КАПИЛЛЯРНЫЙ ГИГРОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01W1/11 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано преимущественно для измерения влажности воздуха, а также для контроля влажности в гигростатах и промышленных установках.

Известны устройства для измерения влажности на основе природных пористых материалов, содержащие, например, специально обработанную органическую пленку или человеческий волос, применяемые в качестве влагочувствительных элементов в деформационных гигрометрах [1]
Деформационные гигрометры служат для определения относительной влажности воздуха, от величины которой зависит заполняемость пор влагочувствительного элемента атмосферной влагой, приводящей к его деформации. При помощи пространственных измерительных преобразователей эта деформация преобразуется в электрический сигнал.

Однако этим гигрометрам свойственны большая погрешность измерения (более 7%), гистерезис, большая инерционность, малая механическая прочность, приводящая при механических перегрузках к необратимым последствиям.

Из известных измерителей влажности воздуха наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является капиллярный гигрометр, содержащий два генератора с опорным кварцевым резонатором и измерительным кварцевым резонатором с влагочувствительным элементом из пьезоматериала с набором капилляров, смеситель и измеритель частоты [2]
Однако эти гигрометры имеют ступенчатую градуировочную характеристику, причем зоны нечувствительности зависят от шага дискретности диаметров пор капиллярной матрицы. Для уменьшения зон нечувствительности и получения более гладкой градуировочной характеристики необходимо увеличивать число градаций диаметров капиллярных пор, что при практической реализации влагочувствительного элемента вызывает определенные трудности.

Сущность изобретения состоит в том, что в капиллярном гигрометре, содержащем опорный кварцевый резонатор, подсоединенный к опорному генератору частоты, измерительный кварцевый резонатор, подсоединенный к измерительному генератору частоты и содержащий влагочувствительный элемент из пьезоматериала с набором капилляров, генераторы подсоединены к смесителю, на выходе которого установлен измеритель частоты, влагочувствительный элемент выполнен в виде ячеистой структуры с конусообразными капиллярами, диаметр основания которых выбран в диапазоне от 2 до 5 мкм, а глубина не менее половины диаметра основания капилляра.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении разрешающей способности капиллярного гигрометра за счет использования капиллярных явлений, свойственных капиллярам конусообразной формы.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого капиллярного гигрометра, на которой изображено: 1- опорный пьезокварцевый резонатор; 2 - измерительный пьезокварцевый резонатор; 3 опорный генератор частоты; 4 - измерительный генератор частоты; 5 смеситель частоты; 6 измеритель частоты.

На фиг. 2 изображена конструкция влагочувствительного элемента: а) вид сверху; б) разрез; в) капилляр конусообразной формы.

На фиг. 3 приведены графики зависимости массы сконденсированной в капиллярах влаги от относительной влажности воздуха при температурах -40, 0 и +40^oC.

Капиллярный гигрометр (фиг.1) содержит два пьезокварцевых резонатора 1, 2, включенных соответственно в цепь опорного и измерительного генераторов 3, 4, выходы которых подключены к входам смесителя частоты 5, соединенного с измерителем частоты 6. Кварцевый резонатор 1 герметизирован, кварцевый резонатор 2 открыт.

Поверхность измерительного пьезокварцевого резонатора 2, представляющего собственно влагочувствительный элемент капиллярного гигрометра (фиг.2), выполнена в виде ячеистой структуры с набором капилляров конусообразной формы, диаметр основания которых выбран в диапазоне 2-5 мкм, а глубина H выбрана на менее половины диаметра основания капилляра. Число и глубина капилляров выбираются исходя из условий обеспечения необходимой чувствительности гигрометра, а их размещение исходя из технологичности изготовления влагочувствительного элемента, конструктивных особенностей пьезокварцевого резонатора и обеспечения наилучших условий резонанса. Кроме того материал, из которого изготовлен влагочувствительный элемент, должен обладать гидрофильными свойствами, т.е. иметь смачиваемую поверхность капилляров, необходимую для того, чтобы конденсирующаяся в капиллярах влага имела вогнутый мениск.

Таким образом, влагочувствительный элемент в капиллярном гигрометре заменяет влагочувствительный элемент в виде капиллярной матрицы прототипа.

Капиллярный гигрометр работает следующим образом.

При включении гигрометра в генераторах 3, 4 будут происходить колебательные процессы с частотами, определяемыми собственными частотами пьезокварцевых резонаторов 1, 2. Поскольку кварцевый резонатор 1 герметизирован, то частота f₀ генератора 3 будет стабильной. Эта частота f₀ выбирается в качестве опорной.

Частота колебаний f другого идентичного измерительного генератора 4 будет отличаться от опорной f₀, поскольку она зависит от сорбируемой влагочувствительным элементом массы влаги. Частоты обоих генераторов сравниваются в смесителе 5. Возникающая на выходе смесителя разностная частота Δf f₀ f, зависящая от влажности воздуха, измеряется частотомером 6.

В основу работы влагочувствительного элемента капиллярного гигрометра положена зависимость упругости водяного пара e в воздухе, равная упругости насыщения E_r над криволинейной вогнутой поверхностью раздела фаз сконденсированной в капилляре влаги, от радиуса r ее кривизны. Эта зависимость описывается известной формулой Томсона (Трофимова Т.И. Курс физики: Учебник для студ. вузов. М. Высшая школа, 1985, с. 104).

Согласно этой формуле, упругость насыщения водяного пара над вогнутой поверхностью E_r, сконденсированной в капилляре конусообразной формы влаги, связана с упругостью насыщения над плоской поверхностью E_∞ соотношением
,
где σ коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела фаз водяной пар вода (лед);
r плотность конденсата;
R_п удельная газовая постоянная водяного пара;
T температура конденсата, K.

Если принять во внимание, что относительная влажность воздуха v = e/E_∞ и в то же время e E_r, то формулу (1) можно переписать в другом, более удобном для практического использования виде,

Из формулы (2) следует, что при динамическом равновесии водяного пара над конденсатом устанавливается такая кривизна его мениска, которая обратно пропорциональна натуральному логарифму относительной влажности воздуха
r = 2σ/ρR_пTlnΦ (3)
Изменение радиуса кривизны конденсата может происходить только лишь за счет изменения заполняемости им капилляра конусообразной формы, т.е. его высоты h. Очевидно, что при Φ 0% конденсат полностью испарится (r 0, h 0); при v 100% капилляр конусообразной формы с диаметром основания 2 5 мкм полностью заполнится конденсатом (r ∞, h H). Здесь H глубина (высота) конуса, а h высота слоя конденсата. При промежуточных значениях относительной влажности воздуха конусообразный капилляр лишь частично заполняется конденсатом.

Если предположить, что радиус кривизны мениска конденсата равен радиусу, определяемому периметром смачивания конусообразного капилляра ввиду их малости, то соответствующий данному радиусу мениска объем конденсата

Формулу (4) можно переписать в виде
,
где α угол между высотой и образующей конуса (фиг. 2в).

Чувствительность капиллярного гигрометра определяется изменением массы, сконденсированной в капиллярных порах влаги, вызванной изменением относительной влажности воздуха на единицу времени.

Масса сконденсированного водяного пара во влагочувствительном элементе, состоящем из n однородных капиллярных пор конусообразной формы, согласно (1)
(5), равна
,
где n число капиллярных пор на единицу длины влагочувствительного элемента.

Наконец, дифференцируя (6) по Φ, получим формулу для определения чувствительности капиллярного гигрометра

Как и следовало ожидать, чувствительность капиллярного гигрометра с влагочувствительным элементом, состоящим из однородных капилляров конусообразной формы, зависит от их числа, геометрических размеров, а также от температуры и влажности воздуха. Чем больше число и глубина капиллярных пор, тем выше чувствительность. Что касается влияния температуры и влажности воздуха на показания гигрометра, то из формулы (7) следует, что чувствительность гигрометра сложным образом зависит от этих величин.

На фиг. 3 приведены результаты расчетов, выполненных по формуле (6). Из графика видно, что масса сконденсированной в капиллярных порах влаги резко возрастает при значениях относительной влажности, близких к 100% что выгодно отличает данный гигрометр от большинства других сорбционных гигрометров, как правило, неработоспособных в этом диапазоне из-за значительных перегрузок по влажности. Заметим, что в качестве капилляра может быть использован не только капилляр конусообразной формы, но и любая n-угольная пирамида. Расчеты показывают, что с изменением температуры воздуха происходит плавное смещение градуировочной кривой. Указанная зависимость легко учитывается путем введения поправок на температуру при независимых ее измерениях.

Из изложенного следует, что использование в капиллярном гигрометре влагочувствительного элемента с набором капилляров конусообразной формы позволяет полностью устранить зоны нечувствительности, свойственные прототипу, и тем самым повысить его разрешающую способность. При этом существенно упрощается технология изготовления влагочувствительного элемента и улучшаются его эксплуатационные качества.

Использование: измерительная техника, аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: капиллярный гигрометр содержит опорный кварцевый резонатор, подсоединенный к опорному генератору частоты, измерительный кварцевый резонатор, подсоединенный к измерительному генератору частоты и содержащий влагочувствительный элемент из пьезоматериала с набором капилляров. Генераторы подсоединены к смесителю, на выходе которого установлен измеритель частоты. Влагочувствительный элемент выполнен в виде ячеистой структуры с конусообразными капиллярами, диаметр основания которых выбран в диапазоне от 2 до 5 мкм, а глубина - не менее половины диаметра основания капилляра. 3 ил.

Капиллярный гигрометр, содержащий опорный кварцевый резонатор, подсоединенный к опорному генератору частоты, измерительный кварцевый резонатор, подсоединенный к измерительному генератору частоты и содержащий влагочувствительный элемент из пьезоматериала с набором капилляров, генераторы подсоединены к смесителю, на выходе которого установлен измеритель частоты, отличающийся тем, что влагочувствительный элемент выполнен в виде ячеистой структуры с конусообразными капиллярами, диаметр основания которых выбран в диапазоне 2 5 мкм, а глубина не менее половины диаметра основания капилляра.