УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Российский патент 2009 года по МПК G01N25/56 

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 тепловой изоляции трубопроводов и в объеме гермозоны реакторных установок, использующих водяной теплоноситель.

Известно устройство [1], состоящее из блока питания, генератора электромагнитного излучения, усилительно-регистрирующего блока и датчика влажности, выполненного в виде емкостного трансформатора. Первичная пластина емкостного трансформатора является передающей антенной, соединенной с генератором для облучения исследуемого образца, а вторичная пластина является приемной антенной, подключенной к усилительно-регистрирующему блоку. Между первичной и вторичной пластинами размещена нулевая пластина. Пластины датчика размещены в одной плоскости параллельно поверхности анализируемого материала.

Работа устройства основана на принципе регистрации наведенного потенциала двойного электрического слоя частиц, содержащих сорбированную влагу, при воздействии на них электромагнитным излучением ультразвуковой частоты. Величина наведенного потенциала имеет экспериментальную зависимость от содержания влаги.

Недостатком известного устройства является отсутствие технического средства для контроля температуры исследуемого материала, что снижает точность измерений влажности материала и увеличивает погрешность ее определения. Кроме того, техническая реализация устройства препятствует внедрению его на ядерно-энергетических установках, так как в условиях высоких температур и воздействия радиационного излучения электронное оборудование, размещаемое в непосредственной близости от датчика влажности, становится неработоспособным.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для измерения влажности воздуха по патенту РФ [6]. Устройство обеспечивает измерение относительной влажности воздуха путем регистрации изменений электрической емкости сенсора влажности за счет диффузии молекул воды в специальный сорбирующий пленочный конденсатор [2] с учетом температуры воздуха в точке контроля. Реализация контроля температуры воздуха выполняется с помощью резистивного сенсора температуры, размещаемого в непосредственной близости от емкостного сенсора влажности [3, 4, 5]. Резистивный сенсор температуры подключается к электронному преобразователю, работающему на постоянном токе, с помощью трех- или четырехпроводной линии. Согласование емкостного сенсора влажности с сигнальной линией реализуется с помощью согласующего трансформатора, обеспечивая возможность разнести емкостной сенсор влажности, резистивный сенсор температуры с электронными преобразователями на расстояние до 100÷150 м.

К недостаткам известного устройства следует отнести недостаточную чувствительность, так как величина относительной влажности воздуха зависит от параметров согласующего трансформатора, которые в условиях высоких температур и воздействия радиационного излучения могут изменяться в широких пределах, что в свою очередь, увеличивает погрешность измерения относительной влажности воздуха, а также высокую трудоемкость и стоимость устройства за счет использования неоднотипных электронных преобразователей и большого количества проводов сигнальных линий.

Для исключения указанных недостатков, в устройство для измерения влажности воздуха, содержащее емкостной сенсор влажности, резистивный сенсор температуры, генератор переменного напряжения, усилитель переменного напряжения, электронный преобразователь сопротивления резистивного сенсора температуры в напряжение (ток), ко входу которого с помощью сигнальной линии подключен резистивный сенсор температуры, измеритель уровня переменного напряжения, функциональный блок, выход которого подсоединен к регистратору, причем выход генератора переменного напряжения соединен линией с одним из контактов емкостного сенсора влажности, ко второму контакту которого подключена первичная обмотка согласующего трансформатора, второй конец которой соединяется линией с генератором переменного напряжения, а ко вторичной обмотке согласующего трансформатора подключена сигнальная линия, второй конец которой подсоединен к усилителю переменного напряжения, выход усилителя переменного напряжения соединен со входом измерителя уровня переменного напряжения, выход которого соединен с одним из входов функционального блока, второй вход функционального блока подключен к выходу электронного преобразователя сопротивления резистивного сенсора температуры в напряжение (ток), реле, переключающие контакты реле, эталонный конденсатор, эталонное сопротивление, предлагается:

- реле, которое с помощью линии управления реле подсоединить к источнику питания реле;

- первый нормальнозамкнутый контакт реле подсоединить ко второму контакту емкостного сенсора влажности;

- первый нормальноразомкнутый контакт реле подсоединить ко второму контакту эталонного стабильного конденсатора;

- второй нормальнозамкнутый контакт реле подсоединить ко второму контакту резистивного сенсора температуры;

- второй нормальноразомкнутый контакт реле подсоединить ко второму контакту эталонного высокоточного резистора;

- ко второму контакту емкостного сенсора влажности через первый нормальнозамкнутый контакт реле подключить первый контакт низкоомного прецизионного резистора;

- второй контакт низкоомного прецизионного резистора соединить линией подачи переменного напряжения с генератором переменного напряжения;

- к контактам соединения низкоомного прецизионного резистора и емкостного сенсора влажности подключить сигнальную линию;

- второй конец сигнальной линии подсоединить ко входным клеммам усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности;

- величину сопротивления низкоомного прецизионного резистора обеспечить не менее чем в 100÷200 раз меньше модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора влажности и равной волновому сопротивлению сигнальной линии подключения к усилителю переменного напряжения емкостного сенсора влажности;

- выход генератора переменного напряжения соединить линией подачи переменного напряжения с первым контактом емкостного сенсора влажности, с первым контактом эталонного стабильного конденсатора и с первым контактом высокоомного прецизионного резистора;

- второй контакт высокоомного прецизионного резистора соединить с первым контактом резистивного сенсора температуры и первым контактом эталонного высокоточного резистора;

- второй контакт резистивного сенсора температуры через второй нормальнозамкнутый контакт реле соединить линией подачи переменного напряжения с генератором переменного напряжения;

- к контактам соединения высокоомного прецизионного резистора, резистивного сенсора температуры и эталонного высокоточного резистора подключить сигнальную линию;

- второй конец сигнальной линии подсоединить к входным клеммам усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры;

- величину сопротивления резистивного сенсора температуры обеспечить не менее чем в 100-200 раз меньшей сопротивления высокоомного прецизионного резистора и равной волновому сопротивлению сигнальной линии подключения к усилителю переменного напряжения резистивного сенсора температуры;

- выход усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры соединить со входом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры;

- второй вход функционального блока подсоединить к выходу измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры.

В частном случае исполнения устройства предлагается в каналах измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры применять однотипные унифицированные усилители переменного напряжения и измерители уровня выходного сигнала усилителей переменного напряжения.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения: 1 - генератор переменного напряжения; 2 - емкостной сенсор влажности (С_С); 3 - измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности; 4 - измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры; 5 - источник питания реле; 6 - первый нормальнозамкнутый контакт реле; 7 - первый нормальноразомкнутый контакт реле; 8 - линия подачи переменного напряжения; 9 - линия управления реле; 10 - регистратор; 11 - высокоомный прецизионный резистор (Rq₂); 12 - низкоомный прецизионный резистор (Rq₁); 13 - реле; 14 - резистивный сенсор температуры (R_T); 15 - сигнальная линия; 16 - сигнальная линия; 17 - усилитель переменного напряжения емкостного сенсора влажности; 18 - усилитель переменного напряжения резистивного сенсора температуры; 19 - функциональный блок; 20 - эталонный стабильный конденсатор (С_Э); 21 - эталонный высокоточный резистор (R_ТЭ); 22 - второй нормальнозамкнутый контакт реле; 23 - второй нормальноразомкнутый контакт реле.

Устройство для измерения влажности воздуха содержит емкостной сенсор влажности (С_С) 2, резистивный сенсор температуры (R_T) 14, эталонный стабильный конденсатор (С_Э) 20, высокоомный прецизионный резистор (Rq₂) 11, реле 13, первый нормальнозамкнутый контакт реле 6, первый нормальноразомкнутый контакт реле 7, второй нормальнозамкнутый контакт реле 22, второй нормальноразомкнутый контакт реле 23, низкоомный прецизионный резистор (Rq₁) 12, эталонный высокоточный резистор (R_ТЭ) 21, генератор переменного напряжения 1, линию подачи переменного напряжения 8.

Выход генератора переменного напряжения 1 соединен линией подачи переменного напряжения 8 с первым контактом емкостного сенсора влажности 2, с первым контактом эталонного стабильного конденсатора 20 и с первым контактом высокоомного прецизионного резистора 11. Ко второму контакту емкостного сенсора влажности 2 через первый нормальнозамкнутый контакт реле 6 подключен низкоомный прецизионный резистор 12. Второй контакт низкоомного прецизионного резистора 12 соединен линией подачи переменного напряжения 8 с генератором переменного напряжения 1. Первый нормальноразомкнутый контакт реле 7 подсоединен ко второму контакту эталонного стабильного конденсатора 20. Второй контакт высокоомного прецизионного резистора 11 соединен с первым контактом резистивного сенсора температуры 14 и первым контактом эталонного высокоточного резистора 21. Второй контакт резистивного сенсора температуры 14 через второй нормальнозамкнутый контакт реле 22 соединен линией подачи переменного напряжения 8 с генератором переменного напряжения 1. Второй нормальноразомкнутый контакт реле 23 подсоединен ко второму контакту эталонного высокоточного резистора 21.

Емкостной сенсор влажности (С_С) 2 используется для измерения относительной влажности воздуха (φ). Изменение электрической емкости емкостного сенсора влажности составляет ~30% от исходной величины при изменении относительной влажности от 0 до 100%.

Резистивный сенсор температуры 14 используется для измерения температуры воздуха (Т). В качестве резистивного сенсора температуры 14 используется термопреобразователь сопротивления. Изменение величины сопротивления резистивного сенсора температуры составляет ~40% от исходной величины при изменении температуры от 0 до 100°С.

Генератор переменного напряжения 1 предназначен для питания емкостного сенсора влажности 2 и резистивного сенсора температуры 14. Генератор переменного напряжения 1 вырабатывает гармоническое переменное напряжение с частотой f и амплитудой Uг. Частота f выбирается из условия 1/2πfС_С<<Ra, где С_С - емкость емкостного сенсора влажности 2 (пФ); Ra - активное сопротивление (сопротивление изоляции) емкостного сенсора влажности 2 (Ом). Частота f выбирается в диапазоне от 16 до 50 кГц.

Эталонный высокоточный резистор (R_ТЭ) 21 используется в режиме проверки работоспособности канала измерения резистивного сенсора температуры 14. Величина эталонного высокоточного резистора (R_ТЭ) 21 выбирается равной величине сопротивления резистивного сенсора температуры 14 при любой заданной температуре (Т_зад, °С).

Эталонный стабильный конденсатор (С_Э) 20 используется в режиме проверки работоспособности канала измерения емкостного сенсора влажности 2. Величина эталонного стабильного конденсатора (С_Э) 20 выбирается исходя из заданного значения (Т_зад, °С) и заданного значения относительной влажности (φ_зад, %), рассчитываемой по формуле (1).

Низкоомный прецизионный резистор (Rq₁) 12 предназначен для формирования переменного напряжения в канале измерения емкостного сенсора влажности 2, пропорционального величине емкости емкостного сенсора влажности 2. Сопротивление низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12 выбирается из условия Rq₁<|X_C|, где |Х_С|=1/2πfC_C - модуль комплексного сопротивления емкостного сенсора влажности 2. Переменное напряжение Uг на выходе генератора переменного напряжения 1 создает в электрической цепи, составленной из емкостного сенсора влажности 2 и низкоомного прецизионного резистора 12, ток I_C, равный I_С=Uг/(Х_С+Rq₁). С учетом требуемой точности измерений (0,5÷1,0%) величина сопротивления низкоомного прецизионного резистора 12 должна быть не менее чем в 100÷200 раз меньше модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора влажности 2, и ток I_C определяется выражением I_С=Uг/Х_С. Выходное переменное напряжение канала измерения емкостного сенсора влажности, равное падению напряжения на сопротивлении низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12, определяется выражением U_С=I_C·Rq₁=Uг·Rq₁·j2πfC_C и линейно связано с измеряемым параметром - емкостью емкостного сенсора влажности 2.

Высокоомный прецизионный резистор (Rq₂) 11 предназначен для формирования переменного напряжения в канале измерения резистивного сенсора температуры, пропорционального величине сопротивления резистивного сенсора температуры 14. Сопротивление высокоомного прецизионного резистора (Rq₂) 11 выбирается из условия Rq₂>R_Т, где R_Т - величина сопротивления резистивного сенсора температуры 14. Переменное напряжение Uг на выходе генератора переменного напряжения 1 создает в электрической цепи, составленной из высокоомного прецизионного резистора 11 и резистивного сенсора температуры 14, ток I_T, равный I_T=Uг/(Rq₂+R_T). С учетом требуемой точности измерений (0,5÷1,0%) величина сопротивления высокоомного прецизионного резистора 11 должна быть не менее чем в 100÷200 раз больше сопротивления резистивного сенсора температуры 14, и ток I_T определяется выражением I_T=Uг/Rq₂. Выходное переменное напряжение канала измерения резистивного сенсора температуры 14, равное падению напряжения на сопротивлении резистивного сенсора температуры (R_T) 14, определяется выражением U_T=I_T·R_T=Uг·R_T/Rq₂ и линейно связано с измеряемым параметром - сопротивлением резистивного сенсора температуры 14.

Реле 13 обеспечивает подключение эталонного стабильного конденсатора (С_Э) 20 и эталонного высокоточного резистора (R_ТЭ) 21 в цепи измерения емкости емкостного сенсора влажности 2 и сопротивления резистивного сенсора температуры 14, соответственно, в режиме проверки работоспособности.

Первый нормальнозамкнутый контакт реле 6 обеспечивает соединение второго контакта емкостного сенсора влажности 2 и низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12 канала измерения емкостного сенсора влажности 2.

Второй нормальнозамкнутый контакт реле 22 обеспечивает соединение второго контакта резистивного сенсора температуры (R_T) 14 по линии подачи переменного напряжения 8 с генератором переменного напряжения 1 канала измерения резистивного сенсора температуры (R_Т) 14.

Первый нормальноразомкнутый контакт реле 7 обеспечивает соединение второго контакта эталонного стабильного конденсатора (С_Э) 20 с низкоомным прецизионным резистором (Rq₁) 12 в режиме проверки работоспособности канала измерения емкостного сенсора влажности 2.

Второй нормальноразомкнутый контакт реле 23 обеспечивает соединение второго контакта эталонного высокоточного резистора (R_ТЭ) 21 по линии подачи переменного напряжения 8 с генератором переменного напряжения 1 в режиме проверки работоспособности канала измерения резистивного сенсора температуры (R_T) 14.

Линия подачи переменного напряжения 8 обеспечивает подачу переменного напряжения с частотой f и амплитудой Uг с выхода генератора переменного напряжения 1 в цепи канала измерения емкостного сенсора влажности и канала измерения резистивного сенсора температуры. Тип линии подачи переменного напряжения 8 (кабель с волновым сопротивлением ρ_л=50 Ом) выбирается из условий передачи без потерь напряжения переменного напряжения с частотой f и амплитудой Uг с выхода генератора переменного напряжения 1 и оптимизации типов сигнальных линий устройства.

Устройство для измерения влажности воздуха также содержит измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3, измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4, источник питания реле 5, линию управления реле 9, регистратор 10, сигнальную линию 15, сигнальную линию 16, усилитель переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17, усилитель переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18, функциональный блок 19.

Реле 13 с помощью линии управления реле 9 соединено с источником питания реле 5. К контактам соединения низкоомного прецизионного резистора 12 и емкостного сенсора влажности 2 подключена сигнальная линия 15. Второй конец сигнальной линии 15 подсоединен ко входным клеммам усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17. К контактам соединения высокоомного прецизионного резистора 11, резистивного сенсора температуры 14 и эталонного высокоточного резистора 21 подключена сигнальная линия 16. Второй конец сигнальной линии 16 подсоединен ко входным клеммам усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18. Выход усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 соединен со входом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3. Выход усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18 соединен со входом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4. Выход измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3 соединен с одним из входов функционального блока 19. Второй вход функционального блока 19 соединен с выходом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4. Выход функционального блока 19 подсоединен к регистратору 10.

Источник питания реле 5 формирует напряжение для срабатывания реле 13.

Линия управления реле 9 обеспечивает подачу напряжения на реле 13 от источника питания реле 5. Тип линии управления реле 9 - двухпроводный кабель типа "витая пара".

Усилитель переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 формирует на выходе переменное напряжение. Величина переменного напряжения на выходе усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 пропорциональна величине емкости емкостного сенсора влажности 2.

Усилитель переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18 формирует на выходе переменное напряжение. Величина переменного напряжения на выходе усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18 пропорциональна величине сопротивления резистивного сенсора температуры 14.

Измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3 формирует на выходе постоянное напряжение. Величина постоянного напряжения на выходе измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3 пропорциональна величине емкости емкостного сенсора влажности 2.

Измеритель уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4 формирует на выходе постоянное напряжение. Величина постоянного напряжения на выходе измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4 пропорциональна величине сопротивления резистивного сенсора температуры 14.

Функциональный блок 19 предназначен для коррекции показаний относительной влажности φ с учетом температуры воздуха Т. Функциональный блок 19 выполняет операцию вычисления относительной влажности φ, решая уравнение вида:

где F - известная функция связи между емкостью С_С емкостного сенсора влажности 2, температурой воздуха Т и относительной влажностью воздуха φ.

Регистратор 10 фиксирует величину относительной влажности воздуха φ.

Сигнальная линия 15 обеспечивает подачу выходного переменного напряжения U_C канала измерения емкостного сенсора влажности, равное падению напряжения на сопротивлении низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12, ко входным клеммам усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17. Тип сигнальной линии 15 (кабель с волновым сопротивлением ρ_л=50 Ом) выбирается из условий передачи без потерь переменного напряжения U_C. При подсоединении сигнальной линии 15 параллельно сопротивлению низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12 подключается комплексное сопротивление сигнальной линии 15. Условием передачи без потерь переменного напряжения U_C является согласование импеданса сигнальной линии 15, входного сопротивления усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 и сопротивления низкоомного прецизионного резистора (Rq₁) 12. В общем случае затухание сигнальной линии 15 a_p с несогласованными параметрами определяется формулами [7]:

где U_вых, U_вх - напряжения на выходе и входе сигнальной линии 15, соответственно, В;

z₀ - комплексное сопротивление источника сигнала (в нашем случае z₀=Rq₁ для канала измерения емкостного сенсора влажности), Ом;

z_B - комплексное входное сопротивление усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17, Ом;

z_l - комплексное (волновое) сопротивление кабеля, Ом;

l - длина кабеля, м;

α - коэффициент затухания в кабеле, определяемый выражением

где R - погонное сопротивление кабеля, Ом/м;

L - погонная индуктивность кабеля, Гн/м;

С - погонная емкость кабеля, Ф/м;

G - погонная проводимость изоляции, 1/Ом·м;

γ - коэффициент распространения кабеля, определяемый выражением:

Параметры R, L, С, G являются функциями частоты [7]. Как видно из (3), при согласовании параметров, т.е. при выполнении равенства

затухание в линии α_p определяется выражением:

Величина а, как правило, незначительна для частотного диапазона до 100 кГц. Например, коаксиальный радиочастотный кабель типа РК-50-24-15 на частоте f=100 кГц имеет коэффициент затухания При длине сигнальной линии 200 м отношение модулей напряжений на входе и выходе сигнальной линии 15 составит:

Для случая (8) величина потерь (3%) будет постоянной и легко учитываемой в общем коэффициенте преобразования. Условие (8) строго может быть выполнено для канала измерения емкостного сенсора влажности, поскольку сопротивление Rq₁ постоянно и выбрано равным волновому сопротивлению кабеля сигнальной линии 15. Таким образом, выходное переменное напряжение U_C канала измерения емкостного сенсора влажности, равное падению напряжения на сопротивлении Rq₁, переданное по сигнальной линии 15 на вход усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17, линейно связано с измеряемым параметром - емкостью емкостного сенсора влажности 2.

Сигнальная линия 16 обеспечивает подачу выходного переменного напряжения U_T канала измерения резистивного сенсора температуры, равное падению напряжения на сопротивлении резистивного сенсора температуры (R_T) 14, ко входным клеммам усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18. Тип сигнальной линии 16 (кабель с волновым сопротивлением ρ_л=50 Ом) выбирается из условий передачи без потерь переменного напряжения U_T. При подсоединении сигнальной линии 16 параллельно сопротивлению резистивного сенсора температуры (R_T) 14 подключается комплексное сопротивление сигнальной линии 16. Условием передачи без потерь переменного напряжения U_T является согласование импеданса сигнальной линии 16, входного сопротивления усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18 и сопротивления резистивного сенсора температуры (R_T) 14. В общем случае затухание сигнальной линии 16 a_p с несогласованными параметрами [7] определяется формулами (2)÷(7), в которых для канала измерения резистивного сенсора температуры (R_T) 14:

z₀ - комплексное сопротивление источника сигнала (в нашем случае z₀=R_T для канала измерения резистивного сенсора температуры), Ом;

z_B - комплексное входное сопротивление усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18, Ом;

z_l - комплексное (волновое) сопротивление кабеля, Ом.

Для канала измерения резистивного сенсора температуры величина сопротивления R_Т будет изменяться с изменением температуры. Поэтому точного согласования его с волновым сопротивлением сигнальной линии 16 во всем диапазоне изменений температуры не может быть выполнено. Оценим, к каким дополнительным погрешностям это приведет.

Пусть величина R_Т зависит от температуры по закону:

где R₀ - значение сопротивления резистивного сенсора температуры (R_T) 14 (термопреобразователя сопротивления) при температуре Т₀, Ом;

β - температурный коэффициент резистивного сенсора температуры (R_T) 14 (термопреобразователя сопротивления), 1/Ом·°С.

Пусть диапазон изменения температуры ΔТ=Т_max-Т₀ составляет ΔТ=100°С. Тогда максимальная величина сопротивления резистивного сенсора температуры (R_T) 14 (термопреобразователя сопротивления) составит: R^max _T=1.4R₀ при β≅4·10^-3 Oм^-1·°C^-l (платиновый термопреобразователь сопротивления).

Выбираем величину R₀ равной волновому сопротивлению сигнальной линии 16

Как следует из формулы (9), вследствие изменения сопротивления R_Т произойдет рассогласование сигнальной линии 16 с выходным сопротивлением источника сигнала, что приведет к дополнительному увеличению затухания на величину

В формуле (11) обозначены: z₀=R_T; z_В=z_l=ρ_л.

Оценим максимальную величину второго члена (11) при R_T=R^мах _Т. Очевидно она будет равна:

.

Полное максимальное затухание в сигнальной линии 16 при длине 200 м составит .

При этом отношение выходного напряжения сигнальной линии 16 к входному напряжению сигнальной линии 16 уменьшится до величины

Это приводит к максимальной не учитываемой погрешности измерения сопротивления резистивного сенсора температуры (R_T) 14 (термопреобразователя сопротивления) ≈1%, что вполне допустимо при проведении измерений параметров влажности воздуха. Таким образом, выходное переменное напряжение U_T канала измерения резистивного сенсора температуры, равное падению напряжения на сопротивлении R_Т, переданное по сигнальной линии 16 на вход усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18, линейно связано с измеряемым параметром - сопротивлением резистивного сенсора температуры (R_T) 14.

Далее в частном случае в каналах измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры используются однотипные унифицированные усилители переменного напряжения и измерители уровня выходного сигнала усилителей переменного напряжения.

Отметим достоинства устройства:

Как видно из схемы устройства (см. чертеж), для подсоединения емкостного сенсора влажности 2 к усилителю переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 и резистивного сенсора температуры 14 к усилителю переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18 необходимы три экранированные сигнальные линии 8, 15, 16 и одна двухпроводная линия для включения реле 9. При этом съем сигнала с резистивного сенсора температуры 14 (термопреобразователя сопротивления) эквивалентен способу съема с применением четырехпроводной линии.

Измерения параметров емкостного сенсора влажности 2 и резистивного сенсора температуры 14 выполняются в устройстве на переменном токе одной частоты. Это позволяет применять однотипные усилители и измерители уровня напряжения в каналах измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры.

Согласование импедансов сигнальных линий 15, 16 каналов измерений емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры, входного сопротивления усилителей переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 и резистивного сенсора температуры 18, величины сопротивления низкоомного прецизионного резистора 12 в цепи емкостного сенсора влажности 2 и величины сопротивления резистивного сенсора температуры 14 позволяет разнести сенсоры влажности и температуры (работоспособные в условиях высоких температур и воздействия радиационного излучения) на расстояние до 100-200 м от электронных преобразователей сигналов (неработоспособных в условиях высоких температур и воздействия радиационного излучения) и размещаемые в зонах обслуживаемых помещений с низким радиационным фоном и нормальными климатическими условиями, что обеспечивает возможность использования устройства на ядерно-энергетических установках.

Устройство обеспечивает функции дистанционной проверки работоспособности каналов измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания на устройство генератор переменного напряжения 1 формирует в цепи емкостного сенсора влажности 2 на низкоомном прецизионном резисторе 12 переменное напряжение, пропорциональное величине емкости емкостного сенсора влажности 2, а в цепи резистивного сенсора температуры 14 - переменное напряжение, равное падению напряжения на резистивном сенсоре температуры 14, пропорциональное величине сопротивления резистивного сенсора температуры 14. Сигналы переменного напряжения каналов измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры усиливаются в усилителе переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17 и усилителе переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18, детектируются в измерителе уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3 и измерителе уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4 и в виде напряжения постоянного тока поступают на функциональный блок 19, в котором производится вычисление величины относительной влажности воздуха с учетом температуры воздуха в точке контроля. Величина относительной влажности воздуха фиксируется в регистраторе 10.

Режим проверки работоспособности осуществляется подачей напряжения на реле 13 от источника питания реле 5 по линии управления реле 9 двумя способами: автоматически - два раза в сутки, а также оперативно - в ручном режиме. При срабатывании реле 13 первый и второй нормальнозамкнутые контакты реле 6, 22 переключаются в положение первого и второго нормальноразомкнутых контактов реле 7, 23, соответственно. При этом в канале измерения емкостного сенсора влажности подключается эталонный стабильный конденсатор 20, а в канале измерения резистивного сенсора температуры подключается эталонный высокоточный резистор 21. Используя известные зависимости для относительной влажности воздуха и температуры, с требуемой точностью контролируются значения φ_зад, % и Т_зад, °С и, таким образом, производится оценка исправности как каналов измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры в отдельности, так и устройства в целом.

Пример конкретного исполнения устройства.

Устройство для измерения влажности воздуха реализовано в приборе ИВТВ-2. Устройство состоит из датчика и блока усилителей-преобразователей (БУП). В корпусе датчика, выполненном из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, размещены (см. чертеж) емкостной сенсор влажности (С_С) 2 типа НС1000 с диапазоном изменения емкости от 397 до 520 пФ при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 100%, соответственно, реле типа РЭК80, высокоомный прецизионный резистор 11 типа С2-29в-0,125 (Rq₂=20 кОм), низкоомный прецизионный резистор 12 типа С2-29в-0,125 (Rq₁=49,9 Ом), резистивный сенсор температуры 14 типа 50П (R_т) с диапазоном изменения сопротивления от 50 до 70 Ом при изменении температуры воздуха от 0 до 100°С, соответственно, эталонный высокоточный резистор 21 типа С2-29в-0,125 (R_ТЭ=54,9 Ом - соответствует Т_зад=25°С), эталонный стабильный конденсатор (С_Э) 20 типа К 10-73-1б (С_Э=510 пФ соответствует - φ_зад=85% при Т_зад=25°С). Габаритные размеры датчика: ⌀ 50×160 мм. Масса датчика не превышает 1,0 кг.

Блок усилителей-преобразователей состоит из генератора переменного напряжения 1 (переменное напряжение с частотой f=16 кГц и амплитудой Uг=1,0 В), измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 3, измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 4, источника питания реле 5 типа PSM112, регистратора 10 на базе одноплатного компьютера Athena в стандарте PC-104, усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности 17, усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры 18, функционального блока 19. Габаритные размеры БУП: 300×153×370 мм. Масса БУП не превышает 8,0 кг. Датчик соединен с БУП с помощью линии подачи переменного напряжения 8, линии управления реле 9, сигнальной линии (канала измерения емкостного сенсора влажности) 15 и сигнальной линии (канала измерения резистивного сенсора температуры) 16.

Питание устройства осуществляется от сети переменного тока с напряжением (220+22, 220-33) В, частотой (50±1) Гц. Потребляемая мощность не превышает 50 Вт.

Технический результат состоит в повышении точности измерения влажности воздуха.

Источники информации

1. Патент на изобретение РФ №2078335 от 27 апреля 1997 г. «Способ измерения влажности материалов и устройство для его осуществления», Труфанов В.Н.; Поляков Б.С.; Гамов М.И.; Шамитько Г.И.; Славгородский Н.И.; Труфанов А.В.; Ярделевский И.Б.

2. Виглеб Г. Датчики. - М.: 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 Росс, 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.

6. Патент на изобретение РФ №2184369 от 27 июня 2002 г. «Устройство для измерения влажности воздуха», Морозов С.А., Ковтун С.Н., Окладников В.М.

7. Белоруссов Н.И., Гроднев И.И. Радиочастотные кабели. - М.: Энергия, 1973 г.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения влажности воздуха содержит емкостной сенсор влажности (2), резистивный сенсор температуры (14), эталонный стабильный конденсатор (20), высокоомный прецизионный резистор (11), реле (13), первый и второй нормальнозамкнутые контакты реле (6, 22), первый и второй нормальноразомкнутые контакты реле (7, 23), низкоомный прецизионный резистор (12), эталонный высокоточный резистор (21), генератор переменного напряжения (1), линию подачи переменного напряжения (8), измерители уровня выходного сигнала усилителей переменного напряжения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры (3, 4), источник питания реле (5), линию управления реле (9), регистратор (10), сигнальные линии (15, 16), усилители переменного напряжения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры (17, 18), функциональный блок (19). Технический результат состоит в повышении точности измерения влажности воздуха. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения влажности воздуха, включающее емкостной сенсор влажности, резистивный сенсор температуры, генератор переменного напряжения, функциональный блок, реле, причем выход функционального блока подсоединен к регистратору, отличающееся тем, что реле с помощью линии управления подсоединено к источнику питания реле, выход генератора переменного напряжения соединен линией подачи переменного напряжения с первым контактом емкостного сенсора влажности, с первым контактом эталонного стабильного конденсатора и с первым контактом высокоомного прецизионного резистора, ко второму контакту емкостного сенсора влажности через первый нормально замкнутый контакт реле подключен низкоомный прецизионный резистор, соединенный линией подачи переменного напряжения с генератором переменного напряжения, ко второму контакту эталонного стабильного конденсатора подсоединен первый нормально разомкнутый контакт реле, второй контакт высокоомного прецизионного резистора соединен с первым контактом резистивного сенсора температуры и первым контактом эталонного высокоточного резистора, второй контакт резистивного сенсора температуры через второй нормально замкнутый контакт реле соединен линией подачи переменного напряжения с генератором переменного напряжения, ко второму контакту эталонного высокоточного резистора подсоединен второй нормально разомкнутый контакт реле, к контактам соединения емкостного сенсора влажности и низкоомного прецизионного резистора подключена сигнальная линия, второй конец которой подсоединен ко входным клеммам усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности, причем величина сопротивления низкоомного прецизионного резистора не менее чем в 100÷200 раз меньше модуля комплексного сопротивления емкостного сенсора влажности и равна волновому сопротивлению указанной сигнальной линии, подсоединенной ко входным клеммам усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности, к контактам соединения высокоомного прецизионного резистора, резистивного сенсора температуры и эталонного высокоточного резистора подключена сигнальная линия, второй конец которой подсоединен ко входным клеммам усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры, причем величина сопротивления резистивного сенсора температуры не менее чем в 100÷200 раз меньше сопротивления высокоомного прецизионного резистора и равна волновому сопротивлению сигнальной линии, подсоединенной ко входным клеммам усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры, выход усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности соединен со входом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности, выход усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры соединен со входом измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры, выход измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения емкостного сенсора влажности соединен с одним из входов функционального блока, а второй вход функционального блока подсоединен к выходу измерителя уровня выходного сигнала усилителя переменного напряжения резистивного сенсора температуры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каналах измерения емкостного сенсора влажности и резистивного сенсора температуры применяются однотипные унифицированные усилители переменного напряжения и измерители уровня выходного сигнала усилителей переменного напряжения.