СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N25/56 

Изобретение относится к анализу состава газовых сред с помощью тепловых средств и может быть использовано для контроля влагосодержания воздуха и других газовых сред с помощью подогревных термодатчиков.

Известен способ контроля влажности воздуха, заключающийся в том, что предварительно нагретый до температуры, превышающей температуру воздуха, чувствительный элемент - термозонд, покрывают нетеплопроводящим гигроскопическим материалом и дополнительно нагревают его после достижения максимальной температуры предварительного разогрева, а влажность определяют по градуировочной кривой.

Однако дополнительный нагрев термодатчика до постоянной температуры не полностью исключает влияние колебаний температуры исследуемой среды на ее влажность.

Известен также способ контроля влажности газовых сред, заключающийся в том, что рабочие спаи двух термоэлектрических преобразователей приводят в тепловой контакт с исследуемой средой, пропускают через один из спаев постоянный ток, нагревают его за счет теплоты Пельтье до значения температуры выше температуры исследуемой среды, измеряют разность термоЭДС двух спаев, по значению которой и градуированной кривой определяют влажность, а по результатам судят об отклонении влажности от нормы.

Известное устройство для контроля влажности газовых сред включает источник стабилизированного постоянного напряжения, два термоэлектрических преобразователя, включенных встречно, при этом источник постоянного напряжения подключен к термоэлектродам только одного из термоэлектрических преобразователей, а свободные концы термоэлектрических преобразователей соединены с входами дифференциального усилителя, к выходу которого подключен вольтметр.

Изменение разности термоЭДС нагретого и ненагретого термоэлектрических спаев уменьшает влияние колебаний температуры исследуемой среды на ее влажность. Однако полностью исключить погрешность от изменения температуры не удается. Это объясняется тем, что теплопроводность воздуха и различных газов зависит от абсолютной температуры. Так, теплопроводность при 0^оС λ_в= 2.38·10^-2 , а ее температурный коэффициент в диапазоне температур от 0^о до 100^оС равен А_в=0,00253. Для водяного пара при 100^оС относительная теплопроводность (по отношению к воздуху) составляет λ/λ_в =0,973, температурный коэффициент А=0,00455.

Имеющиеся данные для других распространенных газов показывают, что их относительная теплопроводность изменяется в широких пределах от 0,285 для сернистого углерода до 7,13 для водорода (значения λ/λ_в указаны при 0^оС).

Несмотря на большой разброс по относительной теплопроводности, зависимость теплопроводности от температуры в большинстве случаев является линейной
λ = λ₀[1+A(T-T_o)],
где λ и λ_o - теплопроводность сухого газа при температуре Т и Т_о;
Т=Т-Т_о - изменение температуры.

Температурный коэффициент А распространенных газов изменяется в пределах от 260 ˙10^-5 (азот, водород, окись углерода) до 980˙ 10^-5 (пары бензина). Таким образом, подогрев датчика во влажной среде при разных значениях температуры этой среды при вычитании температуры этой среды из температуры нагрева датчика дает различную информацию из-за зависимости теплопроводности среды от ее температуры.

Таким образом, недостатком известного способа и устройства является невысокая точность контроля влажности исследуемой среды при изменениях ее температуры в широких пределах. Кроме того, значительную погрешность в измерение влажности вносит непостоянство мощности, расходуемой на дополнительный нагрев термодатчика относительно исследуемой среды, в частности, трудно стабилизировать мощность нагрева чувствительного элемента датчика из-за нестабильности его электрического сопротивления в зависимости от его температуры.

Целью изобретения является повышение точности контроля влажности газовых сред путем автоматического исключения влияния температуры на теплопроводность исследуемой среды и снижение влияния непостоянства мощности нагрева термодатчика на результат контроля.

Эта цель достигается тем, что в известный способ контроля влажности газовых сред, заключающийся в том, что рабочие спаи двух термоэлектрических преобразователей приводят в тепловой контакт с исследуемой средой, пропускают через один из спаев постоянный ток, нагревают его до значения температуры, выше температуры исследуемой среды, измеряют разность термоЭДС двух спаев и судят о влажности исследуемой среды. При этом дополнительно предусмотрено, что рабочие спаи термоэлектрических преобразователей (ТЭП) приводят в тепловой контакт с другом, после нагревания спая одного из ТЭП измеряют термоЭДС другого преобразователя, изменяют направление тока, охлаждают спаи ТЭП, измеряют второе значение термоЭДС, после определения их разности изменяют значение термоЭДС в количество раз, пропорциональное разности температуры исследуемой среды и температуры, при которой проводилась градуировка, сравнивают полученное напряжение с частью падения напряжения от тока, протекающего через спай одного из ТЭП, на калиброванном резисторе и по разностному значению сравниваемых напряжений судят об отклонениях влажности от нормы.

Поставленная цель достигается также тем, что известное устройство для контроля влажности газовых сред, содержащее источник постоянного напряжения, подключенный к нему первый термоэлектрический преобразователь, второй термоэлектрический преобразователь, дифференциальный усилитель и цифровой вольтметр, дополнительно содержит калиброванный резистор, два автоматических переключателя, широкополосный усилитель, последовательно соединенные второй дифференциальный усилитель фазочувствительный выпрямитель и первый фильтр нижних частот, два делителя напряжения, второй фильтр нижних частот, третий дифференциальный усилитель и мультивибратор, при этом термоэлектрические преобразователи жестко соединены между собой и первый термоэлектрический преобразователь подключен к источнику постоянного напряжения посредством автоматических переключателей, разноименные выходы которых соединены между собой и подключены к свободным концам первого термоэлектрического преобразователя, причем один свободный конец последнего соединен с переключателями посредством калиброванного резистора, а второй термоэлектрический преобразователь последовательно соединен с первым дифференциальным усилителем и широкополосным усилителем, подсоединенным к входам второго и третьего дифференциального усилителей, вторые входы которых соответственно соединены через делители напряжения с потенциальным зажимом калиброванного резистора и с источником постоянного напряжения, выход третьего дифференциального усилителя через второй фильтр нижних частот подключен к управляющему входу широкополосного усилителя, выход первого фильтра нижних частот соединен с входом цифрового вольтметра, а управляющие входы автоматических переключателей соединены с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя и выходом мультивибратора.

Сущность предлагаемого способа контроля влажности газовых сред заключается в следующем. Рабочие спаи двух термоэлектрических преобразователей, жестко соединенные между собой, например сваркой, приводят в тепловой контакт с исследуемой средой. Через спай одного из ТЭП от источника с напряжением U_o пропускают постоянный ток J₁=U_o/R, который вызывает дополнительный нагрев спая за счет выделения теплоты Пельтье Q= J, где - коэффициент Пельтье. Температура перегрева спаев обоих ТЭП определяется количество теплоты Пельтье и теплофизическими параметрами исследуемой среды
ΔT = (1),
где δ - толщина спая среды, через которую проходит теплопередача, м;
F - поверхность спаев ТЭП, м²;
λ - теплопроводность влажной среды при температуре градуировки Тr, Вт/м град;
Т - текущее значение температуры исследуемой среды, град;
А - температурный коэффициент теплопроводности.

Зависимость теплопроводности воздуха и других газовых смесей от их влагосодержания не подчиняется простому аддитивному закону и ее трудно вычислить по значениям теплопроводности водяного пара и других компонентов смеси. Поэтому зависимость теплопроводности λ от влажности W при заданной температуре исследуемой среды Тr определяется экспериментально в процессе градуировки ( λ=f(W)).

С учетом температуры исследуемой среды Т и дополнительного нагрева спаев термоЭДС второго ТЭП будет иметь значение
Ε₁=S(T+ΔT₁-T₀)=ST + (2),
где Т_о - температура свободных концов второго ТЭП;
S - чувствительность ТЭП.

Изменяют направление тока через спай первого ТЭП. В результате поглощения теплоты Пельтье температура спаев понизится на величину
ΔT₂ = - (3),
В результате охлаждения спаев термоЭДС второго ТЭП достигнет значения
E₂=S(T-ΔT₁-T₀)=ST- - T (4).

Сравнивают полученные значения термоЭДС Е₁ и Е₂ и определяют их разность
ΔU₁=E₁-E₂=2S (5).

Изменяют разностное напряжение Δ U₁ в число раз, пропорциональное разности температуры Т исследуемой среды и температуры Тr, при которой проводилась градуировка
ΔU₂=[1+B(T-T_г)ΔU₁ (6),
где В - коэффициент пропорциональности.

Если выбрать коэффициент пропорциональности В равным численно температурному коэффициенту теплопроводности А В=А , то преобразованное разностное напряжение станет равным
ΔU₂=2S (7).

Сравнивают полученное напряжение U₂ с частью падения напряжения на калиброванном резисторе R, включенном в цепь первого ТЭП
ΔU₃= KRI - ΔU₂ (8),
где К - коэффициент пропорциональности.

Коэффициент пропорциональности К выбирают таким, чтобы при номинальном (заданном) значении влажности W=W_н разностное напряжение ΔU₃ принимало нужное значение ( W₃=0). Тогда при изменяющейся влажности исследуемой среды получают разностное напряжение
ΔU₄=KR-2S J (9),
где λ_н - теплопроводность исследуемой среды с номинальной влажностью (нормой);
Δλ - изменения теплопроводности среды при отклонении от нормы Δλ=fw-W_н/U.

Учитывая, что информационные отклонения теплопроводности (W-W_н) малы по сравнению с теплопроводностью λ (W_н) при заданной влажности W_н, а разность
KR - = 0 (10),
можно считать, что разностное напряжение Δ U₄ при отклонении влажности от нормы будет иметь вид
ΔU₄= ± KRJ (11),
Подставив значение тока J=U_o/R, окончательно получают
ΔU₄= ± U_o (12).

Поскольку отношение Δλ/λ пропорционально отклонению влажности от заданного значения, то по разностному напряжению Δ U₄ и значению коэффициента пропорциональности К можно судить о влажности исследуемой среды при изменениях температуры ее в широких пределах или отклонениях ее от нормы.

Повышение точности достигнуто за счет исключения влияния изменения температуры исследуемой среды на ее теплопроводность, а также исключения влияния непостоянства мощности дополнительного разогрева термодатчика (U_o= const).

На чертеже представлена структурная схема устройства для контроля влажности газовых сред.

Устройство содержит источник 1 стабилизированного постоянного напряжения, к симметричным выходам которого подключены входы автоматических переключателей 2 и 3, разноименные выходы которых соединены между собой и подключены через калиброванный резистор 4 к свободным концам термоэлектрического преобразователя 5, жестко соединенного рабочим спаем с термоэлектрическим преобразователем 6. Свободные концы термоэлектрического преобразователя 6 соединены с входами дифференциального усилителя 7, к выходу которого подключены последовательно широкополосный усилитель 8 с регулируемым усилением, дифференциальный усилитель 9, фазочувствительный выпрямитель 10, фильтр 11 нижних частот, цифровой вольтметр 12. К выходу усилителя 8 одним входом подключен дифференциальный усилитель 13, другой вход которого через делитель напряжения 14 соединен с выходом источника 1 напряжения. Выход дифференциального усилителя 13 через фильтр 15 нижних частот соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 8. Другой вход дифференциального усилителя 9 соединен через делитель 16 напряжения с потенциальным зажимом калиброванного резистора 4. Управляющие входы автоматических переключателей 2 и 3 соединены с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя 10 и подключены к выходу мультивибратора 17. Исследуемая среда обозначена позицией 18.

Устройство работает следующим образом.

Рабочие спаи термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 5 и 6 жестко соединены между собой, например сваркой, и помещены в исследуемую среду 18. При одном положении переключателей 2 и 3 через рабочий спай ТЭП 5 и резистор 4 протекает постоянный ток одного направления, а при другом положении переключателей - противоположного направления. При непрерывной работе автоматических переключателей 2 и3 , управляемых прямоугольными импульсами мультивибратора 17 с периодом, большим тепловой постоянной ТЭП 5 и 6, общий рабочий спай циклически то перегревается относительно исследуемой среды, то охлаждается. В результате этого термоЭДС ТЭП 6 наряду с постоянной составляющей, пропорциональной температуре исследуемой среды 18, содержит и переменную составляющую, зависящую от теплопроводности, а следовательно и влажности исследуемой среды. Постоянная и переменная составляющие термоЭДС усиливаются широкополосным усилителем 8. Постоянная составляющая усиленного напряжения, пропорциональная температуре исследуемой среды 18, сравнивается в дифференциальном усилителе 13 с частью постоянного напряжения источника 1, которое регулируется делителем напряжения 14.

При температуре исследуемой среды, на которой проводится градуировка устройства по влажности, входные напряжения дифференциального усилителя 13 уравниваются и управляющий сигнал на усилитель 8 принимает нулевое значение. Переменная составляющая сигнала при начальном значении коэффициента усиления широкополосного усилителя 8, когда управляющий сигнал на этот усилитель отсутствует, сравнивается в дифференциальном усилителе 9 с частью падения напряжения на резисторе 4, которое регулируется делителем 16 напряжения.

При номинальном значении влажности (норме) делителем 16 напряжения устанавливается нулевое напряжение на выходе дифференциального усилителя 9. Когда влажность отклоняется от нормы, переменная составляющая напряжения изменяется, возникает соответствующее разностное напряжение, которое выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 10, сглаживается фильтром 11 и изменяется цифровым вольтметром 12.

Если изменяется температура исследуемой среды 18, то изменяется постоянная составляющая напряжения на выходе регулируемого усилителя 8. На выходе дифференциального усилителя 13 появляется разностное напряжение, которое воздействует на усилитель 8, изменяя его коэффициент усиления. В результате этого изменяется усиление и для переменной составляющей напряжения, которое воздействует на один из входов дифференциального усилителя 9. Изменение коэффициента усиления усилителя 8 направлено на исключение влияния температурного коэффициента теплопроводности на результат контроля влажности. Фильтр 15 нижних частот в цепи управления широкополосным усилителем 8 препятствует попаданию переменной составляющей выходного напряжения на его управляющий вход.

Таким образом, рассмотренное устройство обеспечивает повышение точности контроля влажности за счет автоматической компенсации температурных изменений теплопроводности исследуемой среды, а также изменений мощности дополнительного нагрева (охлаждения) рабочих спаев термоэлектрических преобразователей. При неконтролируемых изменениях постоянного тока, вызывающего дополнительный нагрев или охлаждение рабочих спаев ТЭП 5 и 6, одновременно изменяется и компенсирующее напряжение, поступающее на второй вход дифференциального усилителя 9. В результате этого при влажности исследуемой среды, которая соответствует норме, предложенное устройство имеет высокостабильный "нуль", что и обеспечивает точный контроль отклонений влажности от нормы.

Наличие фазочувствительного выпрямителя 10 в схеме устройства обеспечивает изменение полярности выходного напряжения, измеряемое цифровым вольтметром 12. Благодаря этому обеспечивается допусковый контроль влажности и сигнализации "больше" или "меньше" при превышении нормы влажности в заданное число раз.

Экспериментальные исследования предложенного способа и устройства показали возможность контроля влажности воздуха в процессе сушки сыпучих материалов (песок, железная руда и т.п.) в диапазоне 48-95% при температуре 40-120^оС с погрешностью не более 0,5%.

Использование предлагаемого способа и устройства обеспечивает уменьшение расхода электроэнергии и пара в процессе сушки за счет оптимального поддерживания влажности воздушной среды, в которой высушиваются материалы, при изменении температуры среды в широких пределах, включая программное регулирование температуры воздуха.

Использование: для контроля влагодержания воздуха и других газовых сред с помощью подогревных термодатчиков. Сущность изобретения: устройство содержит источник стабилизированного постоянного напряжения, автоматические переключатели, калиброванный резистор, термоэлектрические преобразователи (ТЭП), первый дифференциальный усилитель, широкополосный усилитель, второй дифференциальный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, фильтр нижних частот, цифровой вольтметр, третий дифференциальный усилитель, делитель напряжения, фильтр нижних частот, второй делитель напряжения, мультивибратор. Рабочие спаи ТЭП приводят в тепловой контакт друг с другом, после нагревания спая одного из ТЭП измеряют термоЭДС другого преобразователя, изменяют направление тока, охлаждают спаи ТЭП, измеряют второе значение термоЭДС, а после определения из разности изменяют ее значение в число раз, пропорциональное разности температуры исследуемой среды и температуры, при которой проводилась градуировка, сравнивают полученное напряжение с частью падения напряжения от тока, протекающего через спай одного ТЭП на калиброванный резистор, а по разностному значению сравниваемых напряжений судят об отклонении влажности от нормы. 1 ил.

1. Способ контроля влажности газовых сред, заключающийся в том, что рабочие спаи двух термоэлектрических преобразователей приводят в тепловой контакт с исследуемой средой, пропускают через один из спаев термоэлектрических преобразователей постоянный ток, нагревают его до значения температуры, выше температуры исследуемой среды, определяют разность термоЭДС и судят о влажности среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля влажности, дополнительно рабочие спаи термоэлектрических преобразователей приводят в тепловой контакт друг с другом, после нагревания спая одного из термоэлектрических преобразователей измеряют термоЭДС другого преобразователя, затем изменяют направление тока, охлаждают спаи термоэлектрических преобразователей, измеряют второе значение термоЭДС, а после определения их разности изменяют ее значение в число раз, пропорциональное разности температуры исследуемой среды и температуры, при которой проводилась градуировка, сравнивают полученное напряжение с частью падения напряжения от тока, протекающего через спай одного из термопреобразователей, на калиброванном резисторе, а по разностному значению сравниваемых напряжений судят об отклонениях влажности от нормы. 2. Устройство для контроля влажности газовых сред, содержащее источник постоянного напряжения, подключенный к нему первый термоэлектрический преобразователь, второй термоэлектрический преобразователь, первый дифференциальный усилитель и цифровой вольтметр, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит калиброванный резистор, два автоматических переключателя, широкополосный усилитель, последовательно соединенные второй дифференциальный усилитель, фазочувствительный выпрямитель и первый фильтр нижних частот, два делителя напряжения, второй фильтр нижних частот, третий дифференциальный усилитель и мультивибратор, при этом термоэлектрические преобразователи жестко соединены между собой и первый термоэлектрический преобразователь подключен к источнику постоянного напряжения посредством автоматических переключателей, разноименные выходы которых соединены между собой и подключены к свободным концам первого термоэлектрического преобразователя, причем один свободный конец последнего соединен с переключателями посредством калиброванного резистора, а второй термоэлектрический преобразователь последовательно соединен с первым дифференциальным усилителем и широкополосным усилителем, подсоединенным к входам второго и третьего дифференциальных усилителей, вторые входы которых соответственно соединены через делители напряжения с потенциальным зажимом калиброванного резистора и с источником постоянного напряжения, выход третьего дифференциального усилителя через второй фильтр низких частот подключен к управляющему входу широкополосного усилителя, выход первого фильтра низких частот соединен с входом цифрового вольтметра, а управляющие входы автоматических переключателей соединены с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя и выходом мультивибратора.