УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СТЕПЕНИ УВЛАЖНЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для контроля степени увлажнения загрязнений поверхностей изоляторов в электротехнических установках, а также поверхностей трения различных машин и механизмов.

Известна конструкция детектора конденсата, основанная на оптическом методе обнаружения росы с помощью фотоэлементов, в котором используется эффект ослабления светового потока, отраженного и диффузионно рассеянного металлической зеркальной поверхностью вследствие образования на ней слоя конденсата [1] . Недостатком такого детектора является невозможность обнаружения росы на незеркальных, неметаллических и загрязненных поверхностях.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для определения росоопасной зоны [2] , содержащее блоки измерения температур воздуха и поверхности объекта, выходы которых соединены с входами сумматора, выход которого подключен на первый вход компаратора, второй вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, вход которого подключен к выходу блока измерения относительной влажности воздуха, причем на выходе компаратора установлен исполнительный орган.

Устройство производит сравнение сигнала, пропорционального разности температур воздуха и поверхности объекта, с сигналом, сформированным масштабным усилителем в соответствии с аналитическим выражением для минимальной разности температур между воздухом и поверхностью объекта, необходимой для выпадения росы при измеренной относительной влажности и температуре воздуха 0^оС. Компаратор срабатывает при условии, что первый сигнал по своей величине больше или равен второму. В этом случае исполнительный орган сигнализирует о наличии росоопасной зоны.

К недостаткам этого устройства относится возможность его надежной работы только при условии незначительного изменения во времени параметров температур и влажности, что существенно ограничивает использование устройства на открытом воздухе. Устройство не позволяет количественно оценивать переход от неросоопасной к росоопасной зоне. Кроме того, на поверхностях реальных объектов часто находятся коллоидные загрязнения, значительное насыщение которых влагой из воздуха может произойти и без выпадения росы на поверхности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет определения степени увлажнения поверхностных загрязнений водяными парами воздуха.

Указанная цель достигается тем, что устройство для регистрации степени увлажнения поверхностных загрязнений росой, содержащее блоки измерения температуры поверхности и параметров воздуха, выходы которых соединены с входами усилительно-преобразовательного блока, и компаратор, на выходе которого установлен исполнительный орган, согласно изобретению снабжено регистрирующим прибором, причем блок измерения параметров воздуха содержит датчик температуры точки росы, а усилительно-преобразовательный блок выполнен в виде двух блоков нелинейностей и блока деления. На первый вход компаратора подано единичное напряжение, а второй вход соединен с выходом регистрирующего прибора, вход которого подключен к выходу блока деления. Первый вход блока деления связан с выходом первого, а второй вход - с выходом второго блоков нелинейностей, входы которых совмещены с входами усилительно-преобразовательного блока. При этом вход первого блока нелинейностей связан с выходом блока измерения температуры поверхности.

Блок нелинейностей выполнен в виде интегросумматора, двух инверторов, сумматора и двух блоков деления. Вход блока нелинейностей совмещен с вторыми входами блоков деления, а выход - с выходом первого и первым входом второго блоков деления. Первый вход первого блока деления связан с выходом первого инвертора, вход которого соединен с выходом интегросумматора, один вход которого соединен с выходом второго блока деления, а второй вход - подключен к выходу второго инвертора. Вход второго инвертора также совмещен с выходом блока нелинейностей.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается дополнительным блоком - регистрирующим прибором. Кроме того, полностью изменены структура блока измерения параметров воздуха, а также структура и внутренние связи между элементами усилительно-преобразовательного блока. Изменены также связи усилительно-преобразовательного блока с компаратором. Структура и взаимное расположение элемента блоков нелинейностей тоже отличаются от известных в литературе аналогичных устройств.

На фиг. 1 представлена схема устройства для регистрации степени увлажнения поверхностных загрязнений, росой; на фиг. 2 приведена схема, отражающая конкретное исполнение блока нелинейностей. В схемах использованы стандартные блоки аналоговых вычислительных машин.

Известно, что степень увлажнения поверхностных загрязнений водяными парами воздуха может быть определена по относительной влажности ϕ_п слоев воздуха, непосредственно прилегающих к поверхности
ϕ_п= E_τ/E_п , (1) где E_τ , Е_п - упругости насыщенного пара при точке росы и температуре поверхности.

Из уравнения Клаузиуса-Клапейрона получим следующую зависимость:
lnE₁/E₂= B(1/T₂-1/T₁), , (2) где Е₁ - упругость насыщенного пара при температуре Т₁;
Е₂ - упругость насыщенного пара при температуре Т₂;
В - константа.

После подстановки соотношения (1) в зависимость (2) получим формулу для определения степени увлажнения поверхностных загрязнений парами воздуха
ϕ_п= (e^B/Tп)/(e^B/τ) , (3) где Т_п - температура поверхности. К;
τ - температура точки росы, К.

Выпадению росы на поверхности соответствует условие ϕ_п ≥ 1.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит блоки 1 и 2 измерения температур поверхности и точки росы соответственно, соединенные с входами 3 усилительно-преобразовательного блока 4, раздельно подключенными к входам первого 5 и второго 6 блоков нелинейностей. Выход первого блока нелинейностей подключен к первому входу блока 7 дeления, а выход второго блока нелинейностей - к второму входу блока деления. Выход блока деления совмещен с выходом 8 усилительно-преобразовательного блока и связан с входом регистрирующего прибора 9, выход которого подключен к второму входу компаратора 10, на первый вход которого подано единичное напряжение U_к. Выход компаратора соединен с входом исполнительного органа 11.

Устройство работает следующим образом. Сигналы с блоков 1 и 2 через входы 3 усилительно-преобразовательного блока раздельно поступают на блоки 5 и 6 нелинейностей 5 и 6. Первый блок 5 нелинейностей формирует сигнал, пропорциональный числителю формулы (3), а второй блок 6 - ее знаменателю. Вычисление текущего значения ϕ_п осуществляется блоком 7 деления, сигнал с которого через выход 8 усилительно-преобразовательного блока поступает на вход регистрирующего прибора 9, а затем - на второй вход компаратора 10. На первый вход компаратора подано единичное напряжение U_к, что вызывает срабатывание компаратора при условии, когда степень увлажнения загрязнений ϕ_пбольше или равна единице. В этом случае исполнительный орган 11 дает сигнал о начале активного процесса росообразования на поверхности.

Блоки нелинейностей формируют выходные функции косвенно как решения обыкновенных дифференциальных уравнений специального вида. В связи с тем, что при вычислении формулы (3) определяется экспонента от обратной величины аргумента, использование известных схем для моделирования экспоненциальной зависимости, основанных на решении уравнений с производными по времени t, будет приводить к росту расхождений заданной и генерируемой функций по мере увеличения интервала времени работы устройства. От этого недостатка свободна схема блока нелинейностей, позволяющая получить на выходе функцию, не зависящую от времени, как решение дифференциального уравнения
dy/dT= (1/T-B/T²)y, , (4) где Т - температура;
у = e - аналитическое решение уравнения (4).

Выход 12 блока нелинейностей (фиг. 2) совмещен с выходом первого 13 и первым входом второго 14 блоков деления, а вход 15 совпадает с вторыми входами этих блоков деления. Первый вход первого блока 13 деления связан с выходом первого инвертора 16, вход которого соединен с выходом интегросумматора 17, вход которого подключен к выходу сумматора 18. Один вход сумматора соединен с выходом второго блока 14 деления, а второй вход подключен к выходу второго инвертора 19. вход которого также совмещен с выходом 12 блока нелинейностей.

В качестве примера рассмотрим работу первого блока нелинейностей 5. В этом случае в уравнение (4) следует положить Т = Т_п.

Сумматор 19 формирует правую часть уравнения (4). Сигнал, пропорциональный этой величине, поступает на интегросумматор 17, после прохождения которого с последующим инвертированием на выходе первого инвертора 16 получаем сигнал, пропорциональный решению у. Разделив эту величину при помощи блока 13 на величину Т_п, поданную в виде сигнала на второй вход блока, получаем искомую выходную функцию блока нелинейностей. В данном случае - это числитель формулы (3). Выходная функция подается на выход 12 блока нелинейностей, а также на вход второго инвертора 19 и на первый вход второго блока 14 деления, на второй вход которого подан с входа 15 блока нелинейностей сигнал, пропорциональный величине Т_п. В результате на первый вход сумматора 18 поступает сигнал, пропорциональный величине (-у/Т_п), а на второй вход - величине Ву/Т_п², из которых сумматором и формируется правая часть дифференциального уравнения (4).

Предлагаемое устройство позволяет исключить возникновение аварийных режимов, проявляющихся в частности, в виде коротких замыканий между токоведущими частями различных электротехнических устройств в результате разряда в воздухе по загрязненной поверхности диэлектрика. На железнодорожном транспорте оно дает возможность прогнозировать состояние поверхности рельсов, что обеспечит рациональную нагруженность локомотивов в процессе трогания с места, а также повысит безопасность движения при торможении подвижного состава. (56) 1. Берлинер М. А. Измерения влажности. М. : Энергия, 1973, с. 18.

2. Авторское свидетельство СССР N 1409910, кл. G 01 N 24/66, 1988.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: устройство для регистрации степени увлажнения поверхностных загрязнений росой содержит блоки измерения температуры поверхности и параметров воздуха, выходы которых соединены с входами усилительно-преобразовательного блока, и компаратор, на выходе которого установлен исполнительный орган. Устройство снабжено регистрирующим прибором, причем блок измерения параметров воздуха содержит датчик температуры точки росы, а усилительно-преобразовательный блок выполнен в виде двух блоков нелинейностей и блока деления, причем на первый вход компаратора подано единичное напряжение, а второй вход соединен с выходом регистрирующего прибора, вход которого подключен к выходу блока деления, первый вход которого связан с выходом первого, а второй - с выходом второго блока нелинейностей, входы которых совмещены с входами усилительно-преобразовательного блока, причем вход первого блока нелинейностей связан с выходом блока измерения температуры поверхности. Блок нелинейностей выполнен в виде интегросумматора, двух инверторов, сумматора и двух блоков деления. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СТЕПЕНИ УВЛАЖНЕНИЯ поверхностных загрязнений росой, содержащее блоки измерения температуры поверхности и параметров воздуха, выходы которых соединены с входами усилительно-преобразовательного блока, и компаратор, на выходе которого установлен исполнительный орган, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно снабжено регистрирующим прибором, причем блок измерения параметров воздуха содержит датчик температуры точки росы, а усилительно-преобразовательный блок выполнен в виде двух блоков нелинейностей и блока деления, причем первый вход является входом единичного напряжения, а второй вход соединен с выходом регистрирующего прибора, вход которого подключен к выходу блока деления, первый вход которого связан с выходом первого, а второй - с выходом второго блоков нелинейностей, входы которых совмещены с входами усилительно-преобразовательного блока, причем вход первого блока нелинейностей связан с выходом блока измерения температуры поверхности. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок нелинейностей выполнен в виде интегросумматора, двух инверторов, сумматора и двух блоков деления, вторые входы которых совмещены с входом блока нелинейностей, а выход блока нелинейностей совмещен с выходом первого и первым входом второго блоков делений, причем первый вход первого блока деления связан с выходом первого инвертора, вход которого соединен с выходом интегросумматора, вход которого подключен к выходу сумматора, один вход которого соединен с выходом второго блока деления, а второй вход - подключен к выходу второго инвертора, вход которого также совмещен с выходом блока нелинейностей.