Влагомер Советский патент 1992 года по МПК G01N21/81 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для измерения влажности газов, например, метанового топлива.

Известен гигрометр точки росы, содержащий двухволновый осветитель, фотоприемник, элемент многократно наружного полного внутреннего отражения (МНПВО), датчик температуры, охладитель, синхронизатор, триггер, коммутатор, индикатор, блок питания. Функционирование гигрометра основано на том, что при достижении температуры поверхности элемента МНПВО значения, равного значению температуры точки росы, на нем выпадает конденсат и изменяется соотношение световых потоков,

прошедших через элемент МНПВО на двух длинах волн, соответствующих опорному и считывающему лучу, а влажность газов определяется расчетным путем или графически по температуре точки росы, измеренной датчиком температуры на поверхности элемента МНПВО.

К недостаткам данного гигрометра следует отнести снижение достоверности и точности определения влагосодержания газов, имеющих сильные полосы поглощения на .характеристических линиях поглощения молекул воды, а также повышенные требования к чистоте поверхности элемента .МНПВО для избежания паразитного поглощения излучения опорного и считывающего лучей загрязнениями, что трудно достижи00

о о

N

мо при эксплуатации гидрометра в условиях промышленного пользования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является влагомер, содержащий источник излучения, плоское отражающее зеркало, систему охлаждения, сферическое зеркало, диафрагму, рабочий приемник излучения, контрольный приемник излучения и измерительную схему. Влагомер функциониру- ет следующим образом. В рабочем состоянии при одинаковой освещенности рабочего и контрольного приемников выходное напряжение усилителя измерительной схемы устанавливается равным нулю. С помощью системы охлаждения плоское отражающее зеркало охлаждается до выпадения на нем росы, при этом появляется разбаланс входных токов усилителя измерительной схемы. В этот мо- мент измеряется температура плоского отражающего зеркала. Влажность газовой среды определяется с помощью психрометрических таблиц по температуре точки росы. Сферическое зеркало введено в уст- ройство специально для снижения попадания рассеянного росой света на рабочий приемник.

Данный влагомер имеет существенный недостаток, связанный с низкой его чувст- вительностью к началу момента конденсации влаги, так как заметное изменение интенсивности отраженных лучей от плоского зеркала наблюдается при значительном выпадении влаги на плоском зеркале, что требует сравнительно длительного процесса конденсации и приводит к снижению точности измерения значения температуры точки росы вследствие изменения условий конденсации паров воды из газа на поверх- ность охлажденного плоского зеркала при нарастании слоя конденсата, а это, в свою очередь, приводит к увеличению погрешности определения влажности и трудностям контроля малоувлажненных газов. Кроме того, он не способен производить автоматический контроль влагосодержания газов.

Целью изобретения является повышение чувствительности, точности измерений и их автоматизация.

Цель достигается тем, что во влагомер, содержащий излучатель, два фотоприемника, зеркало, термодатчик, холодильник с подключенным к нему блоком питания, введены управляемый блок питания, нагрева- тель, модулятор, два резонансных усилителя, два амплитудных детектора, компаратор, три объектива, блок регистрации и индикации, причем первый объектив установлен между излучателем и зеркалом,

второй объектив установлен перед фотоприемником по ходу лучей, рассеянных от зеркала и падающих на первый фотоприемник, третий объектив установлен перед вторым фотоприемником по ходу лучей, отраженных от зеркала и падающих на второй фотоприемник, выход первого фотоприемника подключен к входу первого резонансного усилителя, выход второго фотоприемника подключен ко входу второго резонансного усилителя, выход первого резонансного усилителя подключен к входу первого амплитудного детектора, выход второго резонансного усилителя подключен к входу второго амплитудного детектора, выход первого амплитудного детектора подключен к первому входу компаратора, выход второго амплитудного детектора подключен ко второму входу компаратора, выход компаратора подключен к первому входу блока регистрации и индикации и к входу управляемого блока питания, вход которого подключен к входу нагревателя, установленного между зеркалом и холодильником в тепловом контакте с ними, выход блока питания подключен к входу холодильника, выход термодатчика подключен ко второму выходу блока регистрации и индикации, причем термодатчик установлен в тепловом контакте с поверхностью зеркала, оптически связанной с излучателем, вход которого подключен к выходу модулятора.

На фиг.1 представлена функциональная оптико-электрическая схема влагомера; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы сигналов с датчиков отраженного и рассеянного излучения.

Влагомер содержит блок 1 питания, холодильник 2, нагреватель 3, зеркало 4, термодатчик 5, модулятор 6, излучатель 7, первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 9, первый и второй резонансный усилители 10 и 11, первый и второй амплитудный детекторы 12 и 13, компаратор 14, управляемый блок 15 питания, блок 16 регистрации и индикации, первый, второй и третий объективы 17 - 19.

Влагомер работает следующим образом.

В рабочем режиме на холодильник 2 подано напряжение питания от блока 1 питания. При этом благодаря тепловым контактам между зеркалом 4 нагревателем 3 и холодильником 2 поверхность зеркала 4 охлаждается. При достижении температуры поверхности зеркала 4 значения равного температуре точки росы паров воды на поверхности зеркала 4 выпадает конденсат влаги. Световой поток от излучателя 7, промодулированный модулятором 6, при

взаимодействии с конденсатором на поверхности зеркала 4 исходит от него в виде рассеянного потока и отраженного потока, причем по мере увеличения количества конденсированной влаги интенсивность первого потока растет, а второго падает.

Интенсивность рассеянного потока детектируется фотоприемником 8, резонансным усилителем 10 и амплитудным детектором 12, а интенсивность отраженного потока соответственно, фотоприемником 9, резонансным усилителем 11, амплитудным детектором 13.

Таким образом выходной сигнал амплитудного детектора 13 связан с уровнем интенсивности отраженного потока и этот сигнал в качестве опорного поступает на второй вход компаратора 14, а на первый вход компаратора 14 подается сигнал с выхода амплитудного детектора 12. Этот сигнал характеризует уровень интенсивности рассеянного потока. Коэффициенты резонансных усилителей 10 и 11 подобраны таким образом, чтобы в отсутствие конденсата на поверхности зеркала 4 выходной сигнал с амплитудного детектора 12 рассеянного потока составлял значение, примерно 0,8 - 0,9 от уровня выходного сигнала амплитудного детектора 13 отраженного потока.

По мере охлаждения зеркала 4 и появлении на его поверхности конденсата соотношение сигналов на входах компаратора 14 изменяется и он срабатывает. Например, если без конденсата на зеркале 4 выход компаратора 14 находился в состоянии О, то при появлении конденсата он установится в состоянии 1. В момент перехода выходного сигнала компаратора 14 из О в 1 блок регистрации и индикации производит запись значения температуры точки росы паров воды, измеренной термодатчиком 5. Кроме того по сигналу 1 с выхода компаратора 14 включается блок 15 питания нагревателя 3,который нагревает зеркало 4 до тех пор, пока с него не испарится конденсат, после чего выходной сигнал компаратора 14 снова устанавливается в О, нагреватель 3 обесточится и процесс измерения точки росы повторится вновь.

На фиг.2 представлены экспериментальные кривые 20 и 21 изменения во времени интенсивности соответственно рассеянного и отраженного потоков при охлаждении зеркала со скоростью примерно 8,5°С/мин. Как видно из фиг.2, кривая 20 рассеяния имеет крутизну нарастания значительно большую, чем крутизну спада кривой 21. отражения. Кроме того момент начала процесса конденсации устанавливается по кривой 20 рассеяния намного раньше, чем по кривой отражения, что объясняется слабым влиянием малых количеств конденсата на относительные изменения

отраженного потока и, наоборот, сильным - для рассеянного потока. Это свидетельствует о том, что использование кривой рассеяния для определения температуры точки росы предпочтительнее ее контролю по кривой отражения, так как в этом случае повышается чувствительность и точность таких измерений. Как показывает анализ экспериментальных кривых 20 и 21, погрешность измерения температуры точки росы может

снизиться более чем в 10 раз и составить менее одной десятой доли градуса Цельсия. На фиг.З представлены фронтальные участки сигналов на входах компаратора 14 при охлаждении зеркала 4. Опорным сигналом

здесь служит уровень отраженного потока (кривая 23), а сравнительным сигналом является уровень рассеянного потока (кривая 22).

Как видно из фиг.З, при переходе температуры точки конденсации влаги на зеркале 4 соотношение между уровнями этих сигналов меняются на противоположные. Использование отраженного сигнала в качестве опорного позволяет избежать дополнительных погрешностей в определении температуры точки росы за счет влияния флуктуации интенсивности выходного потока излучателя 7 и обеспечивает сохранение работоспособности влагомера в диапазоне

допустимых уровней запыленности рабочей поверхности зеркала 4.

Влагомер благодаря использованию сравнительного анализа сигналов рассеянного и отраженного потоков позволяет реализовать автоматическое измерение точки росы с более высокой чувствительностью, точностью и быстродействием, чем это обеспечивают известные влагометры. Слабая чувствительность характеристик устройства

к таким внешним воздействиям как запыленность и флуктуации питания, допускает его эксплуатацию в промышленных условиях.

50

Формула изобретения

Влагомер, содержащий излучатель, два фотоприемника, зеркало, термодатчик, холодильник с подключенным к нему блоком питания, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, точности измерений и их автоматизации, в него введены управляемый блок питания, нагреватель, модулятор, два резонансных усилителя, два амплитудных детектора.

компаратор, три объектива, блок регистрации и индикации, причем первый объектив установлен между излучателем и зеркалом, второй объектив установлен перед первым фотоприемником по ходу лучей, рассеянных от зеркала и падающих на первый фотоприемник, третий объектив установлен перед вторым фотоприемником по ходу лучей, отраженных от зеркала и падающих на второй фотоприемник, выход первого фотоприемника подключен к входу первого резонансного усилителя, выход второго фотоприемника подключен к входу второго резонансного усилителя, выход первого резонансного усилителя подключен к входу первого амплитудного детектора, выход второго резонансного усилителя подключен

0

5

к входу второго амплитудного детектора, выход первого амплитудного детектора подключен к первому входу компаратора, выход второго амплитудного детектора подключен к второму входу компаратора, выход компаратора подключен к первому входу блока регистрации и индикации и к входу управляемого блока питания, выход которого подключен к входу нагревателя, установленного между зеркалом и холодильником в тепловом контакте с ними, выход термодатчика подключен к второму входу блока регистрации и индикации, причем термодатчик установлен в тепловом контакте с поверхностью зеркала/оптически связанного с излучателем, вход которого подключен к выходу модулятора,

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для измерения влажности газов, например метанового топлива. Цель изобретения-повышение чувствительности и точности измерений влагосодержания газовых сред и их автоматизация. Поставленная цель достигается тем, что влагосодержание газов определяется по температуре точки росы паров воды, контролируемой термодатчиком. Начальный момент фазового перехода устанавливается оптическим методом по сигналам фотоприемников отраженного и рассеянного потоков от охлаждаемого зеркала, освещаемого модулированным оптическим излучением. Периодическое измерение влажности производится автоматически путем термоциклйрования нагревателя, управляемого компаратором сигналов фотоприемников. 3 ил. Ч-i Ё

Риг.1

Время, мин

Температура Ю °

Риг. 2

2,0

|7 5

4

05

0

20 Ю О -10 Гемпература,°С Фиг.З

t Время, мин