ГИГРОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01N19/10 

Изобретение относится к технической физике, занимающейся вопросами измерения влажности газов, и может быть использовано в метеорологических измерениях влажности воздуха.

Известны устройства измерения влажности газов, основанные на использовании гигроскопических солей [1] При измерении влажности воздуха меняются физические характеристики влагочувствительного элемента, пропитанного раствором гигроскопической соли, а изменение этих характеристик служит мерой влажности воздуха.

Однако эти устройства не обладают стабильной тарировочной характеристикой. Это происходит вследствие нестабильности влагочувствительного вещества, которое меняет со временем свою структуру под действием влаги, тепла, света и других факторов, а изменение структуры меняет сорбционные свойства влагочувствительного вещества. Кроме того, этим влагочувствительным элементам, работающим на принципе обратимой массопередачи, присущи гистерезис, увеличивающий инерционность влагочувствительного элемента.

Эти недостатки исключены в гигрометрах, основанных на способе измерения влажности газов по скорости приращения количества насыщенного раствора влагочувствительного вещества.

Наиболее близким к изобретению является гигрометр, содержащий гигроскопическую соль и ее насыщенный раствор, помещенные в сосуд с каналом для стока раствора, измерительное устройство и расположенный между ними сорбционный коллектор, выполненный в виде цилиндрической спирали из коррозионно-стойкого материала с гигроскопической оболочкой [2]
Процесс поглощения влаги гигроскопической солью носит диффузионный характер и подчиняется закону Фика:
Q _DSt где Q количество поглощенной влаги;
D коэффициент диффузии для водяного пара;
S поверхность, через которую осуществляется перенос;
t время переноса;
ΔС разность концентраций по обе стороны диффузионного слоя;
δ- толщина диффузионного слоя.

Погрешность измерения влажности в значительной степени зависит от количества измеряемого раствора (величины приращения массы), что в соответствии с законом Фика определяется концентрацией раствора гигроскопической соли. Таким образом, количество насыщенного раствора, поступающего из влагочувствительного элемента, должно быть такое, чтобы постоянно поддерживать концентрацию раствора на рабочей поверхности сорбционного коллектора, близкой к концентрации насыщенного раствора. При снижении концентрации раствора снижается эффективность использования сорбционного коллектора.

Недостатком этого гигрометра является неравномерность относительной погрешности измерения в рабочем диапазоне гигрометра. Так, например, при влажности воздуха 36% и 91% относительная погрешность измерения составляет соответственно ±6% и ±2% Кроме того, у такого гигрометра велико время выхода на рабочий режим при низкой влажности около 80 мин при влажности 36%
Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Это достигается тем, что сосуд с гигроскопической солью в ее водном растворе снабжен регулятором подачи насыщенного раствора соли, который расположен на канале для стока раствора, и входное отверстие канала для стока раствора расположено выше отметки уровня соли в сосуде. Регулятор подачи раствора обеспечивает регулирование расхода от 0 до величины, определенной из условия
Q где Q расход раствора гигроскопической соли;
ΔQ абсолютная погрешность измерения количества раствора гигроскопической соли, поступающего в измерительное устройство;
δ- заданная относительная погрешность измерения влажности;
К коэффициент эффективности работы сорбционного коллектора, определяемый как отношение количества влаги, поглощенной раствором гигроскопической соли на сорбционном коллекторе Qк, к расходу это-
го раствора, т.е. K .

Относительная погрешность измерения гигрометром определяется из выражения
δ
При этом количество раствора, поступающего в измерительное устройство Qи складывается из расхода раствора из сосуда Q и количества влаги, поглощенной на сорбционном коллекторе, Q_к, т.к. Q_и Q + Q_к.

Данное техническое решение позволяет обеспечить постоянную подачу насыщенного раствора (с заданной периодичностью), чаще обновлять рабочую поверхность сорбционного коллектора, что приводит к снижению относительной погрешности измерения и сокращению времени подготовки гигрометра к работе.

Так, например, при работе известного гигрометра при влажности 36% за 10 мин приращение массы раствора составило m 94˙10^-3 г, при этом разброс полученных значений был Δm 6˙ 10^-3 г. При работе гигрометра с регулируемой подачей были получены следующие результаты: m240˙ 10^-3 г, Δm 5˙ 10^-3 г.

При работе известного гигрометра относительная погрешность:
δ 100=6,38% а при работе гигрометра с регулируемой подачей раствора соли
δ 100=2,08%
Конструкция, реализованная в лабораторном приборе, показана на чертеже.

Гигрометр представляет собой сосуд 1 с каналом 2 для стока насыщенного раствора, который снабжен регулятором 3 подачи насыщенного раствора. В сосуд помещена гигроскопическая соль 4 (например, хлористый цинк) в ее водном растворе. Раствор в сосуде постоянно остается насыщенным, т.е. может неопределенно долго оставаться в равновесии с избытком растворяемого вещества, что обеспечивается наличием твердой фазы гигроскопической соли в растворе. Для исключения попадания гигроскопической соли в канал для стока верхний уровень 5 соли расположен ниже входного отверстия 6 в канал 2. Под каналом для стока над измерителем 7 приращения раствора соли установлен сорбционный коллектор 8, выполненный в виде цилиндрической спирали из титановой проволоки диаметром 0,2 см, покрытой оболочкой из батиста толщиной 0,05 см. Длина проволоки 40 см, площадь рабочей поверхности при этом 37,7 см².

Гигрометр работает следующим образом.

Регулятор подачи настраивается на определенную величину подачи насыщенного раствора гигроскопической соли в соответствии с заданной относительной погрешностью измерения влажности. Насыщенный раствор из сосуда 1 стекает на сорбционный коллектор 8, на котором идет процесс поглощения влаги насыщенным раствором. С коллектора раствора стекает в измерительное устройство. По окончании измерения регулятор расхода перекрывается, расход раствора прекращается.

При испытании гигрометров с регулируемой подачей раствора соли и известного были получены результаты, приведенные в таблице. При этом регулятор подачи раствора был настроен на частоту капания 0,5 кап/мин.

Таким образом, предлагаемый гигрометр позволяет проводить измерения влажности с одной погрешностью измерения во всем диапазоне работы гигрометра, при этом повышается точность измерения и сокращается время подготовки гигрометра к измерению, а также уменьшается расход гигроскопической соли.

Использование: аналитическое приборостроение, метеорологические измерения влажности воздуха. Сущность изобретения: гигрометр представляет собой гигроскопическую соль и ее насыщенный раствор, помещенные в сосуд с каналом для стока раствора, измерительное устройство и расположенный между ними сорбционный коллектор. При этом входное отверстие канала для стока раствора расположено выше отметки уровня соли в сосуде, а на канале стока раствора установлен регулятор подачи насыщенного раствора соли. Данный гигрометр позволяет проводить измерения влажности с одной погрешностью во всем диапазоне работы гигрометра, при этом повышается точность измерения и сокращается время подготовки гигрометра к измерению, а также уменьшается расход гигроскопической соли. 1 ил. 1 табл.

ГИГРОМЕТР, содержащий гигроскопическую соль и ее насыщенный раствор, помещенные в сосуд с каналом для стока раствора, измерительное устройство и расположенный между ними сорбционный коллектор, отличающийся тем, что входное отверстие канала для стока раствора расположено выше отметки уровня соли в сосуде и на канале для стока раствора установлен регулятор подачи насыщенного раствора соли.