СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/68 

Изобретение относится к способам измерения влажности и может найти применение в гидрометеорологии, нефтяной, химической промышленности и других областях науки и техники.

Известен способ определения температуры точки росы (А.с. СССР №775679, кл. G01N 25/68, 1980), заключающийся в непрерывном измерении теплового потока, проходящего через равномерно охлаждаемую поверхность. При этом начало конденсации определяют по скачкообразному изменению потока тепла.

Недостатками этого способа являются сложность контроля скорости потока газа над конденсирующей поверхностью, сложность равномерного охлаждения поверхности конденсации, необходимость измерения как потока тепла через охлаждаемую поверхность, так и температуры поверхности конденсации.

Известны способы определения точки росы (А.с. СССР №1130787, кл. G01N 25/50, 1984, А.с. СССР №1741037, G01N 25/66, 1992), сущность которых заключается в том, что используют эталонную и измерительную ячейки. При этом в эталонную ячейку помещают вещество с известной влажностью, в измерительную с определяемой и, сравнивая температурные зависимости двух ячеек, определяют температуру точки росы.

Недостатками первого способа (А.с. СССР №1130787, кл. G01N 25/50, 1984) являются необходимость предварительного высушивания измеряемого вещества, контроля идентичности вещества по составу.

Недостатки второго способа определения температуры точки росы (А.с. СССР №1741037, G01N 25/66, 1992) заключаются, во-первых, в необходимости опорной зависимости изменения температуры охлаждаемой поверхности, в долговременности процесса определения. Во-вторых, температурная зависимость теоретически различается от опорной при любой температуре, а не только после температуры конденсации, т.к. теплопроводность зависит не только от влажности, но и от состава и давления газа, а здесь опорная зависимость получена при вакууме.

В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрано изобретение "Способ определения температуры точки росы", А.с. СССР №1728757, кл. G01N 25/68, 1992, БИ №15, авторов Ю.Г.Клименко, А.Ф.Воронина, Д.И.Кирьякова. При этом используют охладитель, охлаждаемую конденсационную поверхность, которая снабжена термоэлектрическим датчиком и помещена в исследуемый газовый объем. Внутри исследуемого газового объема на значительном удалении от конденсационной поверхности имеется термоэлектрический датчик. Конденсационная поверхность через тепломер контактирует с источником холода. Принцип работы прототипа заключается в охлаждении конденсационной поверхности, измерении ее температуры, измерении теплового потока, проходящего через конденсационную поверхность, и фиксации температуры в момент начала конденсации влаги. Дополнительно измеряют температурный перепад между газом и конденсационной поверхностью, определяют величину коэффициента теплоотдачи на границе газа и конденсационной поверхности, фиксируют момент конденсации по скачкообразному изменению коэффициента теплоотдачи.

Недостатки прототипа заключаются в следующем: во-первых, между источником холода и конденсационной поверхностью расположен тепломер, поэтому не весь холод, проходящий через тепломер, идет на охлаждение конденсационной поверхности, т.к. для этого все остальные контактирующие поверхности должны быть теплоизолированы, что приводит к погрешности измерения (т.е. тепломер сам не должен потреблять тепло); во-вторых, температуру трудно обеспечить одинаковой на всей конденсационной поверхности, что приводит к дополнительной погрешности измерения; в-третьих, вблизи конденсационной поверхности из-за перепада температуры возникают конвекционные потоки, которые будут изменять коэффициент теплоотдачи, и также приводить к повышению погрешности измерения; в-четвертых, прототип обладает большой инерционностью, что обусловлено временем передачи холода от - холодильника к конденсационной поверхности; в-пятых, в прототипе регистрируют и определяют температуру точки по изменению коэффициента теплоотдачи между газом и конденсационной поверхностью, что является вторичным эффектом, первичным является скачок температуры конденсационной поверхности, приводящий к изменению коэффициента теплоотдачи. Вторичный эффект появляется намного позже, чем первичный, и он менее ярко выражен, что приводит к дополнительной погрешности.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является повышение точности и быстродействия измерения температуры точки росы.

Техническим результатом изобретения является повышение точности и быстродействия измерения температуры точки росы, а следовательно, и влажности газов.

Решение технической задачи в способе определения температуры точки росы, в котором фиксируют температуру охлаждаемой поверхности при выпадении конденсата достигается тем, что термоэлектрический преобразователь плавно охлаждают до появления на его поверхности конденсата, пропуская через него ток и используя его в режиме элемента Пельтье, температуру охлаждаемой поверхности измеряют этим же термоэлектрическим преобразователем, используя его в режиме элемента Зеебека, периодически и кратковременно обрывая линию тока, температуру термоэлектрического преобразователя при выпадении конденсата фиксируют по аномальному изменению перепада температуры, регистрируемое изменение перепада температуры при выпадении конденсата обеспечивают выбором оптимального соотношения площади конденсирующей поверхности термоэлектрического преобразователя и его массы.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство, реализующее способ измерения точки росы, состоит из термоэлектрического преобразователя 1, прерывателя 2, источника тока 3, микроконтроллера 4 и индикатора 5. Термоэлектрический преобразователь 1 соединен через прерыватель 2 с выходом источника тока 3. Прерыватель 2 соединен с управляющим выводом микроконтроллера 4. Термоэлектрический преобразователь 1 соединен с входом, а индикатор 5 с выходом микроконтроллера 4.

На фиг.2 представлена зависимость температуры (Т°С) термоэлектрического преобразователя 1 от времени (t, сек) при протекании по нему постоянного тока. Угол наклона прямой характеризует скорость охлаждения [°С/сек] термоэлектрического преобразователя, она зависит от величины протекающего тока, и ее выбирают оптимальной.

Способ определения температуры точки росы заключается в следующем. В начальный момент, после включения устройства, линия тока разорвана прерывателем 2, от источника тока 3 ток на термоэлектрический преобразователь 1 не поступает, он работает в режиме измерения собственной температуры и окружающей среды (в режиме элемента Зеебека). ТермоЭДС, пропорциональная температуре среды, поступает на микроконтроллер 4, усиливается, преобразуется в цифровой код, пересчитывается в температуру, запоминается и отображается на индикаторе 5. Затем по команде микроконтроллера 4, прерыватель 2 коммутирует источник тока 3 с термоэлектрическим преобразователем 1, по нему начинает протекать ток, охлаждая его согласно зависимости, показанной на фиг.2. Для измерения температуры охлаждаемой поверхности используется этот же термоэлектрический преобразователь 1. Для этого прерыватель 2 по команде микроконтроллера 4 периодически и кратковременно размыкает линию тока, и термоэлектрический преобразователь 1 выдает термоЭДС, пропорциональную температуре собственной поверхности.

Снижение температуры термоэлектрического преобразователя 1 при протекании по нему постоянного тока идет плавно и равномерно, перепад температуры одинаков между каждыми смежными измеренными значениями (Δt₁). Это продолжается до тех пор, пока температура термоэлектрического преобразователя 1 не достигает температуры точки росы. В это время на поверхности термоэлектрического преобразователя 1 происходит конденсация влаги, при этом выделяется энергия (скрытая теплота парообразования ≈2461 Дж/г), температура термоэлектрического преобразователя повышается. Микроконтроллер 4, сравнивая предыдущее и последующее измеренные значения, замечает аномальное изменение перепада (Δt₂) и фиксирует температуру термоэлектрического преобразователя 1, при которой произошла конденсация влаги (температура точки росы). Зная температуру точки росы и температуру среды, измеренную ранее, микроконтроллер 4 рассчитывает относительную влажность воздуха. Индикатор 5 показывает одновременно температуру среды (газа), температуру точки росы, а также относительную влажность воздуха (газа).

Скорость охлаждения термоэлектрического преобразователя 1, за счет силы протекающего тока, выбирают оптимальной. С одной стороны, скорость охлаждения должна быть достаточно высокой, чтобы термоэлектрический преобразователь 1 не успевал нагреваться за счет теплопроводности выводов и конвекционного движения газа у поверхности. С другой стороны, перепад температуры за счет охлаждения между последующим и предыдущим измерениями должен быть не таким большим, чтобы различить и зарегистрировать аномальный скачок температуры при конденсации влаги на фоне равномерного спада температуры. Исходя из этого необходимо изготовить металлические выводы термоэлектрического преобразователя с сечением не более, чем это нужно для протекания максимального охлаждающего тока.

Оптимальность выбора площади конденсационной поверхности заключается в том, что она должна быть минимальной с точки зрения потери холода за счет конвекции, диффузии с окружающей средой, но с другой стороны максимальной, чтобы при конденсации выделилось достаточное количество теплоты (скрытая теплота парообразования), с целью зарегистрировать аномальное изменение перепада температуры при выпадении конденсата, а масса конденсата и соответственно количество выделившегося тепла пропорциональны площади поверхности.

Например, если взять микроконтроллер с максимальной тактовой частотой 1 МГц, то длительность каждого измерения температуры и прерывания тока составляет не более 1 мкс. При этом известно, что полупроводниковые термоэлектрические преобразователи сами по себе малоинерционны, так что их температуру можно снижать со скоростью 10°С/сек и более. Если температурный диапазон принять равным 100°C, то при скорости охлаждения 10°С/сек время охлаждения составляет 10 сек. При частоте измерения температуры 1000 Гц разница температур (градация) между предыдущим и последующим измеренными значениями составит ˜0.01°С. Это очень высокое разрешение. От соотношения размеров (площади) и массы термоэлектрического преобразователя, на котором выпадает конденсат, возможны различные варианты поведения температуры охлаждаемой поверхности:

масса конденсата по сравнению с массой термоэлектрического преобразователя мала, выделившегося количества теплоты недостаточно, перепад температуры из-за конденсации может быть не замечен (обычный перепад между двумя измерениями);

масса конденсата такова, что охлаждение и выделившееся тепло компенсируют друг друга, перепад температуры равен нулю;

масса конденсата и соответственно выделившееся количество тепла таковы, что температура термоэлектрического преобразователя к следующему измерению, наоборот, повышается.

Это позволяет зафиксировать момент выпадения конденсата с высокой точностью. Необходимо отметить, что в последующем, после выпадения конденсата следует его испарение с дополнительным охлаждением поверхности.

Преимущество заявленного способа измерения по сравнению с аналогами и прототипом обеспечивается:

отсутствием промежуточных элементов между холодильником и конденсирующей поверхностью; нет необходимости измерения потока тепла от холодильника к конденсирующей поверхности, что само по себе является трудоемким процессом, приводящим к дополнительной погрешности;

отсутствием промежуточных элементов между измеряемым объектом и измерителем, измерение температуры поверхности конденсации производится этим же термоэлектрическим преобразователем, что повышает точность и быстродействие измерения.

В прототипе регистрируют и определяют температуру точки росы по изменению коэффициента теплоотдачи между газом и конденсационной поверхностью. Но это уже вторичный эффект, первичным является скачок температуры конденсационной поверхности, приводящий к изменению коэффициента теплоотдачи.

Если даже на конденсационной поверхности установить датчик температуры, то, во-первых, необходимо обеспечить надежный тепловой контакт, а во-вторых, нужно некоторое время, чтобы температура датчика стала такой же, как и конденсационной поверхности, то есть возникает инерционность, погрешность измерения.

Изобретение относится к способам измерения влажности, в частности к определению влажности газовых сред по температуре точки росы, и может быть использовано во всех областях народного хозяйства, где имеется потребность в измерениях такого рода. Способ определения температуры точки росы заключается в том, что через термоэлектрический преобразователь пропускают ток, снижая его температуру с постоянной скоростью (элемент Пельтье), при этом периодически измеряют температуру конденсационной поверхности этим же термоэлектрическим преобразователем (элемент Зеебека), кратковременно разрывая линию тока. По изменению перепада между последующим и предыдущим значениями температуры определяют температуру точки росы, а затем и влажность газа. Техническим результатом изобретения является повышение точности и быстродействия измерения. 2 ил.

Способ определения температуры точки росы, заключающийся в том, что температуру охлаждаемой поверхности фиксируют при выпадении конденсата, отличающийся тем, что термоэлектрический преобразователь плавно охлаждают до появления на его поверхности конденсата, пропуская через него ток и используя его в режиме элемента Пельтье, температуру охлаждаемой поверхности термоэлектрического преобразователя измеряют этим же термоэлектрическим преобразователем, используя его в режиме элемента Зеебека, периодически и кратковременно обрывая линию тока, температуру термоэлектрического преобразователя при выпадении конденсата, температуру точки росы фиксируют по аномальному изменению перепада температуры, регистрируемое аномальное изменение перепада температуры при выпадении конденсата обеспечивают выбором оптимального соотношения площади конденсирующей поверхности термоэлектрического преобразователя и его массы.