Проведение испытаний в целях утверждения типа гигрометра эталонного первого разряда с использованием государственного первичного эталона единиц влажности газов ГЭТ 151

Фефелов В. В.; Сибгатуллин Н. И.

В. В. Фефелов, Н. И. Сибгатуллин

ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ В ЦЕЛЯХ УТВЕРЖДЕНИЯ ТИПА ГИГРОМЕТРА ЭТАЛОННОГО ПЕРВОГО РАЗРЯДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ ГЭТ 151

Ключевые слова: гигрометрия, эталон.

Описывается устройство испытуемого гигрометра, ГЭТ 151, процедура проведения испытаний в целях утверждения типа средства измерения серийного производства в качестве рабочего эталона первого разряда с внесением его в государственный реестр средств измерений.

Keywords: hygrometry, standard.

The article describes the construction of the hygrometer being tested, the construction ofprimary state standard of the relative moisture unit of gases, the procedure of the tests

Введение

На данный момент увеличение точности измерения объемного расхода в газовых магистралях различными типами расходомеров за счет контроля влияющих факторов является актуальной проблемой [1].

Контроль влажности газа осуществляют измерением температуры точки росы (далее - ТТР) газа непосредственно в газовых магистралях с помощью погружных датчиков влажности, либо с помощью пробоотборных систем. Данная процедура обеспечивает возможность контроля однофазности газовой среды и исключает возникновение неточности измерения объемного расхода газовой среды в рабочих условиях. Ввиду большого количества рабочих средств измерений ТТР возникает необходимость наличия средства для их поверки.

Для испытаний в целях утверждения типа средства измерения в качестве рабочего эталона первого разряда необходимо подтвердить метрологические характеристики выбранного средства измерения. Для этих целей был задействован Государственный первичный эталон единиц влажности газов ГЭТ 151 (далее - ГЭТ 151).

Описание и принцип работы выбранных средств измерений

Для утверждения типа в качестве первичного эталона был выбрано средство измерения «Анализатор точки росы Optica» (далее -гигрометр) производства фирмы General Eastern. Гигрометр конструктивно выполнен в виде двух разделенных блоков: электронного блока и

измерительного преобразователя. В качестве измерительного преобразователя используют сенсоры проточного типа D-2 или 1211H.

Конденсирующее зеркало подсвечивается высокоинтенсивными полупроводниковыми

светодиодами. Фотодетектор контролирует отражение света диодов от зеркала. Фотодетектор полностью освещен, когда на зеркале нет росы, а при образовании росы степень его освещенности снижается. Отдельная пара «светодиод +

фотодетектор» используется в качестве известного эталона для компенсации любых температурных изменений среди оптических компонентов. Фотодетекторы подключены к контуру электрического моста, который на выходе дает значение тока, зависящее от уровня освещения, отражаемого зеркалом. Вывод моста контролирует подачу тока на термоэлектрический охладитель

Большой ток моста вырабатывается в случае, когда зеркало сухое, охлаждая зеркало до точки росы. В случае начала выпадения росы на зеркале, зеркало отражает меньше света, тем самым снижая вывод тока моста. Это, в свою очередь, снижает уровень тока в охлаждающем контуре. Петля обратной связи внутри амплификатора обеспечивает критическую реакцию, приводящую к быстрой стабилизации зеркала при температуре образования тонкого слоя росы или инея на его поверхности. Точный термометр, установленный внутри зеркала, позволяет непосредственно контролировать температуру образования росы. Подробно данный процесс отображен а рисунке 1

Оптический эталон

Т емг-едоу?а во»іаде>-в*я оосы |Вв#сосо^ом*«й тесмсмето)

Рис. 1 - Принцип работы гигрометра

Основными составными частями эталона ГЭТ 151 являются эталонные генераторы влажного газа. На рисунке 2 представлена схема эталонного генератора положительных температур. На вход генератора подается рабочий газ от источника сжатого газа (баллона) через понижающий

редуктор. Редуктор предназначен для задания и поддержания абсолютного давления газа в системе от 0,1 МПа до 2,0 МПа. Далее газ с заданным давлением по трубкам теплообменника поступает в систему насыщения 1-3 и затем с помощью игольчатого изотермического дросселя 4 происходит снижение давления влажного газа. После дросселя влажный газ может подаваться либо в рабочую камеру 5, либо на внешний гигрометр. Из рабочей камеры газ выходит в атмосферу через расходомер. Насытитель, дроссель и рабочая камера помещены в рабочий объем жидкостного термостата 6, температура которого задается и поддерживается системой терморегулирования. В эталонном генераторе положительных температур рабочей термостатирующей жидкостью является вода и для нагрева используются электронагреватели. При температуре насыщения, превышающей + 15 0С, охлаждение производится проточной водой, проходящей по змеевику в подготовительном объеме термостата. При рабочей температуре ниже +15 0С охлаждение производится фреоном, проходящему по второму контуру змеевика в подготовительном объеме термостата от холодильной машины. Система насыщения эталонного генератора положительных температур является двухступенчатой. На первой ступени предварительного насыщения, состоящей из двух соединенных параллельно насытителей 1, 2,

происходит разделение потока газа. Это приводит к снижению расхода газа в каждом из насытителей, обеспечивающее большую эффективность насыщения и меньшее понижение температуры. При прохождении теплообменника, соединяющего предварительные и основой насытители, происходит компенсация снижения температуры газа, возникающая при предварительном насыщении, и затем газ поступает в основной насытитель 3. В эталонном генераторе положительных температур используются различные модификации

насытителей-барбораторов. В каждом из насытителей газ при насыщении проходит столб воды длиной 0,2 м, разделенный на три ступени.

При работе с генератором отрицательных температур (рис. 3) газ предварительно проходит подготовку в генераторе сухого газа. Это позволяет исключить перемерзание трубок. В эталонном генераторе отрицательных температур рабочей термостатирующей жидкостью является спирт, охлаждение производится с помощью жидкого азота, поступающего в подготовительный объем термостата через змеевик поочередно из одного из двух сосудов дьюара. Подача азота осуществляется с помощью погруженных в дьюары устройств подачи хладагента (УПХ1 и УПХ2) типа УПХ-81. В составе каждого УПХ имеется нагревательный элемент, клапан и термопара. Открывание клапана приводит УПХ в рабочее состояние, а с помощью регулирования длительности импульсов тока, проходящего через нагревательный элемент, осуществляется управление интенсивностью испарения азота и, следовательно, скоростью

охлаждения. Термопара позволяет контролировать уровень азота в работающем сосуде дьюара и при окончании азота в нем автоматически включает подачу азота из второго (полного) дьюара.

Рис. 2 - Эталонный генератор положительных температур (1, 2- предварительный насытитель; 3 - главный насытитель; 4- дроссель; 5 - рабочая камера; 6 - рабочий объем; 7 - подготовительный объем; 8 - термометр терморегулятора;

9 - измерительный термометр; 10 - мешалка; 11 - двигатель; 12 - термостат;

13 - компрессионный холодильник)

Насытитель эталонного генератора отрицательных температур состоит из тарелок, стянутых шпильками. Чередование тарелок диаметрами 82 мм и 120 мм обеспечивает

эффективный теплообмен газа с термостатирующей жидкостью и компенсацию снижения температуры газа при насыщении. Тарелки насытителя содержат направляющие, расположенные концентрически относительно оси тарелки. Цилиндрические переходы-патрубки служат для ограничения уровня воды на каждой тарелке и прохождения газа последовательно из одной тарелки в другую. Вода, заливаемая в насытитель через штуцер,

последовательно заполняет все тарелки до уровня патрубков, образуя в насытителе поверхность льда или воды длиной 2,4 м.

Избыточные давления газа в насытителях и рабочих камерах генераторов (или внешних гигрометрах) измеряется преобразователями ИПД, атмосферное давление - микробарографом.

Экспериментальная часть

Оценка возможности передачи размера физической величины испытуемым гигрометром рабочим эталонам 2-го разряда и рабочим средствам измерения проводится в течении времени необходимом для установления стабильности показаний гигрометра и ГЭТ 151, что составляет не менее 30 минут для каждой выбранной точки в исследуемом диапазоне. Результаты измерения ТТР не должны отличаться от заданного значения на величину суммарной абсолютной погрешности ГЭТ-151 и гигрометра.

Исследуемый диапазон температур точки росы от минус 35 до 25 °С воспроизводится с помощью генераторов положительных и отрицательных температур в составе ГЭТ 151.

Рис. 3 - Эталонный генератор отрицательных температур (1 - насытитель; 2 - дроссель; 3 -рабочая камера; 4 - мешалка; 5 -

подготовительный объем; 6 - рабочий объем; 7 -термометр терморегулятора; 8 - термометр

измерительный; 9 - двигатель мешалки; 10 -термостат)

Сравнение значений ТТР, генерируемых ГЭТ 151 и измеренных гигрометром подтвердили высокую точность гигрометра. При этом учтены поправки на изменение температуры насыщенного газа, который успевает значительно изменить температуру за короткий промежуток времени с момента выхода из насытителя до поступления в проточный сенсор гигрометра. ТТР определяется при решении уравнения:

е(Тсі)Ґ(Рк,Тсі)~хп(Рн,^э)Рк

методом последовательного приближения (при начальном значении 1(Рк,Тб)=1.

Отдельным пунктом в проведении испытаний является проверка обеспечения защиты

программного обеспечения в соответствии с требованиями Р 50.2.077-2011 [3], ГОСТ Р 8.6542009 [4], и МИ 3286-2010 [5].

Заключение

По результатам проведенных испытаний сформирован комплект документов с соответствии с нормативным документом МИ 3290-2010 [6] и направлен на экспертизу во Всероссийский НаучноИсследовательский Институт Метрологии и Стандартизации.

Литература

1. Фафурин А.В. Точность измерения расхода сужающими устройствами / А.В. Фафурин, М. Л. Шустрова// Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - №22. - С.145-148.

2. Государственный первичный эталон единиц влажности газов ГЭТ 151. Доклад Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии. Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений. Восточно-Сибирский филиал. - Иркутск. 2010. - 51 с.

3. Р 50.2.077-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Испытания средств измерений в целях утверждения типа. Проверка обеспечение защиты программного обеспечения. - М.: Стандартинформ, 2007 - 11 с.

4. ГОСТ Р 8.654-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Требования к программному обеспечению средств измерений. Основные положения. - М.: Стандартинформ, 2009 - 16 с.

5. МИ 3286-2010. Рекомендация. Проверка защиты программного обеспечения и определение ее уровня при испытаниях средств измерений в целях утверждения типа. - М.: Росстандарт, 2010 - 30 с.

6. МИ 3290-2010. Государственная система обеспечения единства измерений. Рекомендация по подготовке, оформлению и рассмотрению материалов испытаний средств измерений в целях утверждения типа. - М.: Росстандарт, 2010 - 34 с.

13

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Фефелов В. В., Сибгатуллин Н. И.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Фефелов В. В., Сибгатуллин Н. И.