Конденсационный гигрометр Советский патент 1981 года по МПК G01N21/81 

(54) КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ГИГРОМЕТР

1

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение, например, в машиностроении при химикотермической обработке деталей, в метеорологии при определении влажности атмосферы.

В конденсационных гигрометрах при измерении влажности газов с отрицательным значением температуры «точки росы на поверхности чувствительного элемента (зеркала) образуется лед, что приводит к снижению точности измерений.

Образование льда на поверхности чувствительного элемента можно устранить путем предотвращения преобразования конденсата из микрокапельного в крупнокапельный.

Это можно осуществить за счет уменьщения толщины слоя конденсата и времени его пребывания на поверхности чувствительного элемента.

Известен конденсационный гигрометр, содержащий первичный преобразователь, выполненный в виде герметизированной каЦеры с размещенными в ней зеркалом, охлаждаемым термоэлектрическим холодильником, лампой и фоторезисторами, регулятор тока холодильника и вторичный прибор 1.

При включении гигрометра в сеть, благодаря начальному разбалансу фотомоста, на вход регулятора тока поступает напряжение такой полярности, при которой термоэлектрический холодильник получает питание и охлаждает зеркаяо. При достижении температуры зеркала, равной температуре точки росы, на нем выпадает конденсат, вызывая в конечном итоге уменьшение тока холодильника до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие между испаряющейся и выпадающей влагой.

Для нормального функционирования гигрометра необходимо поддерживать достаточно толстый слой конденсата на зеркале.

Недостатком известного гигрометра является невозможность обеспечения измерений влажности с ниакой температурой точки росы газа вследствие того, что при таких измерениях необходимо уменьщить толщину слоя конденсата на зеркале, например, путем уменьшения начального разбаланса фотомоста.

Однако вследствие нестабильности фоторезисторов уменьщение начального разбаланса фотомоста может привести к самопроизвольному снижению напряжения небаланса до нуля или изменению его знака, что в свою очередь приведет к потере работоспособности гигрометра.

Из известных технических решений наиболее близким является конденсационный гигрометр, содержащий первичный преобразователь с входящими в него фоторезисторами, лампой и зеркалом, охлаждаемым термоэлектрическим холодильником с датчиком температуры, предусилитель, регулятор тока, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования, вторичный прибор, соединенный с датчиком температуры, и источник питания 2.

При работе прибора толщина слоя росы на зеркале возрастает, на нем образуется наледь, приводящая к резкому возрастанию погрешности измерений (т.е. происходит отказ в работе гигрометра). Все это накладывает ограничения на температурный режим окружающей среды, сужая область применения гигрометра.

Целью изобретения является повышение надежности гигрометра в диапазоне измерения низких температур точек росы.

Поставленная цель достигается тем, что в гигрометр, содержащий первичный преобразователь с входящими в него фоторезисторами, лампой и зеркалом, термоэлектрический холодильник с датчиком температуры, предусилитель и регулятор тока, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования, вторичный прибор, связанный с датчиком температуры, и источник питания, введены опорный конденсатор, однополярный дифференциатор, «идеальный диод и сумматор, причем выходы однополярного дифференциатора и «идеального диода посредством сумматора подключены к одному из входов предусилителя, входы их - к точке между фторорезисторами и другому входу предусилителя, а выход «идеального диода дополнительно подключен через опорный конденсатор к источнику питания.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема конденсационного гигрометра; на фиг. 2 диаграммы изменения напряжений:

а)в точке между фоторезисторами - Ц, на конденсаторе U, на выходе дифференциа тора - UcJ,;

б)на входе предусилителя Уф-

ит т .

с - Up,

в) на выходе предусилителя - г) U(|), Uc, а также напряжение в точке между фоторезисторами при отсутствии на зеркале росы - Ucpn (в дальнейшем - начальное напряжение) при длительной работе гигрометра.

Гигрометр содержит первичный преобразователь 1, электронную схему автоматического регулирования росы на зеркале 2 и вторичный прибор 3.

Первичный преобразователь 1 содержит зеркало 4, размещенное внутри герметизированной камеры и охлаждаемое термоэлектрическим холодильником 5, ламцу 6, рабочий 7 и балластный 8 фоторезисторы. Под зеркалом установлен датчик температуры 9, соединенный со вторичным прибором 3.

Электронная схема автоматического регулирования слоя росы на зеркале содержит однополярный дифференциатор 10, идеальный диод 11, опорный конденсатор 12, сумматор 13 и предусилитель 14, соединенный с регулятором тока 15.

Дифференциатор 10 состоит, например, из усилителя 16 с конденсатором 17 на входе и диодом 18 на выходе.

«Идеальный диод 11 выполнен, например, в виде усилителя 19 с диодом 20 в цепи обратной связи.

Выходы дифференциатора 10 и «идеального диода 11 посредством сумматора 13 подключены к одному из входов предусилителя 14, а входы их - к точке между фоторезисторами 7 и 8 и другому входу предусилителя 14.

Выход диода 11, кроме того, подключен через опорный конденсатор 12 к источнику питания (на чертеже не показан).

Гигрометр работает следующим образом.

При включении гигрометра в сеть в точке между фоторезисторами 7 и 8 и на минусовой обкладке опорного конденсатора 12 пока не выпала роса устанавливаются начальные значения напряжений ифцИ УС UcH, а на входе предусилителя их разность иф,- , близкая к нулю. Одновременно под действием выходного сигнала предусилителя 14 регулятор тока включит питание холодильника 5 и зеркало 4 начнет охлаждаться.

Через некоторый промежуток времени O...ti (фиг. 2, а) температура зеркала снизится до температуры точки росы газа и на нем начнет выпадать роса (1|...1з), вызывая уменьшение напряжения Ц. При этом «идеальный диод 11 запирается и напряжение DC на конденсаторе 12 хотя и начнет уменьшаться, но со значительно меньшей скоростью, чем напряжение Уф. В связи с этим в момент времени tj разность Уф- Ut достигнет величины напряжения отключения UBX.O (фиг. 2, б) и предусилитель 14 посредством регулятора тока 15 отключит холодильник 5 (фиг. 2, в). Некоторое время (t2...t3) роса, вследствие инерционности холодильника, еще будет выпадать на зеркале. Но после момента ts роса начнет интенсивно испаряться, а напряжение Uip увеличиваться. При этом срабатывает дифференциатор 10 и запрещает своим выходным напряжением Уф (фиг. 2а, б) посредством сумматора 13 включение холодильника 5 до полного удаления с зеркала росы (промежуток (t3...t9).

В момент времени 14 разность напряжений Уф- Uc станет равной значению Црн - UcH, «идеальный диод открывается и напряжение на опорном конденсаторе Ut начнет уменьшаться синхронно х; напряжением Уф в точке между фоторезисторами 7 и 8.

В момент времени ts напряжения и Uc станут равными начальным значениям Ц,,н и UCH и на этом завершается первый цикл работы гигрометра.

В этот же момент снова включается холодильник и через небольшой промежуток времени tj-te повторится следующий цикл аналогично описанному. При этом температура зеркала установится близкой к температуре точки росы.

При длительной работе гигрометра в результате нестабильности его элементов (лампы, фоторезисторов), а также вследствие загрязнения зеркала уровень напряжения ифн может изменяться в широких пределах (фиг. 2, г).

Однако введение в гигрометр «идеального диода, осуш,ествляющего быструю подзарядку опорного конденсатора, и дифференциатора, запрещающего включение холодильника до полного испарения росы с зеркала, разность напряжений в конце каждого цикла принимает одно и то же значение, равное начальному U -Ut, т.е. заданному. Вследствие этого средняя олщина слоя росы, находящаяся в прямой зависимости от заданного значения этой разности также сохраняется практически неизменной и равной заданной. Причем возможности гигрометра таковы, что он безотказно с заданным очень тонким слоем росы может работать при отклонениях , достигающих ±90% от напряжения питания.

Работа гигрометра с очень тонким слоем росы дозволяет практически полностью исключиtь образование льда на зеркале, следовательно, без увеличения погрешности.

значительно расширить диапазон измерения влажности в область с очень низкой (до -70°С) температурой точки росы.

Предлагаемый гигрометр вследствие слабого влияния на его точность загрязнения зеркала позволяет измерять не только влажность паровоздушной смеси, но и эндогаза, экзогаза, зашитной атмосферы на основе диссоциированного аммиака в цеховых условиях, где тщательно очистить газ не всегда удается.

Формула изобретения

Конденсационный гигрометр, содержащий первичный преобразователь с входящими в него фоторезисторами, лампой и зеркалом, термоэлектрический холодильник с датчиком температуры, предусилитель и регулятор тока, соединенные в замкнутую систему автоматического регулирования, вторичный прибор, связанный с датчиком температуры, и источник питания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности гигрометра в диапазоне измерения низких температур точек росы, в него введены опорный конденсатор, однополярный дифференциатор, «идеальный диод и сумматор, причем выходы однополярного дифференциатора и «идеального диода посредством сумматора подключены к одному из входов предусилителя, входы их - к точке между фоторезисторами другому входу предусилителя а выход «идеального диода дополнительно подключен через опорный конденсатор к источнику питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

(Риг.г ts t6