Дата публикации: 30.04.2021
Содержание: 2 - Область применения генераторов влажного газа 3 - Генераторы влажного газа (относительной влажности), применяемые в России 4 - О метрологических характеристиках генератора влажного воздуха HygroGen 5 - Устройство и принцип работы генераторов Суховей-1 и Суховей-1П 6 - Основные метрологические и технические характеристики генераторов Суховей-1 и Суховей-1П 8 - Процесс проведения поверки 9 - Система подготовки сжатого воздуха 10 - Техническое обслуживание и поверка
ООО НПК «МИКРОФОР» выпускает и проводит техническое обслуживание более 10000 средств измерения влажности в год. Для этого требуется проводить градуировку и поверку более 100 приборов ежедневно, что невозможно без применения высокопроизводительных генераторов влажного газа. С проблемой отсутствия на рынке таких генераторов мы столкнулись более 20 лет назад - имевшиеся у нас на тот момент 2 генератора «Родник-2» перестали справляться с объемом выпускаемой продукции. Тогда были начаты работы по модернизации и автоматизации генераторов «Родник-2» [1], затем полученный опыт был использован при разработке собственных генераторов влажного газа, работа которых основана на фундаментальных физических принципах. На этом пути был получен огромный опыт, разработано несколько поколений модулей измерения и регулирования давления и температуры, конструкций насытителя и рабочей камеры, генераторы прошли неоднократную модернизацию. Планы по внесению этих генераторов в Госреестр были, но из-за имевшейся возможности самостоятельно аттестовывать эталоны по результатам калибровки, эта процедура постоянно откладывалась. Вступление в силу в начале 2020 года изменений в постановление Правительства №734 от 23.09.2010 «Об эталонах единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений» [2] закрыло возможность для самостоятельной аттестации не внесенных в Госреестр эталонов, поэтому мы были вынуждены резко ускорить проведение испытаний генераторов влажного газа «Суховей» в целях утверждения типа. Рисунок 1 – Внешний вид генератора Суховей-1П.
Отличие между генераторами Суховей-1 и Суховей-1П заключается в погрешности воспроизведения относительной влажности – ±1 % у генератора Суховей-1, погрешность же генератора Суховей-1П в диапазоне от 0 до 98 % составляет ±0,5 % (в диапазоне от 98 до 100 % его погрешность также ±1 %). Таким образом, генератор Суховей-1П (в отличии от Суховея-1) может применяться для поверки гигрометров, имеющих погрешность измерения относительной влажности ±1 % в соответствующем диапазоне (например, ИВА-6АР с измерительным преобразователем ДВ2ТСМ-1Т-2П-Б, Rotronic HygroPalm и других).
2 - Область применения генераторов влажного газа В действующем ГОСТ 8.547-2009 «Государственная поверочная схема для средств измерений влажности газов» [5] рабочие средства измерений относительной влажности (термогигрометры, измерители влажности, приборы комбинированные и т.п.) выделены в две группы (см. таблицу 1). Таблица 1. Рабочие средства измерений относительной влажности согласно ГПС.
Генераторы Суховей-1 и Суховей-1П предназначены для поверки средств измерения относительной влажности, имеющих вынесенный за габариты корпуса герметичный зонд измерения влажности, либо представляющие собой такой зонд. Поверку приборов второй группы (погрешность от 3 % и хуже) обычно проводят методом непосредственного сличения в климатической камере, помещая в нее эталонный гигрометр относительной влажности 2-го разряда и поверяемые приборы. Анализ записей во ФГИС «Аршин» [6] о произведенных поверках термогигрометров показал, что ряд организаций проводят поверку средств измерений первой группы, используя в качестве эталона относительной влажности эталонные гигрометры 2-го разряда, что является нарушением и с точки зрения Государственной поверочной схемы и требований соответствующих методик поверки по использованию других средств измерений, обеспечивающих необходимую точность.
3 - Генераторы влажного газа (относительной влажности), применяемые в России К нашему сожалению, приходится констатировать, что за прошедшие 20 лет проблема с метрологическим обеспечением средств измерения влажности газов решена так и не была. Большинство ЦСМ используют неплохие генераторы HygroGen, имеющие совершенно неадекватную цену и ряд других недостатков, о которых будет сказано далее. В Госреестр было внесено несколько генераторов российского производства, но, как будет показано далее, их соответствие заявленным метрологическим характеристикам весьма сомнительно.
Таблица 2. Сравнение представленных в РФ генераторов влажного газа.
Работа половины из представленных в таблице генераторов основана на методе смешивания сухого и влажного газовых потоков по показаниям контрольного гигрометра. К достоинствам генераторов на основе метода смешивания можно отнести простоту конструкции. Существенным недостатком является необходимость использования контрольного гигрометра для измерения задаваемой влажности. В качестве контрольного гигрометра используют «высокоточные» преобразователи на основе емкостного сенсора или, в более продвинутых генераторах, конденсационные гигрометры. Весьма спорным является вопрос о том можно ли считать такие генераторы реализующими метод прямых измерений, так как фактически передача единицы измерения относительной влажности производится от контрольного гигрометра, который подвержен дрейфу градуировочной характеристики в зависимости от условий эксплуатации, имеет гистерезис (зависимость показаний от направления изменения относительной влажности). Основанные на методе смешивания генераторы ТКА-ГВЛ, ГВГ-901 и ГВЛ-902 не имеют термостатируемой камеры, которая в генераторах HygroGen используется, чтобы температура зондов поверяемых гигрометров и контрольного гигрометра была одинаковой. Необеспечение равенства этих температур вследствие наличия градиента по рабочей камере происходит по следующим причинам:
Несоответствие температуры поверяемых гигрометров и контрольного датчика генератора приводит к дополнительной погрешности при передаче единицы относительной влажности, которая при большой влажности может значительно превышать заявленную погрешность генератора. Оценим к какой ошибке это может приводить. Для этого воспользуемся формулами в соответствии с [7] и [8], либо метрологическим калькулятором Микрофор [9]. Рассчитаем какие показания будут у поверяемого гигрометра, если его температура будет отличаться от температуры контрольного гигрометра на 0,1 и 0,2 °С (см. таблицу 3).
Таблица 3. Ошибка измерения относительной влажности при несоответствии температур контрольного и поверяемого гигрометра.
Генераторы Родник, которые реализуют фундаментальные методы воспроизведения относительной влажности (к ним относятся метод двух температур, метод двух давлений и метод фазового равновесия – [8]), являются сложными в эксплуатации и морально устаревшими. Генераторы Суховей-1 и Суховей-1П воспроизводят единицу относительной влажности, используя сочетание методов двух давлений и двух температур, имеют современную элементную базу, удобное управление и высокую автоматизацию.
4 - О метрологических характеристиках генератора влажного воздуха HygroGen Отдельно следует отметить эталонный генератор влажного воздуха HygroGen 2, получивший наибольшее распространение в России за последние 10 лет благодаря удобству использования и качественному исполнению. В соответствии с описанием типа на него (номер в ФИФ 32405-11 [10]), почти все модификации этого генератора имеют погрешность воспроизведения относительной влажности ±0,5 % в диапазоне от 0 (или 5) до 100 %. Эти характеристики вызывают большие сомнения по двум причинам: 1) Спецификация производителя Rotronic радикально отличается от спецификации Российских дистрибьютеров (характеристики у последних соответствуют описанию типа СИ – [11], [12]). В полной актуальной на дату написания статьи спецификации производителя от 03.11.2016 [13] записано (см. таблицу 4), что точность контрольного датчика генератора HG2-S (соответствует HygroGen 2 в описании типа) составляет ±0,8 %, а его тип – HygroClip2 (его подробные характеристики приведены в [14]).
Таблица 4. Характеристики генераторов HygroGen на сайте производителя.
Также приводятся значения факторов, которые вносят дополнительную погрешность воспроизведения – градиенты температуры и влажности по камере, погрешность измерения и установки температуры в камере. Самым интересным является параметр "Типичная неопределенность калибровки" ("Typical calibration uncertainty") ±1,5 %. Вывод – в настоящее время (и, судя по дате спецификации, с 2016 года) Rotronic не производит генераторы влажного воздуха HygroGen в модификации, которая могла бы обеспечить погрешность воспроизведения относительной влажности ±0,5 %. 2) В описании типа на HygroGen [10] указано, что контрольный сорбционно-емкостной датчик (HygroClip) используется «для измерения воспроизводимых значений относительной̆ влажности» только в генераторах HygroGen 1 с погрешностью ±1 %, в остальных генераторах (с погрешностью ±0,5 %) используются различные конденсационные гигрометры с погрешностью измерения температуры точки росы (инея) ±0,2 °C и температуры ±0,1 °С. Сам Rotronic в настоящее время таких модификаций не предлагает. Проведем оценку погрешности измерения относительной влажности конденсационным гигрометром косвенным методом, при котором значение относительной влажности рассчитывается на основе измеренных конденсационным гигрометром значений точки росы и температуры. Для этого воспользуемся формулами в соответствии с [7] и [8] или калькулятором [9] – примем, что в рабочей камере установлена температура 23°C и рассчитаем какую погрешность по относительной влажности будет иметь конденсационный гигрометр с погрешностью по точке росы (инея) ±0,2 °C при различных значениях относительной влажности (см. таблицу 5).
Таблица 5. Результаты расчеты погрешности конденсационного гигрометра по относительной влажности.
Из таблицы видно, что смысл от использования конденсационного гигрометра имеется только в диапазоне приблизительно 50 % и меньше. Но в диапазоне менее 25 % (когда точка инея становится ниже 0 °С) у него появляется другая проблема – неопределенность фазы конденсата (вода или лед) при отрицательной температуре зеркала (об этом мы уже писали ранее [15]). С учетом этой неопределенности, погрешности ±0,5 % по относительной влажности сложно достигнуть даже в этой области. Также необходимо учесть погрешность измерения температуры конденсационным гигрометром, которая составляет ±0,1 °С – в этом случае ошибка при передаче единицы увеличится еще в 1,5 раза [15]. Вывод – использование конденсационного гигрометра не позволяет достичь погрешности воспроизведения относительной влажности генератора HygroGen 2 ±0,5 % в заявленном диапазоне. Конденсационный гигрометр значительно стабильнее при длительной эксплуатации, чем сорбционно-емкостной HygroClip2 (или любой другой) – наверняка именно поэтому Rotronic раньше предлагал его в комплекте с генератором. Так как срок действия свидетельства об утверждении типа на генераторы HygroGen заканчивается в конце 2021 года, а представленные в этом описании типа генераторы HygroGen 2 достаточно сложно скомплектовать (из-за особенностей слияний и поглощений производящих генераторы и конденсационные гигрометры компаний, которые сейчас являются конкурентами на мировом рынке), с интересом ожидаем какие характеристики будут иметь эти генераторы в новом описании типа, которое на момент написания этой статьи готовилось.
5 - Устройство и принцип работы генераторов Суховей-1 и Суховей-1П Принцип действия генераторов Суховей-1 и Суховей-1П основан на использовании метода двух температур, метода двух давлений и их комбинаций. Генератор содержит предварительный увлажнитель газа, насытитель, регуляторы температуры увлажнителя и насытителя, регуляторы давления газа в насытителе и измерительной камере, а также измерительную камеру с 8 портами, в которые устанавливаются зонды поверяемых гигрометров. Газ от внешнего источника (это может быть баллон с азотом или сжатым воздухом с редуктором, компрессор, либо специально разработанная ООО НПК «МИКРОФОР» система подготовки сжатого воздуха) подается на вход генератора и, проходя через пропорциональный клапан регулятора давления К1, последовательно поступает в увлажнитель и насытитель, давление и температура в котором поддерживается на заданном уровне P1 регуляторами давления и температуры (см. газовую схему генератора на рисунке 2). Увлажнитель представляет собой термостатируемый стакан с водой с измерителем уровня жидкости. Стакан содержит вертикальную перегородку из газопроницаемого смачиваемого материала. Значение температура воды в стакане поддерживается на несколько градусов выше температуры насытителя. Газ, проходя через увлажнитель, слегка нагревается и насыщается влагой. Температура точки росы газа на выходе увлажнителя выше, чем температура насытителя.
Рисунок 2 – Схема газовой системы генераторов Суховей-1 и Суховей-1П. Насытитель представляет собой термостатируемую с помощью термоэлектрического модуля камеру с системой каналов, проходя через которые увлажненный газ охлаждается, принимая температуру камеры, сконденсировавшаяся на стенках каналов влага стекает в нижнюю часть камеры и удаляется наружу. Из насытителя газ с заданным значением точки росы поступает через пропорциональный клапан К2 во встроенную измерительную камеру с поверяемыми зондами гигрометров. Давление P2 в измерительной камере поддерживается регулятором давления, температура камеры измеряется установленным в ней платиновым термопреобразователем. На выходе измерительной камеры с обратной её стороны установлен контрольный измерительный преобразователь влажности и температуры ДВ2ТС-1Т-2П, предназначенный для контроля работы генератора. Он не участвует в установке относительной влажности, может быть отключен и демонтирован – это не повлияет на работу генератора. С выхода измерительной камеры газ сбрасывается в атмосферу. Измерительная камера имеет мощный вентилятор принудительного обдува, который позволяет привести температуру зондов гигрометров и камеры к температуре окружающей среды и минимизировать температурные градиенты в зоне измерений. Клапан КЛ2 используется для сброса конденсата из насытителя при просушке. Клапаны КЛ3-КЛ5 обеспечивают подачу в измерительную камеру сухого воздуха от внешнего источника и просушку насытителя перед выключением генератора. Клапаны КЛ6 и КЛ7 предназначены для установки нулей соответствующих датчиков давления. Клапан КЛ8 предназначен для запирания измерительной камеры при выполнении процедуры проверки ее герметичности. Высокая точность воспроизведения единицы относительной влажности генераторами Суховей-1 и Суховей-1П достигается следующими техническими решениями:
Градуировка генераторов Суховей-1 и Суховей-1П по относительной влажности невозможна – вместо этого в процессе производства градуировку проходят модули измерения температуры насытителя и измерительной камеры, модули измерения давлений в насытителе и измерительной камере и модуль измерения атмосферного давления. Расчет значения воспроизводимой относительной влажности в генераторе осуществляется на основе измеренных значений атмосферного давления, избыточных давлений и температур в насытителе и измерительной камере специальным программным модулем в полном соответствии с [7] и [8] (с учетом неидеальности газа). На основе этого программного модуля выполнена программа RH Calc (рисунок 3).
Рисунок 3 - Окно программы RH Calc.
6 - Основные метрологические и технические характеристики генераторов Суховей-1 и Суховей-1П Таблица 6 – Метрологические и технические характеристики
Таблица 7 – Требования к питающему газу
Требования таблицы 7 для диапазона воспроизводимых значений относительной влажности от 0 до 100 % обеспечиваются Системой подготовки сжатого воздуха, о которой будет рассказано ниже.
Генераторы Суховей-1 и Суховей-1П управляются при помощи сенсорного экрана, расположенного на передней панели слева от измерительной камеры (см. рисунок 1). Интерфейс ориентирован на использование пальца и состоит из двух зон – вертикального ряда кнопок слева, с помощью которого выбирается режим отображения зоны справа. Две нижние кнопки служат для взаимодействия пользователя с текущей программой, поэтому их текст и назначение изменяются в зависимости от выполняемой программы. На экране «Состояние» (см. рисунок 4) отображается текущее значение относительной влажности в измерительной камере, статус генератора и другая справочная информация.
Рисунок 4 – Экран «Состояние». На экране «График» (рисунок 5) отображаются зависимости от времени для текущего и заданного значений относительной влажности, а также показания контрольного датчика. Масштаб времени можно легко менять, нажимая на сам график.
Рисунок 5 – Процесс установки нескольких значений относительной влажности на графике. Установка относительной влажности может производиться либо нажатием на программируемые кнопки из меню «Установка» (рисунок 6 слева), либо по программам поверки из меню «Программы» (рисунок 6 справа). Наиболее интересным представляется режим работы по программам, так как по нему будут последовательно установлены все значения относительной влажности в соответствии с методикой поверки. Генератор выполнит проверку герметичности, установит первую точку по методике поверки и будет автоматически ее поддерживать, пока пользователь не нажмет кнопку «Продолжить» (слева на рисунке 4), после чего генератор установит следующую точку по методике поверки и так далее.
Рисунок 6 – Экраны меню установки относительной влажности. Программы поверки будут постоянно обновляться (при внесении изменений) и пополняться, в том числе по запросам пользователей. На момент написания статьи имеется 30 программ для поверки гигрометров различных производителей (ИВА-6, ДВ2, ИВТМ-7, многочисленные приборы Testo, ОВЕН ПВТ100, CENTER 310-317, Rotronic HygroPalm и другие). На экране «Сервис» (рисунок 7 слева) имеются различные сервисные программы, включая программы для слива и залива воды в увлажнитель и проверку герметичности. Вид меню «Настройки» показан на рисунке 6 справа.
Рисунок 7 – Экраны «Сервис» и «Настройки».
8 - Процесс проведения поверки Поверка гигрометров по относительной влажности с использованием генераторов Суховей-1 или Суховей-1П начинается с его включения, в ходе которого генератор устанавливает связь со всеми собственными модулями, проверяет соответствие температуры измерительной камеры рабочим условиям применения, наличие газа на входе и наличие установленных в измерительную камеру зондов гигрометров. После завершения проверок на экране загорится статус «ГОТОВ» (см. рисунок 8). Рисунок 8 – Генератор готов к работе. Рабочие порты измерительной камеры имеют резьбу М24×1. Преобразователи ДВ2 исполнения -В устанавливаются в них непосредственно (крышка измерительной камеры сделана из титана, поэтому в резьбе их «закусывать» не будет). Для зондов с другими установочными размерами в комплект поставки входит набор переходных втулок, обеспечивающих необходимое уплотнение. Установка втулок и зондов производится с помощью входящего в комплект поставки рожкового ключа. Далее будет продемонстрирован пример одновременной поверки 7 шт. термогигрометров ИВА-6Н и одного ИВА-6Б2 с измерительным преобразователем ДВ2ТСМ-1Т-1П-В. На рисунке 8 показано как зонды семи ИВА-6Н установлены в порты измерительной камеры генератора через втулки, а в восьмой порт непосредственно установлен измерительный преобразователь ДВ2ТСМ-1Т-1П-В. Поверка запущена по программе «ИВА-6» (рис. 6 справа). Генератор производит проверку герметичности установки зондов, затем устанавливает точку 0 % в соответствии с методикой поверки на ИВА-6. После завершения установки генератором относительной влажности 0 % (т.е. выхода на режим подачи в измерительную камеру сухого газа от системы подготовки сжатого воздуха), генератор покажет статус «ГОТОВ» (рис. 9). Рисунок 9 – Воспроизведение точки 0 % относительной влажности. После фиксации показаний термогигрометров (для этого на блоках индикации ИВА-6Н следует нажать правую кнопку – они на время перейдут в режим «быстрых» измерений), следует нажать на экране генератора кнопку «Продолжить». После этого генератор начнет установку следующей точки по методике поверки и так далее (рис. 10). Рисунок 10 – Воспроизведение остальных значений относительной влажности в соответствии с методикой поверки. После фиксации показаний термогигрометров в последней точке и нажатия на кнопку «Продолжить», генератор задаст вопрос следует ли завершить работу (в этом случае он приступит к просушке насытителя), либо извлечь текущие зонды для установки следующей партии. Весь процесс выполнения поверки для этой демонстрации занял 2 часа 10 минут с момента включения генератора от установки зондов термогигрометров до момента их извлечения. Для средств измерения, произведенных ООО НПК «МИКРОФОР», имеется возможность автоматизации проведения поверки, о которой будет подробно рассказано в другой статье.
9 - Система подготовки сжатого воздуха ООО НПК «МИКРОФОР» специально для генераторов влажного газа эталонных Суховей разработало два вида автономных систем питания генераторов газом – Систему подготовки сжатого воздуха (для генераторов Суховей-1, Суховей-1П и Суховей-2) и Систему подготовки сжатого воздуха с глубокой осушкой (для генераторов Суховей-3, Суховей-3П и Суховей-4). В Систему подготовки сжатого воздуха входят:
10 - Техническое обслуживание и поверка Объем технического обслуживания генераторов Суховей-1 и Суховей-1П заключается в периодической (примерно раз в месяц при интенсивном использовании) заправке увлажнителя дистиллированной водой. Уровень воды в увлажнителе выводится на экран «Состояние». Поверка генераторов производится с использованием гигрометра-компаратора из состава Государственного первичного эталона единиц относительной влажности газов, молярной (объемной) доли влаги, температуры точки росы/инея, температуры конденсации углеводородов ГЭТ151-2020. Межповерочный интервал составляет 1 год. Генераторы имеют возможность ввода даты следующей поверки с настройкой оповещений о ее приближении.
Генераторы Суховей-1 и Суховей-1П обеспечивают возможность поверки широкой номенклатуры гигрометров с герметичным выносным зондом, обладают лучшими реальными метрологическими и техническими характеристиками среди всех аналогов, имеют адекватную стоимость и производятся Российской компанией с многолетней историей. ООО НПК «МИКРОФОР» всегда готово оказать оперативную поддержку и учесть пожелания потребителей.
[1] - https://microfor.ru/tools/standard/microfor1/ [2] - постановление Правительства №734 от 23.09.2010 «Об эталонах единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений» [3] - приказ Росстандарта № 2224 от 23.12.2020 «Об утверждении типов средств измерений» [4] - https://microfor.ru/microfor_price.php [5] - ГОСТ 8.547-2009 «Государственная поверочная схема для средств измерений влажности газов» [6] - https://fgis.gost.ru/fundmetrology/cm/results/ [7] - ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения» [8] - РМГ 75-2014 «Измерения влажности газов. Термины и определения» [9] - https://microfor.ru/soft/mcalc.zip [10] - https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/4/items/340725 [11] - http://www.hygrometer.ru/pc/calibration.html [12] - http://rotronic-rus.ru/catalog/calibration-hygrogen2 [13] - https://www.rotronic.com/en/productattachments/index/download?id=1221 |
24.09.2024
Приглашаем познакомиться и обсудить технические задачи и возможности для взаимовыгодного сотрудничества.
13.09.2024
12.09.2024 в Республике Беларусь был признан тип средств измерений генераторы влажного газа эталонные Суховей (регистрационный номер утвержденного типа средства измерений в ГРСИ и СО РБ 11158-24).
20.08.2024
04.06.2024
17.05.2024 в Республике Казахстан были признаны типы средств измерений:
28.03.2024 Приказом Росстандарта №825 от 27.03.2024 внесены изменения в описание типа и методику поверки генераторов влажного газа эталонных Суховей (номер в ФИФОЕИ 80277-20). Изменения устанавливают пределы допускаемой погрешности воспроизведения температуры точки росы (инея) ±0,5°С для модификации Суховей-4В. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Copyright ООО НПК "МИКРОФОР" © '2004-2022' |