 15 - Схема калібратора вологості
1 - балон з якого в систему подається тиск до 17 МПа, редуктор 2 понижує тиск до значення р, через пристрій насищення 3 з температурою Т і вологістю близькою до 100%, газ потрапляє до камери генератора 5, який знаходиться в термостаті 6 де проходить конденсація надлишку вологи і насичення пари в газі до 100%. У вимірювальній камері 8 термостату 7 вимірюється вологість.4,10 - перетворювачі тиску, 9 - редуктор, 11 - капіляр