Автоматический конденсационный гигрометр Советский патент 1979 года по МПК G01W1/11 

1

Изобретение относится к метеорологическим измерениям, в частности, влажности воздуха с помощью конденсационных гигрометров как при положительных, так и при отрицательных значениях температуры воздуха. Оно может найти также применение в других отраслях техники и научных исследований, когда возникает необходимость в точных измерениях влажности, например, при определении влажности в гигрокамерах для поверки.

Известен конденсационный гигрометр, построенный по схеме автоматического поддержания температуры термодинамического равновесия конденсированной и неконденсированной фаз. Причем, в качестве конденсационной поверхности используется полированное зеркальце, охлаждаемое полупроводниковым холодильным модулем, ток через который устанавливается регулятором, управляемым сигналом, представляющим собой разность между заданной нормой и значением сигнала, зависящего от оптических параметров конденсата и зеркальца 1.

Иедостатком данного устройства является невысокая точность измерений в области отрицательных значений температуры.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является конденсационный гигрометр, содержащий терморегулируемое зеркало, индикатор конденсата, термопреобразователь, находящийся в контакте с зеркалом, систему поддержания конденсата с заданными параметрами 2.

Однако конденсационные гигрометры, построенные но такой схеме, имеют существенный недостаток, заключающийся в отсутствии средств определения фазового состояния конденсата или активного воздействия на это состояние. Необходимость в указанных средствах связана с тем, что, как показывают многочисленные микрофизические исследования, при отрицательных значениях температуры вплоть до -40°С в зависимости от многих факторов конденсат может в течение длительного промежутка времени представлять собой систему переохлажденных капель, чем произойдет их кристаллизация. Погрешность определения влажности вследствие этой неопределенности достигает недопустимо больших значений, например, для температуры фазового равновесия -10°С она составляет

1,2°С, а для -35°С 3,4°С, что эквивалентно относительной иогрешности. определения влагосодержания в первом случае 10%, а во втором 35%.

Целью изобретения является повыщение

точности измерения влажности за счет уетранения неоднозначности фазового состояния конденсата при отрицательных значениях температуры фазового равновесия.

Указанная цель достигается тем, что гигрометр дополнительно содержит два задатчика норм температуры зеркала «-1°С и , два задатчика норм количества конденсата номинального Фо и предельного Фп, триггеры TI н Тг, каждый из которых имеет два входа, коммутирующий элемент П с двумя коммутирующими и одним управляющим входами, коммутирующий элемент HZ с двумя входами, один из которых управляющий, логический элемент И с тремя входами, логический элемент Иг с двумя входами, логические элементы ИЛИ, ИЛИ2, ИЛИз, каждый из которых имеет два входа, и элементы сравнения сигналов о текущих значениях температуры зеркала и количества конденсата с их заданными значениями - нормами, причем выход элемента сравнения нормы температуры «-1°С с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым коммутирующим входом HI, со вторым входом И и с первым входом ИЛИз, выход элемента сравнения нормы температзры «-40°С с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым входом Иг, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения тек)щего значения сигнала о количестве конденсата Ф с нормой Фо, который также соединен с первым входом И: и со вторым коммутационным входом 111, выход элемента сравнения текущего значения сигнала о количестве конденсата Ф с нормой Фп соединен со вторым входом ИЛИз и со вторым входом ИЛИа, вход Пг соединен с выходом П, а управляющий вход Пг соединен с выходом ИЛИь один вход которого соединен с выходом TI, а второй вход с выходом Тг, при этом выход TI соединен также с третьим входом И, выход которого соединен с управляющим входом rii, а выход Иг соединен с первым входом ИЛИ2, выход которого соединен с первым входом Ti, а первый вход Та соединен с выходом ИЛИз, выход же Uz соединен со входом системы поддержания конденсата с заданными параметрами.

Иа фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого конденсационного гигрометра; на фиг. 2 - эпюры, отражающие синхронные изменения температуры зеркала и сигнала о состоянии конденсационной поверхности (количестве конденсата) при различных возможных измерительных ситуациях.

Предлагаемый конденсационный гигрометр содержит (Систему 1 поддержания конденсата с заданными параметрами, конденсационное зеркало 2, индикатор 3 конденсата, вырабатывающий текущее значение сигнала Ф, задатчик 4 нормы количества конденсата, элемент сравнения 5 текущего значения сигнала Ф о количестве конденсата с нормой Ф, термопреобразователь 6, задатчик 7 нормы предельного количества 5 конденсата Фп. преобразователь 8 текущей температуры Т зеркала в электрический сигнал (термопреобразователь), задатчик 9 нормы температуры зеркала , задатчик 10 нормы температуры зеркала 10 «-40°С, элемент сравнения 11 текущего значения количества конденсата Фс нормой предельного значения Фп, элемент сравнения 12 текущего значения температуры зеркала TS с нормой температуры «-ГС, элемент сравнения 13 текущего значения температуры зеркала Тз с нормой «-40°С, коммутирующий элемент 111 14 с двумя коммутирующими и одним управляющим входами, осуществляющий переключение 20 контура регулирования с параметра Ф на параметр Тз, коммутирующий элемент Пз 15 с двумя входами, один из которых управляюпдий, для замыкания и размыкания контура регулирования, логический элемент S.) И) 16 с тремя входами, логический элемент Иг 17 с двумя входами, логический элемент ИЛИ) 18 с двумя входами, логические элементы ИЛИг 19 и ИЛИз 20 с двумя входами, триггеры TI 21 и Та 22, каждый имеющий два входа, по одному из которых производится установка этих элементов в начальное состояние (шина «н. у.).

На фиг. 2 Тз обозначает температуру зеркала в °С, т - температуру фазового 5 равновесия в °С, /i -/17 - моменты времени.

Лс| 1С1В11С предлагаемого автоматического конденсационного гигрометра состоит в следующем.

0 Гигрометр начинает работать при подаче питающего напряжения, одновременно с которым на триггеры 21 и 22 подаются сигналы их установки в начальное состояние: 21 - в состояние «О, а 22 - в состояние 5 «1, чему отвечает на выходе триггера 21 отсутствие потенциала, а на выходе триггера 22 - наличие его. Коммутирующий элемент 14 при включении гигрометра находится в состоянии, при котором вход по 0 Ф соединен с выходом Oj. Поскольку на одном из входов элемента 18 имеется сигнал, то на его выходе также возникает сигпал, который будучи поданным на управляющий вход коммутирующего элемента 15 5 переводит последний в проводящее состояние. В результате описанных процессов образуется замкнутый контур регулирования по Ф (момент /1 на фиг. 2).

Пусть вначале TI 0°С, например +5°С, 0 а температура анализируемого воздуха -f 15°С. Пока значение Тз не достигнет значения TI, Ф О, а в момент тг, когда Тз станет меньще TI, происходит конденсация на зеркале 2, а вследствие этого - быстрое увеличение Ф, а затем и превыщение Фо.

Из-за этого ток через систему 1 изменит направление, что приведет к прекращению охлаждения и частичному испарению конденсата, ведущему к уменьшению Фит. п., т. е. происходит процесс перехода к установивщемуся режиму (при этом, как видно из фиг. 2, затухающие колебания Тз относительно TI и Ф относительно Фо смещены по фазе).

Хотя для рассматриваемого состояния системы на два из трех входов элемента 16 поступают сигналы о том, что и Тз -1°С, на третьем входе сигнала нет, так как на выходе TI нулевой потенциал, и потому на выходе HI сигнал на переключение rii с контура регулирования по Ф на контур регулирования по Тз отсутствует.

Пусть, начиная с /з, температура фазового равновесия уменьшится и примет значение, например, -10°С то.

В этом случае, поскольку температура зеркала 2 остается пока много больше нового значения 2, то конденсат начнет интенсивно испаряться, а Ф, следовательно,- быстро уменьшаться, приводя к быстрому снижению температуры Тз. В момент t, когда температура зеркала достигнет значения, меньшего чем -1°С, на элементе сравнения 12 сформируется сигнал о том, что Тз -1°С, который поступает на один нз трех входов элемента 16, на один из двух входов элемента 20 и на второй коммутируемый вход элемента 14. Вход нечувствителен к сигналу о том, что Тз -1°С, а вход И Л Из - чувствителен, поэтому на выходе ИЛИд появляется сигнал, который переводит триггер 22 из состояния «1 в состояние «О. Вследствие этого на одном из входов элел1ента 18 сигкалов нет, и потому отсутствует сигнал на управляющем входе П2, что приводит к размыканию контура регулирования по Ф и, как следствие, к беспрепятственному охлаждению зеркала 2. Поскольку за время протекания рассмотренных процессов (несколько миллисекунд) температура зеркала не достигла еще нового значения Ь -10°С, то в момент U конденсат может полностью испариться. В момент времени tg Тз Т2, и вновь начинается образование конденсата (со скоростью, меньшей, чем при ti +5°С из-за меньшего содержания водяных паров в воздухе). В момент ,-оптическое состояние конденсационной поверхности благодаря росту конденсата таково, что , но поскольку контур регулирования по Ф разомкнут, то охлаждение и увеличение конденсированной фазы продолжается. Однако, как только температура Тз станет ниже -40°С (момент is), с выхода элемента сравнения 13 на второй вход элемента 17 поступает сигнал. При условии, что и. на первом входе имеется сигнал об на выходе Иг образуется сигнал, подаваемый на один из входов элемента 19, что приведет к переходу триггера 21 (Ti) из состояния «О в состояние «1 и, следовательно, появлению на выходе ИЛИ, сигнала управления элементом 15, благодаря чему элемент 15 оказывается в проводящем состоянии. Хотя на двух из трех входов элемента 16 имеются сигналы (о том, что Ф Фо и сигнал с триггера TI) на третьем входе сигнала нет (он формируется элементом 12 только, когда Тз -1°С). Поэтому на управляющем входе П1 сигнала нет, и он остается в прежнем состоянии, т. е. выход его соединен со входом по Ф. В результате, начиная с момента t-j

контур регулирования по Ф восстанавливается, и поскольку Ф Фо, то ток через систему 1 меняет полярность. Однако вследствие тепловой инерции температура зеркала некоторое время продолжает снпжаться и оставаться ниже -40°С. Это гарантирует переход жидкой фазы, если она была, в твердое состояние. Далее происходит повышение температуры зеркала, и поскольку пока она остается ниже температуры фазового равновесия то - -10°С, то рост конденсата и связанное с ним увеличение фотос1 гнала продолжаются. Когда температура зеркала станет превосходить температуру Т2 (момент /э), конденсат будет иснаряться (точнее, возгоняться), но так как пока еще Ф Фо, то температура зеркала продолжает увеличиваться.

В момент 10 температура зеркала Тз становится больше -1°С. Последнее приводит

к появлению на третьем входе элемента 16 (И;) сигнала. Поскольку исчезновение сигнала на втором входе (когда Тз перестала быть менее -40°С) не приводит к изменению состояния триггера 21 (Tj), то на всех

трех входах И имеются сигналы. Следовательно, на управляютций вход элемента 14 (П) с выхода И1 подается сигнал, который приводит к переключению Пь вследствие чего вместо контура регулирования

по Ф образуется контур стабилизации температуры зеркала на уровне Тз -1°С. Благодаря этому в процессе регулирования нредотвраиитется переход температуры Т в ЗОНУ положительных значений, в которой

произошло бы плавление твердой фазы конденсата. Тем временем продолжающаяся возгонка конденсата приводит к снижению Ф, и начиная с момента tn, окажется, что Ф Фт. Это вызывает исчезновение

сигнала ня соответствующем входе элемента 16 (Hi), а значит, и исчезновение сигнала с выхода HI на управляющем входе Пь и вход последнего по параметру Ф соединяется с выходом его, т. е. начинает снова

функционировать контур регулирования по Ф. А так как в рассматриваемый момент , то это приводит к снижению температуры зеркала с -1°С и поддержанию в дальнейшем ее значения, равного значению

температуры фазового равновесия водяного пара над заведомо твердой фазой воды (т. е. в данном примере Т2 -10°С), Допустим далее, что температура фазового равновесия газа (воздуха) увеличилась и, начиная с момепта i/i2 имеет положительное значение тз (для примера, прежнее значение т. е. тз TI -f5°C). Поскольку до момента ii2 текущее значение Тз -10°С, то начиная с /la будет происходить интенсивная конденсация (точнее, сублимация) водяного пара, приводящая к увеличению Ф, и так как функционирует контур регулирования по Ф, то начинается нагревание зеркала. Но в момент /1з, когда окажется, что Тз -1°С, на соответствующем входе И появится сигнал, и поскольку до этого у HI на двух других входах уже были сигналы, то и на выходе И сформируется сигнал. Он произведет переключение HI, и снова образуется контур стабилизации Тз на уровне -1°С. Сублимация продолжается, Ф вследствие этого увеличивается, и с момента /j4 уже превыщает норму Фгг. Сигнал об этом с элемента сравнения 11 постзшает на соответствующие входы ИЛИг, ИЛИз, на выходах которых, следовательно, также появляются сигналы. Они подаются на соответствующие входы триггеров 21 (Ti) и 22 (Тг), которые вследствие этого опрокидываются: Т оказывается в состоянии «О (он оставался в «1 состоянии с момента /з), а Т2 - в состоянии «I (в противоположном состоянии «о он находился с момента t). Таким образом, несмотря на наличие сигналов на двух входах элемента 16 (И), отсутствует сигнал на его выходе и переключение Yli с параметра Т на параметр Ф. А так как на выходе ИЛИ и, соответственно, на управляющем входе Пд имеется сигнал, то будет функционировать контур регулирования по Ф. Очевидно, что состояние элементов и всей схемы идентичны тем, которые имели место до момента /4. Поскольку в момент /is перехода в это состояние Ф Фо, то вначале произойдет увеличение Тз, что вызовет уменьщение Ф и замедление роста Та, а начиная с момента /le и уменьщение Тз. Несмотря на то, что в процессе приближения Ф к Фо его значение становится меньще Фп, никаких изменений в состоянии схемы не происходит, так как входы элементов 19 (ИЛИ2) н 20 (ИЛИз) чувствительны только к сигналу о том, что Ф становится больще Фц. Начиная с момента tn происходит автоматическое слежение за новым значением температуры фазового равновесия тз. Предлагаемый автоматический конденсационный гигрометр позволяет удовлетворить метрологические и эксплуатационные требования к измерению влажности газов, в частности, воздуха, в области отрицательных и положительных значений температуры, причем, это достигается без необходи йости затрачивать средства на разработку и организацию производства каких-либо новых модулей, образующих гигрометр, что было бы необходимо в случае использовапия иных технических рещений. Такое преимущество обусловлено тем, что отличительная часть предлагаемого гигрометра легко сопрягается с системами регулирования суп ествующих гигрометров. Будучи выполненной на щироко используемых интегральных схемах, она занимает дополнительный объем всего в несколько кубических сантиметров. Небольшие относительно стоимости существующих автоматических гигрометров затраты на эти схемы окунаются, по.мимо достижения поставленной цели, надежностью и неприхотливостью в эксплуатации предлагаемого гигрометра, а также несложностью в настройке, носкольку элементы этой части работают в пороговых режимах. Формула изобретения Автоматический конденсационный гигрометр, содержапхий терморегулируемое зерка;1о, индикатор конденсата, термопреобразоиатель, находящийся в контакте с зеркалом, систе.му поддержания конденсата с заданными параметрами, отличающийс я тем, что, с целью новыщения точности измерения влажности за счет зстранения неоднозначности фазового состояния кондогсата при отрицательных значениях температуры фазового равновесия, гигрометр дополнительно содержит два задатчика норм те.мпературы зеркала «-1°С и «-40°С, два задатчика норм количества конденсата номинального Фо и предельного Фп, триггеры Т и Т2, каждый из которых имеет два входа, коммутирующий элемент HI с двумя коммутирующими и одним управляющи.м входами, коммутирующий элемент П2 с двумя входами, один из которых управляющий, логический элемент HI с тремя входами, логический элемент И2 с двумя входами, логические элементы ИЛИ, ИЛИ2, ИЛИз, каждый из которых имеет два входа, и элементы сравнения сигналов о текущих значениях температуры зеркала и количества конденсата с их заданными значениями - нормами, причем, выход элемента сравнения нормы температуры «-1°С с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым коммутирующим входом HI, со г торым входом MI и с первым входом ИЛИз, выход элемента сравнения нормы температуры «-40°С с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым входом Из, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения текущего значения сигнала о количестве конденсата Ф с нормой Фо, который также соединен с первым входом HI и €0 вторым коммутационпым входом Пь выход элемента сравнеиия текущего значения снгнала о количестве конденсата Ф с нормой Фц сосдн11ен со вторым входом ИЛИз и со вторым входом ИЛИ2, вход П2 соединен с выходом Пь а управляющий вход П2 соединен с выходом ЙЛИ1, один вход которого соединен с выходом TI, а второй вход с выходом Т2, при этом выход TI соединен также с третьим входом HI, выход которого соединен с управляющим входом Пь а выход И соединен с первым входом ИЛИ2, выход которого соединен с первым входом TI, а первый вход TZ соединен с выходом ИЛИз, выход же ГЬ соединен со входом системы иоддержания конденсата с заданными нараметрамн. Источники информации, прг.нятые во внимание при эксиертизе 1.Влажность, Измерепие и регулировани.с в научных исследованиях и технике. Гидрометеорологическое издательство. Л., 1967, т. 1, с. 138. 2.Берлинер М. А., Измерение влал ности, М.-Л., . 1973, с. 232.

tlti t3 iSiS i7

Ш as us i