Конденсационный гигрометр Советский патент 1985 года по МПК G01N25/68 

1 Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быт использовано для определения влажно ти воздуха по точке росы в различных условиях зксплуатации. Известно устройство, содержащее измерительное зеркало, холодильник для его охлаждения, датчики темпера туры точки росы и температуры среды вентилятор, осветитель и светочувст вительный злемент, причем вентилято размещен между осветителем и светочувствительным элементом Cl 1Недостатком данного устройства является низкая надежность работы, обусловленная тем, что для срабатывания устройства капли на зеркале должны достичь достаточно большой величины, чтобы вызвать рассеивание падающего на него светового потока. Кроме того, вследствие неоднородностей условий обтекания зе-ркапа воздушным потоком и неравномерного охлазкдения зеркала возникает разброс моментов срабатывания автоматической системы охлаждения зеркала Все зто, а также зависимость показа ний устройства от температуры среды приводит к неустойчивой работе устройства, необходимости длительной е юстировки и вывода на режим, что в свою очередь снижает готовность устройства и сопряжено с значительны ми трудозатратами и непроизводитель ным расходом злектрознергии и газа. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ко денсационный гигрометр, содержащий камеру, в которой установлены зерка ло, оптическая система регистрации достижения момента образования росы с осветителем и приемником света, термобатарея с регистратором темпер туры точки росы 2 }. Целью изобретения является повышение надежности и быстродействия гигрометра. Указанная цель достигается тем, что в конденсационном гигрометре, содержащем камеру, в которой установ лены зеркало, оптическая система регистрации достижения момента образования росы с осветителем и преем ником света, термобатарея с регистратором температуры точки росы, с зазором к поверхности зеркала установлена находящаяся в тепловом контакте с термобатареей и выполненная 8 из теплопроводящего материала съемная сетка, размер ячеек которой определяется соотношением где г - радиус ячейки} d - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; f - плотность жидкостиJ g - ускорение силы тяжести; а - расстояние от источника света до сетки; - расстояние от сетки до зеркала-, Л - значение длины волны используемого источника света. На чертеже изображен конденсационный гигрометр. Предлагаемый гигрометр содержит камеру 1 в виде цилиндра с укреплен-: ными в ней двигателем 2 с вентилятором 3. Передняя часть камеры разделена термоизоляционной перегородкой 4 на две части. В верхней части крепится радиатор 5 термобатареи 6, которая в нижней части камеры снабжена измерительным зеркалом 7 и регистратором 8 температуры точки росы. Оптическая система регистрации достижения момента образования росы включает приемник света - фотодиод 9, призму 10 и осветитель 11. Термосопротивление 12 служит для регистрации температуры исследуемого потока. С зазором к поверхности зеркала 7 установлена вьшолненная из теплопроводящего материала мелкоячеистая съемная сетка 13. Сетка находится в тепловом контакте с термобатареей 6. Размер ячеек сетки определяется соотношениемУстройство работает следующим образом. Вращающаяся многолопастная крыльчатка вентилятора 3 протягивает поток контролируемого воздуха через обе секции камеры 1. Данным потоком в верхней части охлаждается термобатарея 6. Луч света от осветителя 11 через-призму 10 попадает на зеркало через сетку 13 и отражается на фотодиод 9. При отсутствии конденсата в ячейках сетки фотодиод открывается и через соответствующую схему включает питание термобатареи. Зеркало 7 с сеткой 13 начинает охлаждаться, и при достижении температуры точки росы в ячейках сети появляются капли конденсата, образующие линзы, рассеивающие луч света. При достижег НИИ точки росы питание термобатареи 6 выключается, крнденсат испаряется с ячеек сетки 13 и цикл повторяется Мелкоячеистая сетка, устанавливаемая на зеркало, позволяет при достижении точки росы образовывать большое количество малых жидких линз рядом с поверхностью зеркала, что существенно увеличивает рассеиваемость светового потока конденсатом. Диаметр этих жидких линз равен диамет ру отверстий сетки 13. При выпадении росы в ячейке сетки 13 за счет сил поверхностного натяже ния будет накапливаться влага, первоначально принимающая форму пленки По мере накопления влаги пленка буде утолщаться и под действием сипы тяжести примет форму линзы. В предельном случае радиус кривизны этой линзы равен радиусу ячейки. Если поверхность жидкости ограничена периметром смачивания, то величина коэффициента поверхностного натяжения равна силе, действукицей на единицу длины периметра смачивания и направленной нормально к ней, т.е. 2Тг где г - приведенньй радиус ячейки; - коэффициент поверхностного натяжения , F - сила поверхностного натяжения. Жидкая линза будет удерживаться в ячейке до тех пор, пока вес заключенной в ней жидкости не преодолеет силу поверхностного натяжения. Так как в пределе линза имеет форму « шара, масса образующей ее жидкости, .определяется по формуле G -j JT гз Я g где у - плотность жидкости, g ускорение силы тяжести. Приравнивая формулы (1) и (2), получаем соотношение для определения радиуса ячейки сетки Д 38 Для воды в широком диапазоне температур получим .5 1,3 0,345 см. 981 Следовательно, максимальный радиус ячейки сетки должен быть не более 0,345 см. Поскольку в начальный момент выпадения росы в ячейке сетки образуется тонкая пленка которая за счет сил поверхностного натяжения имеет форму двояковогнутой линзы, то при соизмеримости толпщны пленки с половиной длины волны л/2 света источника она за счет итерференции станет светонепроницаемой. При этом засветка приемника 9 прекращается, что приводит к выключению термобатареи 6 и фиксации точки росы. Таким образом, толпщна пленки, равная /2, может считаться оптимальной по точности для предлагаемого устройства. Интенсивность засветки зеркала за ячейкой будет.максимальна, если она открьшает первую зону Френеля (зону засветки), определяемую по формуле где а - расстояние от источника света до сетки} I - расстояние от сетки до зерm - номер зоны Френеля. При а 1500 мм, 2 мм, m 1, 600 Нм. г.,,о4 Объединяя формулы (3) и (4), получим выражение для выбора размера ячейки сетки: tr Сетка при этом может быть выполнена из тонкой проволоки или металлической фольги толщиной 0,01 мм из гидрофильного материала. Резкое увеличение рассеиваемости светового потока конденсатом при образовании линз на сетке позволяет значительно снизить инерционность устройства, повысить его точность. Возникающее при этом уменьшение интенсивности светового потока от всей поверхности зеркала позволяет исключить случаи ложного срабатьгоания прибора, тем самым повысить достоверность отсчета точки росы.

В известном устройстве зеркало выполняет две функции - отражает световой поток и является местом конденсации влаги. Указанное совмещение обуславливает наличие недостаков, присущих известному устройству

В предлагаемом устройстве эти функции разделены, зеркало по-прежнему предназначено для отражения светового потока, а для конденсации влаги введен новый элемент - сетка, находящаяся в тепловом контакте с термообработкой. Обтекание сетки потоком газа становится более равномерным и улучшаются условия теплообмена между потоком газа и сеткой.

Кроме того, небольшая масса сетки значительно ускоряет ее теплообмен как между потоком газа, -так и термобатареей, что снижает тепловую инерцию устройства. В этих условиях возникает необходимость охлаждать лишь сетку, имеющую небольшую

массу, что сокращает время замера, повышает оперативность контроля за счет снижения тепловой инерции прибора. С другой стороны, при заполнении ячеек сетки пленкой влаги, когда толщина последней достигает поло вины длины волны источника света, сетка за счет интерференции становится полностью непроницаемой и практически полностью перекрывает световой поток, падающий на зеркало, что также снижает инерционность работы устройства и повышает надежность его функционирования.

Возможность съема сетки позволяет использовать прибор для грубых и точных замеров в различных условиях эксплуатации, что говорит о расширении области применения прибора, а также увеличивает надежность прибора.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить надежность измерений влажности, что в свою очередь повысит эффективность контроля за состоянием атмосферы, и производительность труда обслуживающего персонала.

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ГИГРОМЕТР, содержащий камеру, в которой установлены зеркало, оптическая система регистрации достижения момента образования росы с осветителем и приемником света, термобатарея с регистратором температуры точки росы,,о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повьше-. ния надежности и быстродействия гигрометра, с зазором к поверхности зеркала установлена находящаяся в тепловом контакте.с термобатареей и выполненная из теплопроводящего материала съемная сетка, размер ячеек которой определяется соотношением { JALA 9i -А i г р«с и4-е где г - приведенный радиус ячейки-, d - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; р - плотность жидкости; g - ускорение силы тяжести; а - расстояние от источника света до сетки; Е - расстояние от сетки до зеркала; Л - значение длины волны используемого источника света.