СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/68 

Изобретение относится к области измерения влажности газов, в частности к гигрометрам, измеряющим влажность по температуре точки росы.

Известен оптический гигрометр (а.с. СССР 1714478, G 01 N 25/68, опубл. 1992, БИ 7), содержащий термоэлектрическую батарею, расположенные на ней термодатчик и конденсационное зеркало, представляющее собой диэлектрическую подложку с двумя электродами. Поверхность диэлектрической подложки между электродами покрыта электропроводящей островковой пленкой критической толщины, которая предназначена для уменьшения влияния загрязнения.

Известен также высокочувствительный гигрометр точки росы (РСТ WO 98/12580, G 01 W 1/00), содержащий холодильно-нагревательное устройство, на поверхности которого расположен резонатор на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) и интегрированный термодатчик. Резонатор включен в измерительную схему и используется в качестве влагочувствительного элемента для измерения количества конденсированной влаги. Процессорное средство и холодильно-нагревательное устройство обеспечивают управление температурой влагочувствительного элемента таким образом, чтобы количество конденсата на его поверхности оставалось постоянным, одновременно с этим интегрированным термодатчиком измеряется температура на охлаждаемой поверхности, таким образом, устройством постоянно измеряется температура точки росы.

Известен также миниатюрный гигрометр и способ измерения температуры точки росы (патент США 5364185, G 01 N 25/68), являющийся наиболее близким техническим решением к заявляемому, взятым в качестве прототипа, содержащий влагочувствительный элемент, холодильно-нагревательное устройство, термодатчик, интегрированный на поверхность холодильно-нагревательного устройства, процессорное средство. Влагочувствительным элементом является встречно-штырьевой преобразователь (ВШП). Процессорное средство подает сигнал холодильно-нагревательному устройству на охлаждение. По мере уменьшения температуры процессорным средством обрабатываются сигналы, полученные с влагочувствительного элемента и термодатчика, и вычисляется вторая производная сигнала по температуре. При скачкообразном изменении величины второй производной делается вывод о начале конденсации влаги на влагочувствительном элементе и фиксируется температура на данный момент, которая и является температурой точки росы. После этого выдается сигнал на повышение температуры и в дальнейшем цикл повторяется. При данном способе вычисления температуры точки росы по второй производной сигнала по температуре устраняется влияние загрязнения поверхности влагочувствительного элемента. Устройство в целом является небольшим по размеру и достаточно быстродействующим. Недостатком данного изобретения, а также других, относящихся к конденсационным гигрометрам, является то, что определение начала конденсации влаги на охлаждаемой поверхности и измерение температуры на ней производятся двумя разными средствами измерения. Вследствие этого даже при большой степени интегрированности датчика температуры с датчиком конденсата, неизбежно возникает ошибка измерения температуры в области конденсации влаги из-за пространственной разнесенности датчиков.

В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства, измеряющего температуру точки росы с высокой точностью и быстродействием за счет измерения количества выпавшего конденсата и температуры на чувствительном элементе одним измерительным средством.

Поставленная задача решается тем, что в способе для измерения температуры точки росы измеряют температуру охлаждаемого влагочувствительного элемента, измеряют параметры сигнала на выходе измерительной схемы, включающей влагочувствительный элемент, определяют температуру точки росы по резкому изменению параметров сигнала, на выходе измерительной схемы, после чего подают сигнал на увеличение температуры, измеряют температуру с помощью влагочувствительного элемента, включенного в измерительную схему.

Кроме того, выделяют из сигнала измерительной схемы, включающей влагочувствительный элемент, составляющие, содержащие информацию о температуре и о начале выпадения конденсата на его поверхности.

Кроме того, юстируют температурную характеристику влагочувствительного элемента, включенного в измерительную схему по опорному датчику температуры.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для измерения температуры точки росы, содержащем влагочувствительный элемент, включенный в измерительную схему, холодильно-нагревательное средство, процессорное средство, при этом выход измерительной схемы, вход холодильно-нагревательного средства соединены с соответствующими входами процессорного средства, влагочувствительный элемент выполнен с гидрофобным покрытием и чувствительным к температуре.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами и графиками, на которых:
фиг. 1 изображает общую схему устройства для измерения температуры точки росы, где влагочувствительный элемент 2 с гидрофобным покрытием 3, включенный в измерительную схему 1 и опорный датчик температуры 5, расположенные на холодильно-нагревательном средстве 4, а выходы измерительной схемы 1, опорного датчика температуры 5 и вход холодильно-нагревательного средства 4 соединены с соответствующими входами процессорного средства 6, выход которого соединен с индикаторным средством 7;
фиг. 2 - график зависимости величины lnρтнов

от относительной влажности ϕ для различных материалов.

Устройство работает следующим образом.

Основной источник погрешности при измерении температуры точки росы с помощью конденсационных гигрометров, связан с тем, что в известных технических решениях измерение температуры и измерение количества выпавшего конденсата на влагочувствительном элементе производится двумя разными измерительными средствами, между которыми вследствие их разнесенности между собой в пространстве возникает разность температур, приводящая к ошибке измерения. Чтобы ее уменьшить, в заявляемом устройстве используется влагочувствительный элемент, способный измерять температуру и конденсированную на его поверхности влагу. Таким влагочувствительным элементом может стать, например, резонатор на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), объемный кварцевый резонатор и пр.

Проведенные исследования показали, что процесс конденсации влаги на охлаждаемой поверхности кварца начинается за 9 градусов до достижения точки росы, что подтверждается данными, приведенными в литературе [Спенсор-Грегори и Рурком. Гигрометрия. - М. : Металлургиздат, 1963], это обстоятельство затрудняет выделение из сигнала влагочувствительного элемента составляющей, соответствующей температуре. Однако процесс осаждения молекул воды на охлаждаемую поверхность при температурах близких к температуре точки росы зависит от характера поверхности: материала и степени его обработки. Ниже на фиг.2 приведена экспериментальная зависимость для покрытия на основе парафина, а также зависимости, взятые из литературного источника [Спенсор-Грегори и Рурком. Гигрометрия. - М.: Металлургиздат,1963, с. 84], величина lnρтнов

, которая входит в выражение сопротивления между параллельными электродами, нанесенными на охлаждаемую поверхность на расстоянии L и шириной d, R = ρтповL/d от влажности. При анализе зависимостей видно, что на поверхности гидрофобных материалов конденсация при относительной влажности менее 100% практически отсутствует, а при 100% начинается интенсивное выпадение конденсата. Следовательно, использование гидрофобного покрытия, нанесенного на поверхность влагочувствительного элемента, позволяет препятствовать выпадению конденсата до того момента, как температура приблизится к температуре точки росы. Таким образом, охлаждаемый влагочувствительный элемент, с нанесенным на его поверхность гидрофобным покрытием, до начала конденсации может быть использован для точного измерения температуры, а начало процесса конденсации связано с достижением температуры точки росы.

Применение данного изобретения позволяет повысить точность измерения температуры точки росы, поскольку измерение температуры и момента начала выпадения конденсата производится одним измерительным средством, и тем самым уменьшаются погрешности измерения температуры точки росы, возникающие из-за того, что датчик температуры и чувствительный элемент находятся в разных областях температурного поля.

Кроме того, измерение температуры и начала выпадения конденсата с помощью одного чувствительного элемента дает возможность применять в качестве влагочувствительного элемента объемные структуры, например объемный кварцевый резонатор, поскольку не требуется интегрирование на одной поверхности термодатчика и влагочувствительного элемента для помещения их в одно поле температур, а также дает возможность увеличения скорости охлаждения поверхности влагочувствительного элемента, так как не требуется создание однородного температурного поля, в котором должны находиться датчик конденсата и температуры, за счет медленного охлаждения.

Технология нанесения гидрофобного покрытия подобна технологии нанесения сорбентов на кварцевые резонаторы, применяющихся, например, в задачах газоанализа [Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989].

На фиг. 1 изображена общая схема устройства, где влагочувствительный элемент 2 с гидрофобным покрытием 3, включенный в измерительную схему 1, используется в качестве влагочувствительного элемента для получения информации о температуре и о начале выпадения конденсата на его поверхности. Холодильно-нагревательное средство 4 предназначено для изменения температуры влагочувствительного элемента 2. Процессорное средство 6 выдает команду холодильно-нагревательному средству 4 на понижение температуры. Сигнал, выдаваемый измерительной схемой 1, содержащий одновременно информацию о температуре и количестве выпавшего на его поверхности конденсата, обрабатывается процессорным средством 6. Гидрофобное покрытие 3 препятствует выпадению конденсата на поверхности влагочувствительного элемента 2 при температуре выше, чем температура точки росы. В процессе понижения температуры анализируются параметры сигнала измерительной схемы, например, частота, амплитуда сигнала и пр., в зависимости от типа и схемы включения влагочувствительного элемента 2, которые, например, приведены в литературном источнике [В.В. Малов Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 84-90, 224-228]. Процессорное средство 6 вычисляет первую и вторую производные от указанных параметров, и если эти параметры претерпели резкое изменение, то выносится суждение о том, что роса выпала, иначе по тому же сигналу определяют температуру с помощью влагочувствительного элемента 2, включенного в измерительную схему. При достижении температуры точки росы происходит выпадение конденсата на поверхность влагочувствительного элемента. Процессорное средство 6 при анализе сигнала по резкому изменению первой или второй производных сигнала относительно времени или температуры делает суждение о достижении температуры точки росы и выводит на индикаторное средство 7 текущую температуру как температуру точки росы, после чего подает сигнал на увеличение температуры и затем цикл повторяется.

Для устранения влияния загрязнения поверхности влагочувствительного элемента и вследствие этого ухода его температурной характеристики через несколько рабочих циклов нагрева-охлаждения производится юстировочная процедура, состоящая из следующих шагов:
а) производят отключение холодильно-нагревательного средства 4 или его переводят в стационарный режим;
б) с помощью опорного датчика температуры 5, находящегося в той же температурной области, что и влагочувствительный элемент 2, отслеживают изменения температуры;
в) производят циклы ожидания до тех пор, пока температурный дрейф не станет меньше заранее заданной величины, которая зависит от точности измерения температуры точки росы, после этого делается вывод, что температурное поле в области измерения стало однородным;
г) считывают показания опорного датчика температуры 5 и влагочувствительного элемента 2, работающего в режиме измерения температуры;
д) процессорным средством 6 вычисляют поправки к температурной характеристике влагочувствительного элемента 2, которые будут затем учитываться при измерении температуры с помощью влагочувствительного элемента 2.

Таким образом, в заявляемом изобретении по сравнению с прототипом измерение температуры и момента начала выпадения конденсата производится одним измерительным средством, т.е. отсутствуют погрешности измерения температуры точки росы, которые возникают из-за того, что датчик температуры и чувствительный элемент находятся в разных областях температурного поля, что позволяет повысить точность измерения температуры точки росы. Кроме того, измерение начала выпадения конденсата и температуры одним средством позволяет увеличить скорость охлаждения, так как не требуется дополнительного времени для создания высокооднородного температурного поля и тем самым увеличивается быстродействие всего устройства в целом. Кроме того, совмещение измерения температуры и начала выпадения конденсата одним измерительным средством дает возможность применять в качестве влагочувствительного элемента объемные структуры, например объемный кварцевый резонатор, поскольку не требуется интегрирование на одной поверхности датчика температуры и влагочувствительного элемента для более точного измерения температуры.

Изобретение может быть использовано в тех областях промышленности, в которых измеряют влажность газов по точке росы.

При этом все измерительные схемы могут быть выполнены с использованием интегральных схем, в том числе и с применением микропроцессоров. В качестве устройства для управления температурой может быть использован термоэлектрический холодильник.

Изобретение относится к измерению влажности газов. В основу изобретения положена задача создания устройства, измеряющего точку росы за счет измерения количества выпавшего конденсата и температуры на влагочувствительном элементе одним измерительным средством. Способ заключается в том, что для измерения температуры точки росы измеряют параметры сигнала на выходе измерительной схемы и измеряют температуру с помощью влагочувствительного элемента, включенного в измерительную схему. Технический результат - повышение точности и быстродействия. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения температуры точки росы, заключающийся в измерении температуры охлаждаемого влагочувствительного элемента, измерении параметров сигнала на выходе измерительной схемы и определении точки росы по резкому изменению параметров сигнала на выходе измерительной схемы, отличающийся тем, что измеряют температуру с помощью влагочувствительного элемента, на поверхность которого нанесено гидрофобное покрытие, причем температурную характеристику влагочувствительного элемента, включенного в измерительную схему, юстируют по опорному датчику температуры. 2. Способ измерения температуры точки росы по п. 1, отличающийся тем, что выделяют из сигнала измерительной схемы, включающей влагочувствительный элемент, составляющие, содержащие информацию о температуре и начале выпадения конденсата на его поверхности. 3. Устройство для измерения температуры точки росы, включающее влагочувствительный элемент, холодильно-нагревательное средство и процессорное средство, при этом выход измерительной схемы и вход холодильно-нагревательного средства соединены с соответствующими входами процессорного средства, отличающееся тем, что оно снабжено опорным датчиком температуры, влагочувствительный элемент, включенный в измерительную схему, выполнен чувствительным к температуре, а на его поверхности нанесено гидрофобное покрытие.