АНАЛИЗАТОР ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Российский патент 2002 года по МПК G01N27/02 G01W1/11 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, предназначено для измерения и регулирования влажности воздуха и может быть использовано в различных областях - на предприятиях электронной, текстильной, пищевой промышленностей, в складских помещениях для хранения промышленных изделий и продуктов питания, музеях, архивах и др.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является анализатор влажности воздуха, рассмотренный в статье Р.Г. Шерри (Черри), опубликованной в кн. "Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях", т. 1, Л. : Гидрометиздат, 1967, с. 485-489. Действие анализатора основано на зависимости теплопроводности воздуха от влажности. Датчиком влажности является включенная в плечо измерительного моста и нагреваемая электрическим током проволока, температура которой изменяется с изменением влажности воздуха. О величине влажности судят по величине электрического сигнала в диагонали моста, вызванного изменением температуры, а следовательно, и сопротивления датчика.

Недостатки анализатора - низкая чувствительность и высокая температурная нестабильность, ограничения дистанционного измерения влажности воздуха, сложность калибровки анализатора.

Низкая чувствительность прототипа обусловлена тем, что датчик включен в плечо измерительного моста. Известно, что наибольшей чувствительностью обладает равноплечный мост. При малых изменениях сопротивления одного из плеч моста выделяемая в этом плече мощность не изменяется, т.к., например, с увеличением сопротивления датчика напряжение на нем увеличивается, а ток при этом уменьшается. Поэтому относительное изменение температуры датчика будет определяться только относительным изменением теплопроводности воздуха, величина которого исключительно мала. Например, при изменении влажности воздуха от 0 до 100% при температуре 20^oС теплопроводность воздуха изменится всего на 0,2%, а при 0^oС при изменении влажности на 100% теплопроводность воздуха изменится менее чем на 0,05%. Поэтому и относительные изменения температуры датчика будут такими же малыми.

Высокая температурная нестабильность прототипа обусловлена тем, что определяемые изменениями исследуемой влажности изменения температуры датчика достаточно малы и составляют менее 1^oC, например для датчика, выполненного из проволоки с температурным коэффициентом 0,005 К^-1 и нагретого до температуры 300^oС. Колебания температуры воздуха, например на 10-30^oС, без принятия специальных мер могут приводить к абсолютной ошибке в определении влажности, значительно превышающей исследуемую величину. По этой же причине затруднено и дистанционное измерение влажности, т.к. при значительном удалении датчика от измерительного моста возрастают ошибки, вносимые температурными изменениями сопротивления токоподводящих проводов к датчику.

Для калибровки прототипа применялись известные зависимости насыщенных паров воздуха над водными растворами различных солей или щелочей определенных концентраций. Такая калибровка не технологична в процессе длительной эксплуатации анализатора.

В заявляемом анализаторе увеличена чувствительность датчика, исключены ошибки, вносимые изменениями температуры окружающего воздуха, упрощена калибровка датчика. Кроме того, прибор может поддерживать задаваемый уровень влажности и сигнализировать об изменении влажности за пределы задаваемого интервала.

Вышеуказанная задача решается тем, что выполненный из нагреваемой электрическим током металлической проволоки датчик влажности помещен в полость термостатируемой измерительной ячейки и подключен к высокостабилизированному источнику тока, датчик и высокостабилизированный источник напряжения через делитель напряжения соединены с входами дифференциального усилителя, в цепь обратной связи которого включен регулируемый резистор, а к выходу усилителя подключен регистрирующий прибор, прокалиброванный в единицах влажности.

Кроме того, к высокостабилизированному источнику напряжения подключены второй и третий делители напряжения, которые соединены соответственно с первыми входами двух компараторов, вторые входы компараторов соединены с выходом усилителя, а на входах компараторов включены индикаторы, например светодиоды, причем регистрирующий прибор соединен с переключателем, отключающим его от усилителя и соединяющим со вторым или третьим делителем.

Кроме того, анализатор дополнительно содержит две калибровочные ячейки, соединяемые поочередно с измерительной ячейкой так, что их полости образуют с полостью измерительной ячейки единое замкнутое пространство, причем первая ячейка снабжена нагревателем и заполнена осушителем воздуха, например силикагелем, а вторая ячейка выполнена термостатируемой и заполнена водой.

На чертеже изображена схема анализатора. Датчик 1 влажности, выполненный из металлической проволочки и являющийся одновременно нагревателем, подключен к высокостабилизированному источнику 2 тока. Датчик 1 помещен в сообщающуюся с окружающим воздухом полость измерительной ячейки 3. Температура ячейки 3 поддерживается постоянной электронным терморегулятором (не показан). К высокостабилизированному источнику 4 напряжения подключен делитель 5 напряжения, например потенциометр. Разностное напряжение датчика 1 и делителя 5 подается на входы линейного дифференциального усилителя 6, в цепь обратной связи которого для регулирования коэффициента усиления включен регулируемый резистор 7. На выходе усилителя 6 включен регистрирующий прибор 8, например вольтметр, прокалиброванный в единицах абсолютной влажности воздуха, например в г/м³. К источнику 4 подключены второй 9 и третий 10 делители напряжения. Для переключения прибора 8 с выхода усилителя 6 на делители 9 или 10 прибор соединен с переключателем 11. Разностные напряжения между выходом усилителя 6 и делителями 9 и 10 подаются на входы компараторов 12 и 13. К выходам компараторов подключены индикаторы 14 и 15 уровней влажности, например светодиоды, а сами выходы компараторов соединены с внешними выходами 16 и 17 анализатора, предназначенными для подключения внешних осушителей и увлажнителей воздуха. Выход усилителя 6 соединен с внешним выходом 18, предназначенным для подключения внешнего регистрирующего устройства, например самописца. Анализатор содержит две калибровочные ячейки 19 и 20, соединяемые поочередно с измерительной ячейкой 3 так, что их полости образуют с полостью ячейки 3 единое замкнутое пространство. Первая калибровочная ячейка 19 содержит нагреватель (не показан), а ее полость заполнена осушителем воздуха, например силикагелем. Полость второй калибровочной ячейки 20 заполнена водой, температура которой поддерживается постоянной вторым терморегулятором (не показан).

Работает анализатор следующим образом. Датчик 1 нагревается током высокостабилизированного источника тока 2. По мере нагревания увеличивается тепловой поток от датчика к стенкам измерительной ячейки 3. При некоторой температуре датчика, которая зависит от теплопроводности воздуха, устанавливается тепловое равновесие. При увеличении влажности воздуха увеличивается его теплопроводность. При этом уменьшается температура, а следовательно, и сопротивление датчика. Так как датчик работает в режиме постоянного тока, уменьшается энергия, потребляемая датчиком, что приводит к еще большему понижению температуры датчика, уменьшению его сопротивления и электрического напряжения на датчике. (Этим объясняется значительное повышение чувствительности анализатора в режиме постоянного тока по сравнению с режимами постоянной мощности или постоянного напряжения). Устанавливается новое тепловое равновесие, характеризуемое определенным значением температуры датчика и величиной напряжения на датчике. Так как температура ячейки 3 поддерживается постоянной, колебания температуры окружающего воздуха не влияют на температуру и сопротивление датчика, а следовательно, и на показания анализатора. Разностное напряжение датчика 1 и делителя 5, пропорциональное измеряемой влажности, усиливается линейным усилителем 6 и измеряется регистрирующим прибором 8, например вольтметром.

Чтобы показания прибора 8 соответствовали измеряемой влажности, необходимо предварительно его прокалибровать, т.е. установить нуль прибора и его чувствительность. Для установки нуля первую калибровочную ячейку 19 с предварительно нагретым осушителем присоединяют к ячейке 3. Прибор 8 при положении переключателя 11 в позиции I подключается к выходу усилителя 6. По остывании осушитель поглощает остаточную влагу ячейки 3, и показания прибора 8 стабилизируются. Регулируя потенциометр 5, добиваются нулевого показания регистрирующего прибора.

Для установки чувствительности анализатора (калибровки прибора) к ячейке 3 присоединяют вторую калибровочную ячейку 20, постоянная температура которой известна и на несколько градусов ниже температуры ячейки 3, например 29,8^oС. При этом в ячейке 3 установится влажность воздуха, соответствующая плотности насыщенных паров воды при температуре, равной температуре калибровочной ячейки 20. По психрометрическим таблицам определяют, что при 29,8^oС плотность насыщенных паров воды равна 30 г/м³. Регулируя резистором 7 коэффициент обратной связи усилителя 6, добиваются соответствующего показания прибора 8, например 30 делений шкалы прибора, т.е. установленная чувствительность 1 деление/(г/м³). При отсоединенных калибровочных ячейках показания прибора 8 будут соответствовать абсолютной влажности окружающего воздуха.

Нижний порог влажности устанавливают делителем 9 по показаниям прибора 8 при положении переключателя 11 в позиции II. Пусть, например установлен нижний порог абсолютной влажности 12,1 г/м³ (что соответствует относительной влажности 70% при 20^oС). Тогда при понижении влажности воздуха ниже заданного порога разностное напряжение между выходом усилителя 6 и потенциометром 9 изменит полярность, и на выходе компаратора 12, а также на выходе 16 анализатора появится сигнал запуска внешнего увлажнителя воздуха, например кипятильника. Сработает также индикатор 14, сигнализирующий о снижении влажности воздуха ниже эаданного нижнего порога 12,1 г/м³.

Аналогично нижнему порогу влажности устанавливается верхний порог. Для этого по показаниям прибора 8 при положении переключателя 11 в позиции III потенциометром 10 устанавливается требуемое значение, например 13,8 г/см³ (что соответствует относительной влажности 80% при 20^oС). При превышении влажности воздуха заданного порога на выходе 17 анализатора появится сигнал запуска внешнего осушителя воздуха, например вентилятора, подающего осушенный воздух в замкнутое помещение, и сработает индикатор 15, сигнализирующий о превышении влажности воздуха заданного верхнего порога. При одновременно подключенных внешних увлажнителях и осушителях анализатор будет поддерживать влажность воздуха в заданных пределах, например, для рассмотренного случая в интервале от 12,1 г/м³ до 13,8 г/м³ абсолютной влажности (или от 70 до 80% относительной влажности воздуха при 20^oC).

Особенностями анализатора являются: независимость показаний анализатора от атмосферных колебаний температуры и давления, широкий интервал температур, включая температуры ниже 0^oС, простота калибровки анализатора, низкая потребляемая мощность и возможность питания от автономных источников, возможность подключения внешних записывающих устройств и дистанционного измерения влажности, возможность поддержания влажности в задаваемых пределах.

Использование: для измерения и регулирования влажности воздуха в широком интервале температур, включая температуры ниже 0^oС. Анализатор включает в себя датчик влажности - металлическую проволочку, нагреваемую высокостабилизированным электрическим током, помещенную в полость измерительной ячейки, температура которой стабилизируется. Напряжение на датчике сравнивается с опорным напряжением, и разностный сигнал усиливается линейным дифференциальным усилителем, на выходе которого включен регистрирующий прибор, прокалиброванный в единицах абсолютной влажности воздуха. Технический результат: увеличение чувствительности, исключение ошибок, вносимых изменениями температуры окружающего воздуха, упрощение калибровки, расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Анализатор влажности воздуха, содержащий выполненный из нагреваемой электрическим током металлической проволоки датчик влажности, отличающийся тем, что датчик помещен в полость термостатируемой измерительной ячейки и подключен к высокостабилизированному источнику тока, датчик и высокостабилизированный источник напряжения через делитель напряжения - соединены с входами дифференциального усилителя, в цепь обратной связи которого включен регулируемый резистор, а к выходу усилителя подключен регистрирующий прибор, прокалиброванный в единицах влажности; кроме того, к высокостабилизированному источнику напряжения подключены второй и третий делители напряжения, которые соединены соответственно с первыми входами двух компараторов, вторые входы компараторов соединены с выходом усилителя, а на выходах компараторов включены индикаторы, например светодиоды, причем регистрирующий прибор соединен с переключателем, отключающим его от усилителя и соединяющим со вторым или с третьим делителем; и кроме того, анализатор дополнительно содержит две калибровочные ячейки, соединяемые поочередно с измерительной термостатируемой ячейкой так, что их полости образуют с полостью измерительной ячейки единое замкнутое пространство, причем первая ячейка снабжена нагревателем и заполнена осушителем воздуха, например силикагелем, а вторая ячейка выполнена термостатируемой и заполнена водой.