Конденсационный гигрометр Советский патент 1992 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к технике измерения влажности, а именно к устройствам для измерения относительной влажности и температуры воздуха, и может быть использовано для измерения этих параметров при проведении технологических процессов в химической промышленности, метеорологии, медицине и т.д., применяться в системах кондиционирования воздуха, системах автоматического регулирования влажности и температуры окружающей среды, в гидростатах и камерах влажности, термовлагоста- тах и т.п.

Известен конденсационный гигрометр, в котором датчик росы содержит два плоскопараллельных электрода, на которых установлены штыри, причем зазор между концами штырей и внутренней поверхностью меньше средней высоты выпадающих капелек росы.

Недостатком известного гигрометра является низкая чувствительность вследствие

того, что фиксация точки росы производится только по измерению сопротивления датчика. Это приводит к уменьшению точности и надежности определения точки росы, особенно при измерениях влажности в малых замкнутых объемах, а также в запыленных обьемах.

Наиболее близким к изобретению является конденсационный гигрометр, содержащий термоэлектрический охладитель, соединенный с управляемым источником питания, первый и второй датчики температуры, подключенные к блоку управления и измерения, источник и приемник излучения, подклю- ченныепоследовательнок

фотоэлектрической схеме обнаружения конденсата, чувствительный элемент, расположенный на конденсационной поверхности и последовательно подключенный к источнику питания и блоку управления и измерения.

Недостатки известного устройства следующие. Фотоэлектрическая схема обнарусл

J о

жения конденсата обладает низкой чувствительностью, т.к. сигнал (собственная чувствительность) системы определяется как площадью поверхности чувствительного элемента (зеркальца) так и минимально необходимыми размерами капелек конденсата. Измерение температуры точки росы производится при наличии слоя конденсата на поверхности, который непрерывно поддерживают на постоянном уровне. При этом Тр может отличаться от истинного значения температуры конденсации. Надежность обнаружения конденсата сильно зависит от степени загрязненности поверхности, температурных условий и от времени. Главным недостатком является невозможность получения заданной точности в замкнутых малых объемах (даже при неизменном давлении) из-за необходимости поддержания определенного слоя конденсата при низких значениях влажности.

Целью изобретения является повышение надежности фиксации точки росы путем конвергенции двух независимых между собой сигналов.

Указанная цель достигается тем, что в конденсационном гигрометре, содержащем конденсационное зеркало, размещенное на термоэлектрическом охладителе, датчик температуры и фотоэлектрическую схему обнаружения конденсата, выход которой подключен к функциональному преобразователю, конденсационное зеркало выполнено в виде твердотельного электрохимического индикатора конденсата, а гигрометр дополнительно снабжен схемой преобразования сигнала твердотельного электрохимического индикатора конденсата, вход которой подключен к индикатору, а выход- ко второму входу функционального преобразователя.

Для фиксации температуры точки росы при циклическом ее измерении путем снижения температуры и определения параметров физико-химических измерений, происходящих на конденсационной поверхности и в чувствительном элементе, используется комбинированная схема обнаружения конденсата: фотоэлектрическая схема, в которой используется принцип изменения светового потока при прохождении через оптические среды (изменение оптической плотности и цвета слоя конденсата чувствительного элемента) и электрохимическая схема, основанная на изменении } изико-химических свойств чувствительного элемента при наличии на нем влаги (изменение электропроводности, потенциала электродов и цвета поверхности чувствительного элемента).

Определение температуры точки росы с повышенной точностью производится путем конвергенции и умножения двух взаимосвязанных между собой эффектов

(оптического и электрохимического) как по времени, так и по реакции на наличие конденсата. Связь сигналов комбинированной схемы обнаружения конденсата между собой посредством функционального преоб0 разователя и порогового устройства позволяет получить результирующий сигнал, величина которого является функцией их произведения, причем чувствительность комбинированной схемы обнаружения кон5 денсата при этом значительно превышает как чувствительность отдельно взятых схем, так и их суммарное значение, Отказ одной из схем обнаружения конденсата не приводит к выводу из строя комбинированной

0 схемы в целом. Например, если цвет конденсационной поверхности не изменился в то время как оптическая плотность поменялась и;, -за наличия конденсата, то информа- ционный сигнал на выход устройства

5 поступает по фотоэлектрической схеме. Фотоэлектрическая и электрохимическая схемы взаимодополняют одна другую и обеспечивают условия горячего резервирования, что повышает показатели надеж0 ности системы в целом. Из вышеизложенного следует, что техническое решение соответствует критерию положительный эффект.

На фиг, 1 приведена функциональная

5 схема гигрометра.

На фиг. 2 приведен график зависимости оптической плбтности (а) и напряжения (б) на чувствительном элементе от изменения его температуры в условиях выпадения кон0 денсата для одного значения температуры (Тр 14,5°С); (в) - зависимость оптической плотности от температуры при отключенном твердотельном электрохимическом индикаторе.

5 На фиг, 3 приведены характеристики зависимости напряжения сигнала фотоэлектрической (а),электрохимической (б) и комбинированной (в) схем обнаружения конденсата в окрестностях температуры

0 точки росы (Тв 22,3°С, Тр 14,5°С); (г) - результирующий сигнал, выходящий из порогового устройства.

Конденсационный гигрометр включает следующие элементы. Термоэлектрический

5 охладитель 1 соединен с управляемым кс точником питания 2. Первый и второй датчики температуры 3 подключены к блоку управления и измерения 4. Источник и приемник излучения 5 подключены к фотоэлектрической схеме 6 обнаружения

конденсата, выход которого подключен к функциональному преобразователю 7. Чувствительный элемент 8 последовательно соединенсизмерительнымпреобразователем 9 и источником питания 10, выход которого подключен к блоку управления и измерения 4. Выход измерительного преобразователя 9 подключен к элементу температурной коррекции 11, вход которого соединен со вторым датчиком температуры 3, а выход подключен ко второму входу функционального преобразователя 7, выход которого через пороговый элемент 12 подключается к блоку управления и измерения 4.

Конденсационный гигрометр работает следующим образом. При отсутствии росы на поверхности чувствительного элемента 8 выходной сигнал фотоэлектрической схемы обнаружения конденсата б практически равен нулю. Сигнал, поступающий от измерительного преобразователя 9, включенного в цепь питания твердотельного электрохимического индикатора 8. поступает через элемент температурной коррекции 11 на вход функционального преобразователя 7 (фиг. 1), т.е. по электрохимической схеме обнаружения конденсата, также практически равен нулю.

Термоэлектрический охладитель (ТЭО) 1 включен в цепь управляемого источника питания 2, подключенного к блоку управления и измерения 4. В зависимости от направления тока, протекающего через ТЭО 1, чувствительный элемент 8 будет нагреваться или охлаждаться, что приведет соответственно к испарению влаги или ее выпадению на чувствительном элементе 8 при достижении температуры точки росы. При выпадении влаги на чувствительном элементе 8 изменяются его физико-химические свойства: электропроводность, потенциал между электродами, цвет поверхности чувствительного элемента. Изменяется также оптическая плотность и цвет вследствие выпадения слоя конденсата и прохождения электрохимических реакций, что вызывает изменение светового потока, проходящего через оптические среды. При этом сигналы поступают как с фотоэлектрической схемы обнаружения конденсата 6, так и с электрохимической схемы, включающей твердотельный электрохимический индикатор 8, измерительный преобразователь 9, элемент температурной коррекции 11 и источник питания 10. Эти сигналы поступают на функциональный преобразователь 7, где происходит их умножение. Пороговый элемент 12 реагирует на изменение этого выходного сигнала и выдает сигнал о наличии

конденсата на поверхности чувствительного элемента 8. Блок управления и измерения 4 по сигналу от измерительного преобразователя 9, первого и второго датчиков температуры 3 производит определение температуры точки росы Тр и относительной влажности р,

В предлагаемом гигрометре твердотельный электрохимический индикатор проявляет одновременно оптические и электрические свойства, т.е. служит, с одной стороны, конденсационной поверхностью с изменяющейся окраской для фотоэлектрической схемы обнаружения конденсата и

чувствительным элементом в электрохимической схеме, с другой стороны.

Из фиг. 2 видно, что напряжение сигнала для кривой (а) выше, чем для кривой (в), а крутизна характеристик (а), (б) и (в) в окрестностях точки росы Тр существенно различна и определяется типом индикатора, способом его питания и условиями его конкретного применения.

При одних и тех же изменениях температуры Д Т в окрестностях точки росы Тр изменения напряжения сигнала Л U для кривых (а), (б), (в) различны (фиг. 3). Для кривой (в) приращение Ли/А Т значительно выше, чем для кривых (а) и (б) в отдельности

или для их суммы. Следовательно, для комбинированной схемы обнаружения конденсата точность фиксации точки росы выше по сравнению с фотоэлектрической и электрохимической.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Конструктивно конденсационный гигрометр выполнили в виде двух блоков. Первый блок - анализаторный - предназначен для размещения электронных узлов: блока управления и измерения, управляемого источника питания, фотоэлектрической схемы обнаружения конденсата, измерительного

преобразователя, источника питания, элемента температурной коррекции, функционального преобразователя и порогового элемента. Второй блок - блок регистрации, предназначен для непосредственной стыковки с измеряемым объектом или средой. Выполнили его в виде цилиндрического тела, с одной стороны которого имеется штуцер для подключения к объекту, а с противоположной стороны - ребристый радиатор для охлаждения термоэлектрического охладителя. Внутри блока размещены ТЭО, первый и второй датчики температуры, чувствительный элемент, источник и приемник излучения.

Соединяются блоки между собой при помощи разьемов.

Термоэлектрический охладитель представляет собой трехкаскадную термобатарею с характеристическим током 3 А и напряжением 9 В. Развиваемый перепад температур ДТ 80°С. В качестве датчиков температуры применяются термисторы остеклованные типа ТР-2-15 кОм. В качестве приемника и источника излучения ис- пользовались фотодиод типа ФД-256 и светодиод типа АЛ 109 Б Для остальных узлов схемы применяются серийно выпускаемые электронные элементы, такие как: микросхемы серии К142ЕН1; К140УД8; К544УД1А, транзисторы КТ809А, КТ825, диоды Д242.Д906; резисторы СП5-2 и др.

Испытания предлагаемого устройства показали следующие результаты. В камере влаги с насыщенными соляными раствора- ми типа Nad, LiCI и щелочными NaOH показывают, что определение относительной влажности, %, и точки росы Тр, °С, производится на 5-7% точнее по сравнению с конденсационным гигрометром по прототи- пу.

Кроме того, проведенные испытания фиксации точки росы в объеме V 1 л и при

влагосодержаниях ниже 50% показали, что предлагаемый конденсационный гигрометр в диапазоне относительной влажности ср 2-50% фиксирует точку росы в 90% случаев, тогда как конденсационный гигрометр по прототипу - не более чем в 20% случаев при проведении одного цикла измерения.

Формула изобретения Конденсационный гигрометр, содержащий конденсационное зеркало, размещенное на термоэлектрическом охладителе, датчик температуры и фотоэлектрическую схему обнаружения конденсата, выход которой подключен к функциональному преобразователю, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности фиксации точки росы путем конвергенции двух независимых между собой сигналов, конденсационное зеркало выполнено в виде твердотельного электрохимического индикатора конденсата, а гигрометр дополнительно снабжен схемой преобразования сигнала твердотельного электрохимического индикатора конденсата, вход которой подключен к индикатору, а выход - к второму входу функционального преобразователя.

Использование: техника измерения влажности. Сущность изобретения: конденсационный гигрометр содержит термоэлектрический охладитель, соединенный с управляемым источником питания, первый и второй датчики температуры, подключенные последовательно к фотоэлектрической схеме обнаружения конденсата. Чувствительный элемент расположен на конденсационной поверхности и последовательно подключен к источнику питания и блоку управления и измерения, Конденсационная поверхность с чувствительным элементом выполнена в виде электрохимического индикатора. Кроме того, гигрометр снабжен измерительным преобразователем, элементом температурной коррекции, функциональным преобразователем и пороговым элементом.3 ил.

Фиг. 1

UuB D:

0.4 02

Q2

W L

Ю ТР 2° ФМ2 3°W 1°С