Гигрометрический влагопотенциометр Советский патент 1992 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к агрофизике, физиологии растений, физической химии и может применяться для измерения относительного химического потенциала воды в сложных системах: почвах, тканях и органах растений, водных растворах и т.п.

Известен предлагаемый для этой цели микропсихрометрический влагопотенциометр, в котором психрометром для определения равновесной относительной влажности воздуха служит ми ротермопара, увлажняемая конденсатом) образующимся при поглощении тепла Пельтье в ходе пропускания через спай постоянного тока.

В этом приборе один из спаев микротермопары датчика является рабочим, охлаждаемым, а другой, нагревающийся током Пельтье, присоединен к массивному теплоотводу, обеспечивающему диссипацию этого тепла. Микротермопару помещают в атмосферу раствора, имеющею известный относительный химический потенциал воды Ф, охлаждают пропусканием тока Пельтье, переключают в цепь микровольтметра и регистрируют максимум тер- моЭДС Е, который является полезным сигналом. Выполнив ряд таких измерений над растворами с разными Ф, строят график

м

00

00

W ю ю

Ф f(F), который используют для дальней- шихизмерений Ф исследуемых образцов

К недостаткам этого способа относятся необходимость калибровки датчика вследствие отклонения фактической формы смоченной поверхности от сферы, как предполагается в теории данного метода; влияние на отсчет геометрии системы датчик - среда и сравнительно большая температурная чувствительность, требующая дополнительной калибровки, Два последних недостатка связаны с тем, что датчик в режиме конденсации и в режиме измерения работает посредством влагообмена с исследуемой средой.

Этих недостатков лишен микрогигро- метрический влагопотенциометр на эффекте Пельтье, предназначенный для определения точки росы, после чего легко рассчитать равновесную относительную влажность воздуха в исследуемой среде О и Ф, поскольку

U Р(т р.)/Р(Т),(1)

где Р(т р) и Р(Т) - соответственно упругости пара при температуре точки росы и температуре Т, определяемые по таблицам или формуле Магнуса.

В приборе-прототипе используют крестообразную термопару. Через одну пару разных проводов пропускают охлаждающий ток, с другой пары снимают соответствующую термоЭДС. Первая пара соединена с осью X двухкоординатного самописца и регистрирует ток Пельтье, вторая - с осью Y этого самописца и регистрирует термоЭДС Е. Подавая ток разной величины на сухую термопару, получают кривую 1 (фиг 1), а дав предварительно ток, достаточный для охлаждения микротермопары ниже точки росы и затем снижая его, получают кривую 2 и ее пересечение с кривой 1 - искомую точку и искомое значение (т р) и ЭДС Е (т.р,), линейно связанную с (т р.) Зная коэффициент термоЭДС микротермопары, вычисляют Т(т р }, Р(т р ), а далее U по формуле (1) При отом используется тот факт, что отклонение температуры спая от точки росы в сторону понижения вызывает дополнительную конденсацию и сопровождающее ее повышение температуры, а отклонение температуры в сторону повышения вызывает испарение конденсата со спая и сопровож- дающее его охлаждение Таким образом, любое отклонение от точки росы влечет за собой тепловой эффект способствующий восстановлению-исходного состояния. Если положение исходной температуры спая по отношению к точке росы заранее известно, например, как в рассматриваемом случае, рабочий спай охлажден ниже точки росы, то

разность термоЭДС, соответствующая разности между точкой росы и текущей температурой, всегда имеет один и тот же знак. Задача измерения точки росы сводится

к определению условий, при которых эта разность равна нулю. Используя изобретение, решают эту задачу проще, чем в прото- типе.

Недостаток прототипа состоит в необ0 ходимости пользоваться двухкоординат- ным самописцем - дорогим и громоздким прибором, не дающим возможности преьра- тить микрогигрометрический влагопотенциометр в полевой портативный прибор.

5 Цель изобретения - упрощение конструкции прибора.

Поставленная цель достигается тем, что влагопотенциометр, содержащий микро- термопа ру, управляемый источник тока

0 питания, измеритель сигнала микротермопары и тока ее питания, снабжен 4-плечим мостом, одна диагональ которого подключена к управляемому источнику питания, а другая через усилитель - к нуль-прибору и

5 2-позиционному переключателю на 4 направления, общие выводы двух направлений которого соединены с управляемым источником тока, а двух других направлений - с микротермопарой, через первые

0 коммутируемые выводы микротермопара подключена к управляемому источнику тока питания, через вторые коммутируемые выводы микротермопара включена в одно из плеч моста, смежное с микротермопарой

5 плечо моста образовано резистором с сопротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных

0 плеча моста включены одинаковые резисторы.

Другое отличие состоит в том, что коммутатор имеет пятое направление, общий вывод которого и второй коммутируемый

5 вывод включены в цепь отрицательной обратной связи между выходом усилителя и управляемым источником питания.

На фиг.1 представлена зависимость термоЭДС Пельтье Е для сухой (1) и предва0 рительно смоченной (2) термопары от величины охлаждающего тока Пельтье 1: на фиг,2 - варианты принципиальной электрической схемы устройства.

При пропускании через термопару тока

5 I наблюдаются два тепловых эффекта: поглощение тепла Пельтье на спае и выделение джоулева тепла в проводнике термопары. В результате график зависимости термоЭДС от I будет иметь вид. описываемый кривой 1 (фиг 1) На участке OD этот

график практически линеен, Рабочей областью тока I и термоЭДС Е, используемой в предлагаемом устройстве, является линейная область кривой 1. Эта кривая описывает зависимость Е от I для сухой термопары или для термопары, спай которой при охлаждении не достиг точки росы.

Если такой спай поместить во влажную атмосферу, сконденсировать на нем каплю воды путем охлаждения ниже точки росы, а затем постепенно уменьшать I, то зависимость Е от будет определяться кривой 2 (на фиг,1) на участке ВС вследствие выделения теплоты конденсации и выше кривой 1 на участке В К вследствие затраты теплоты ис- парения. График зависимости Е от I пересечет кривую 1 в точке росы, так как только в этой точке влажный спай не поглощает и не выделяет тепла. Таким образом, для определения точки росы нужно найти ЭДС Е (т.р.). В рабочем диапазоне зависимость Е от I для сухой микротермопэры практически линейна; если микротермопара смочена, например, за счет конденсации на ней влаги путем охлаждения током Пельтье, то при снижении величины этого тока зависимость Е от I на графике E(l) всегда пройдет ниже соответствующего графика E(l) для сухой термопары вплоть до точки росы, т.е. при данном токе I вплоть до этой точки Е смо- ченной термопары будет меньше Е сухой термопары.

Ввиду линейности отрезка OD для него верно

Oa/Ob const(2)

или, учитывая смысл Оа и Ob,

E/l re const.(3)

Пусть теперь микротермопэра гигро- метрического усилителя включена в одно из плеч моста, смежное плечо которого имеет сопротивление гс. где гс определяется соотношением (3). Эта величина для данной термопары постоянна и устанавливается один раз снятием вольтамперной. характеристики типа кривой 1 (фиг.1). Образуют на спае термопары каплю конденсата пропусканием тока , величина которого заведомо больше тока (т.р.). соответствующего Е(т.р). Мост будет разбалансирован, поскольку на термопаре, находящейся ниже точки росы, выделяется теплота конденсации; это приводит к появлению дополнительной разности температуры и изменению ЭДС Е, а это, согласно соотношению R E/l, изменяет эффективное сопротивление термопары, что рззбалансирует мост и отображается усилителем. При уменьшении I разбаланс будет уменьшаться, пока, наконец, в точке росы, где кривая 2 (фиг.1) пересекает кривую 1, мост не будет сбалансирован, а показания усилителя 7 не станут равны нулю. В этот момент выполняются соотношения

I Кт.р.),(4)

Е-Е(т.р.).(5)

Ет.р. 1(т.р.)гс, (6)

Т.Р, Е(т.р.)8,(7)

где S - коэффициент термоЭДС микротермопары,

Т.Р. - температура точки росы.

Управление силой тока I при необходимости может осуществляться автоматически за счет отрицательной обратной связи между выходом усилителя и управляемым источником тока питания микротермопары.

После нахождения точки росы Т.Р. вычисление Ф сводится к простому расчету.

Данный метод является по существу нулевым, а нулевые методы относятся к особо точным.

Предлагаемое устройство (фиг.2а) состоит из микротермопары 1, управляемого источника тока питания 2, коммутатора 3, резисторов 4-6, образующих вместе с термопарой мостовую схему, усилителя постоянного тока 7, нуль-прибобра 8 и измерителя тока питания микротермопары 9. Сопротивления резисторов 5, 6 выбраны равными.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно устанавливают связь между термоЭДС сухой термопары и величиной охлаждающего тока, на основании которой с помощью соотношения (3) выбирают значения сопротивления гс резистора 4. Микротермопару помещают в атмосферу исследуемого образца, коммутатор 3 устанавливают в позицию 10 и пропускают охлаждающий ток величиной 6-8 мЛ для микротермопары из проволоки хромель- константан диаметром 25 мкм, что заведомо больше 1(т.р.). Затем коммутатор 3 переводят в позицию 11 и с помощью управляемого источника тока 2 начинают уменьшать охлаждающий ток, следя за показаниями нуль-прибора 8. В момент, когда он указывает нуль-баланс моста, фиксируют значения тока I (т.р.), после чего по формулам (6) и (7) находят точку росы. Ее связь с искомым потенциалом воды Ф описывается известным термодинамическим соотношением.

В варианте устройства по п.2 формулы поиск значения охлаждающего тока, обеспечивающего баланс моста, выполняется автоматически. Для этого усилитель 7 при измерениях связан через коммутатор 3 цепью отрицательной обратной связи 12

(фиг.26) с управляемым источником тока питания 2, а к измерителю тока питания микротермопары 9 присоединен преобразователь 13, преобразующий после автоматической установки тока I (т.р.) его значение сначала в значение термоЭДС, а затем в величину температуры точки росы и далее непосредственно в величину потенциала #.

В динамике это устройство на первом этапе функционирует аналогично первому, т.е. приводится в позицию 10 коммутатор 3, что формирует пленку конденсата на рабочем спае микротермопары 1, после чего коммутатор переводят в позицию 11 изме- рение. При большом коэффициенте усиления усилителя 7 цепь отрицательной обратной связи 12, воздействуя на регулирующий элемент управляемого источника 2, уменьшая ток питания микротермопары, ав- тематически балансирует мост, при этом значение тока питания оказывается равным I (т.р.). Преобразователь 13 выдает либо значения точки росы, либо непосредственно значение потенциала Ф.

Формула изобретения 1. Гигрометрический влагопотенцио- метр, содержащий микротермопару, управляемый источник тока питания, измеритель

сигнала микротермопары и тока ее питания, отличающийся тем, что, с целью конструкции, он снабжен четырехплечим мостом, одна диагональ которого подключена к управляемому источнику питания, а вторая через усилитель к нуль-прибору, и двухпозиционным переключателем на 4 направления, общие выводы двух направлений которого соединены с управляемым источником тока, а двух других направлений - с микротермопарой, через первые коммутируемые выводы микротермопара подключена к управляемому источнику тока питания, через вторые коммутируемые выводы микротермопара включена в одно из плеч моста, смежное с микротермопарой плечо моста образовано резистором с сопротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных плеча моста включены одинаковые резисторы.

2. Влагопотенциометр по п. 1, от л и ч а- ю щ и и с я тем, что коммутатор имеет пятое направление, общий вывод которого и второй коммутируемый вывод включены в цепь отрицательной обратной связи между выходом усилителя и управляемым источником питания.

Использование: аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: гигро- метрический влагопотенциометр содержит микротермопару, управляемый источник ее питания, обеспечивающий конденсацию воды на мик ротермопаре и последующее уменьшение тока, измерители сигнала тер- моЭДС и тока питания. Устройство снабжено коммутатором, обеспечивающим предварительное подключение микротермопары к управляемому источнику тока питания и последующее ее включение в одно из плеч мостовой схемы, в смежное плечо которой включен резистор с сопротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных плеча вкл.ючены одинаковые резисторы. Мост подключен .одной диагональю через коммутатор к управляемому источнику тока питания микротермопары, а другой - к усилителю постоянного тока и к нуль-прибору. Управляемый источник тока питания имеет диапазон ре гули- ровки тока, обеспечивающий балансировку моста установкой тока смоченной микротермопары, а измеритель тока питания выполнен с возможностью регистрации его значения при балансе моста, которое является мерой точки росы и потенциала воды. 1 з.п,ф-лы, 2 ил. {Л С

f

Uj

А

&

V

н

а о

Е(т.р1

ffxffaswdav0ЈЈfЈ#//7r0#/7& &ше I five.i