УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Российский патент 2002 года по МПК G01N25/56 G01N27/22 G21C17/00 

Изобретение относится к технологическому контролю ядерно-энергетических установок (ЯЭУ), в частности, контролю влажности воздуха в боксах для размещения трубопроводов главного циркуляционного контура, а также влажности воздуха в объеме гермозоны реакторных установок типа ВВЭР. Устройство может применяться в тех случаях, когда по внешним условиям (высокие температуры, сильный радиационный фон) электронные преобразователи сигналов не могут быть размещены непосредственно рядом с сенсорами влажности.

Известны устройства для измерения влажности воздуха, реализующие различные физические принципы [1] . Из широкого спектра устройств наибольшее применение получили измерители на основе емкостных сенсоров влажности [2]. Принцип действия устройств основывается на изменении электрической емкости так называемых адсорбционно-емкостных сенсоров за счет диффузии молекул воды в специальный сорбирующий пленочный конденсатор.

В результате изменения диэлектрических свойств среды между электродами приращение электрической емкости конденсатора может составлять ~30% от исходной величины при изменении относительной влажности воздуха от нуля до 100%. На базе емкостных сенсоров выпускается ряд измерительных устройств и систем для контроля влажности [3].

Типовая схема устройства содержит емкостный сенсор, электроды которого подсоединены к электронному преобразователю величины емкости в электрический сигнал (ток, напряжение, частота следования импульсов и т. д.), выход которого соединен с входом функционального блока, реализующего коррекцию возможной нелинейности соотношения между емкостью сенсора и относительной влажности воздуха при различных температурах. Температура воздуха измеряется обычно с помощью термометра сопротивления, установленного рядом с сенсором влажности, и электронного преобразователя величины сопротивления в электрический сигнал, который подается на второй вход функционального блока.

Эта схема реализована в измерительном преобразователе температуры и влажности ИПТВ, выпускаемом НПП "Элемер" [4, 5].

Однако, все эти устройства имеют общий недостаток, не позволяющий их использовать на ядерно-энергетических установках в условиях интенсивных радиационных полей и высоких температур.

Дело заключается в том, что в условиях ЯЭУ электронные преобразователи емкости сенсора в электрический сигнал, размещаемые в непосредственной близости от сенсора, становятся неработоспособными. Поэтому требуется разнести между собой сенсоры влажности и температуры и электронные преобразователи их сигналов на расстояние до ~100-150 м, разместив последние в зонах обслуживаемых помещений с низким радиационным фоном и нормальной температурой.

Сами сенсоры влажности и термометры сопротивления, как показали испытания, проведенные совместно ГНЦ РФ Физико-энергетический институт и фирмой "Элемер", не теряют своих характеристик при облучении в полях γ-излучения при наборе дозы облучения до 10⁷ кГрей.

Указанный недостаток известных устройств препятствует внедрению их на ядерно-энергетических установках.

Второй недостаток известных устройств контроля влажности заключается в том, что в них не реализуется принцип самодиагностики.

В условиях ЯЭУ, когда требования по надежности работы устройства имеют высокий приоритет и нет возможности проверки работоспособности устройства в целом из-за размещения сенсоров в необслуживаемых помещениях, этот недостаток приобретает особое значение.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, создание устройства для измерения влажности с разнесенными на расстояние до 100÷200 м сенсорами и электронными преобразователями и введение в состав устройства элементов для самодиагностики.

Техническим результатом, получаемым от внедрения представленного решения, является сохранение точности измерений относительной влажности при передаче на большие расстояния сигнала от сенсоров к преобразователям их сигналов с помощью согласующего трансформатора (устранение влияния длинной сигнальной линии на точность измерений) и обеспечение дистанционной проверки работоспособности сенсоров (получение возможности контроля работоспособности сенсоров).

Для достижения этого технического результата в известное устройство для измерения влажности воздуха, содержащее емкостной сенсор влажности, генератор переменного напряжения для питания сенсора, усилитель переменного напряжения для усиления переменного напряжения, пропорционального емкости сенсора, измерителя уровня выходного напряжения усилителя и функционального блока для коррекции показаний устройства с учетом температуры воздуха, для измерения которой применен резистивный сенсор температуры, подсоединенный к электронному преобразователю сопротивления в напряжение (ток), выходной сигнал которого подается на второй вход функционального блока, дополнительно введен согласующий трансформатор напряжения, первичная обмотка которого соединена последовательно с емкостным сенсором, а к вторичной обмотке подсоединена необходимой длины сигнальная линия с волновым сопротивлением ρ, выходные зажимы которой подсоединены к усилителю переменного напряжения, причем комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора с учетом нагрузочной характеристики сигнальной линии не должно превышать 0,5÷1,0% от комплексного сопротивления емкостного сенсора. Для реализации функции самодиагностики в устройство дополнительно введены эталонный конденсатор и сопротивление, размещенные непосредственно рядом с сенсорами влажности и температуры и включаемые в измерительные цепи вместо них с помощью контактов реле, управляемых дистанционно.

На чертеже приводится структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения влажности воздуха содержит емкостной сенсор влажности 1, сенсор температуры 2, эталонный стабильный конденсатор 3, эталонный высокоточный резистор 4, реле для переключения сенсоров и эталонов в цепях измерения 5, согласующий трансформатор 6, сигнальные линии 7 и 8, линию управления реле 9, усилитель переменного напряжения 10, измеритель уровня выходного сигнала усилителя 11, функциональный блок 12, электронный преобразователь параметра сенсора температуры 13, генератор переменного напряжения 14, источник питания реле 15, регистратор 16.

Устройство работает следующим образом. Генератор 14 вырабатывает гармоническое переменное напряжение с частотой f_o и амплитудой U_г. Частота f_o выбирается из условия емкость сенсора, R_u - активное сопротивление сенсора. Обычно f_o=50÷100 кГц. Переменное напряжение создает в электрической цепи, составленной из емкости С_c и первичной обмотки согласующего трансформатора W₁ с индуктивностью L₁, переменный ток.

Параметры трансформатора числа витков обмоток W₁ и W₂, их индуктивности и активные сопротивления выбираются таким образом, чтобы модуль комплексного сопротивления первичной обмотки трансформатора с учетом нагрузки во вторичной обмотке в виде сигнальной линии с волновым сопротивлением ρ составлял не более 0,5÷1,0% от модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора. Если в качестве емкостного сенсора взят сенсор с исходной емкостью 500 пкФ (HS-03) и частота генератора f_o равна, например, 100 кГц, то модуль сопротивления сенсора составит Тогда модуль комплексного сопротивления трансформатора не должен превышать 15÷30 Ом. Комплексное сопротивление трансформатора в приближении равенства нулю активного сопротивления первичной и вторичной обмоток может быть записано в виде:

где L₁ - индуктивность первичной обмотки;
ρ - волновое сопротивление сигнальной линии.

Приняв типовую величину ρ ≅ 75 Oм для радиочастотного коксиального кабеля РК-75-2, можно подобрать отношение числа витков W₁/W₂ такой величины, чтобы произведение:
ρ(W₁/W₂)²≫ ω₀L₁ (2)
Тогда модуль величины Z_Тр будет равен:
|Z_Tp(ω₀)| = ω₀L₁ (3)
Приравняв величину |Z_Tp(ω₀)| = (0,005-0,01)X_c с учетом известной емкости сенсора, можно определить индуктивность первичной обмотки и остальные параметры трансформатора.

Поскольку переменный ток в последовательно соединенной цепи, состоящей из сенсора и трансформатора с указанными выше параметрами задается с погрешностью (0,5÷1,0)% емкостным сопротивлением сенсора, то напряжение в выходной обмотке трансформатора будет равно:

или

или
U₂=k C_c, (6)
где k = U_Гω20

L₁.
Таким образом, переменное напряжение во вторичной обмотке трансформатора будет являться мерой емкости сенсора с точностью до коэффициента k. Этот коэффициент можно найти расчетным путем и получить экспериментально в процессе эксплуатации устройства измерения влажности. Для этого необходимо включить реле и с помощью его контактов k₁ ввести в измерительную цепь эталонный конденсатор C_э. Измерив при этом напряжение в сигнальной линии U₂, можно найти коэффициент k из соотношения:
U₂ ^э=k•C_э (7)
или

Эта операция может выполняться периодически, позволяя таким образом контролировать и регулировать, если требуется, параметры измерительной цепи.

Блоки 10 и 11 производят операции усиления и измерения уровня сигнала. Обычно блок 11 представляется в виде линейного детектора и фильтра низкой частоты, на выходе которого формируется нормализованный сигнал в виде тока или напряжения. Этот сигнал поступает на один из входов функционального блока 12.

Например, измерители-регуляторы технологические серии ИРТ, выпускаемые НПП "Элемер" (приборы внесены в Государственный реестр средств измерений РФ под 15016-95, ТУ4210-002-13282997-95 и 17156-98, ТУ4220-008-13282997-99), могут быть использованы при реализации данного решения и совмещать выполнение функций измерителя уровня переменного напряжения, электронного преобразователя сопротивления резистивного сенсора в электрический сигнал, функционального блока и регистратора.

Сенсор температуры R_с (2) подключается к преобразователю сопротивления в электрический сигнал. Выходное напряжение преобразователя, связанное с измеряемой температурой линейным соотношением, поступает на второй вход функционального блока. Последний выполняет операцию вычисления относительной влажности через измеряемые параметры С_с и Т, решая нелинейное уравнение вида
ϕ = F(C_c,T) (9)
где F - известная функция связи между емкостью сенсора и температурой воздуха и относительной влажностью.

Полученный результат выдается на регистратор. Для проверки канала измерения температуры в устройстве предусмотрено включение в цепь измерения температуры эталонного резистора R_э, соответствующего по номиналу величине сопротивления сенсора при температуре 20^oС.

Эталонная емкость C_э выбирается равной емкости сенсора при относительной влажности, равной нулю. При включении реле в режим контроля, таким образом, проверяются все измерительные цепочки и работа функционального блока 12.

Это позволяет с высокой степенью надежности производить измерения и получать данные по распределению влажности в технологических помещениях АЭС.

Источники информации
1. Берлинер М.Л. Измерения влажности.- М., "Энергия", 1973.

2. Виглеб Г. Датчики.- М., Издательство "Мир", 1989.

3. Измерение параметров газообразных и жидких сред при эксплуатации инженерного оборудования зданий. Справочное пособие.-М., Стройиздат, 1987.

4. Измерительные преобразователи температуры и влажности ИПТВ. Технические условия. ТУ 4227-005-13282997-97. Госстандарт России, ВНИИстандарт. Внесен в Реестр за 200/015990. 1997.

5. Средства измерений, допущенные к применению в РФ. Описания утвержденных типов. Выпуск 14 (114).-М., ВНИИМС. 1997.

Изобретение относится к технологическому контролю ядерно-энергетических установок. Устройство содержит емкостной сенсор влажности, измеритель уровня выходного напряжения усилителя и функциональный блок для коррекции показаний устройства с учетом температуры воздуха. Дополнительно введен согласующий трансформатор напряжения, первичная обмотка которого соединена последовательно с емкостным сенсором, а к вторичной обмотке подсоединена необходимой длины сигнальная линия с волновым сопротивлением ρ, выходные зажимы которой подсоединены к усилителю переменного напряжения, причем комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора с учетом нагрузочной характеристики сигнальной линии не должно превышать 0,5-1,0% от комплексного сопротивления емкостного сенсора. Технический результат - создание устройства для измерения влажности с разнесенными на расстояние до 100-200 м сенсорами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения влажности воздуха, содержащее емкостной сенсор влажности и резистивный сенсор температуры, усилитель переменного напряжения, измеритель уровня переменного напряжения, функциональный блок, генератор переменного напряжения, электронный преобразователь сопротивления резистивного сенсора в напряжение (ток), регистратор, причем выход генератора соединен длинной линией с одним из контактов емкостного сенсора, выход усилителя напряжения соединен с входом измерителя уровня напряжения, выход которого соединен с одним из входов функционального блока, второй вход которого подсоединен к выходу преобразователя сопротивления в электрический сигнал (ток, напряжение), ко входу которого с помощью длинной линии подключен резистивный сенсор температуры, а выход функционального блока подсоединен к регистратору, отличающийся тем, что ко второму контакту емкостного сенсора подключена первичная обмотка согласующего трансформатора, второй конец которой соединяется длинной линией с генератором переменного напряжения, а ко вторичной обмотке трансформатора подключена сигнальная линия с волновым сопротивлением ρ, второй конец которой подсоединен ко входным клеммам усилителя напряжения, причем модуль комплексного сопротивления первичной обмотки подключенного к сигнальной линии трансформатора должен быть в 100-200 раз меньше модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в цепи измерения емкости емкостного сенсора и сопротивления резистивного сенсора с помощью переключающих контактов дистанционно управляемого реле включаются в режимах проверки эталонные конденсатор и сопротивление соответственно.