Автоматический конденсационный гигрометр Советский патент 1982 года по МПК G01N21/81 

(5t) АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ГИГРОМЕТР

1Изобретение относится к иЗмери-тельной технике и может быть использовано в машиностроении, например, в системах контроля влажности технологических атмосфер, применяемых при химико-термической обработке.

Известен автоматический конденсационный гигрометр, содержащий термоэлектрический охладитель с установленными на нем зеркалом с датчиком температуры, измерительный прибор и соединенные последовательно фотодетектор, предусилитель и усилитель мбщности, выход которого соединен с охладите 1ем l .

Однако в известном гигрометре при эагрязнении зеркала выпадающими из контролируемого газа веществами, например, конденсатом тяжелых угле водородов, налетом сажи .п., толщина слоя конденсата воды, поддерживаемая системой регулирования,уменьшается , вследствие чего томность измерений снижается, так как температуры точки росы и льда (инeяJoтлицaются.

Наиболее близким к изобретению является гигрометр, содержащий термоэлектрический охладитель с установ ленным на нем зеркалом с датчиком температуры, фотодетектрр, дифференциальный предусилитель-, один вход которого подключен к фотодетектору, суммирующий усилитель мощности, один вход

10 которого подключен к предусилителю, второй - к источнику смещения, а выход - к охладителю, измерительный прибор с запоминающим устройством, генератор вспомогательного сигнала,

IS выход которого подключен к третьему входу усилителя мощности, и пороговый элемент, вход которого подключен к выходу предусилителя, а выход - к входу генератора и входу запоминаю30щего устройства |2j.

Недостатком известного устройства является ограниченная точность, так как при загрязнении зеркала толщина слоя росы уменьшается. При этом появ ляется погрешность до и более от влияния водорастворимых загрязнений, так как водорастворимые вещест ва уменьшают давление паров конденсата (эффект Рауля) и вызывают конденсацию при более высокой температур ре по сравнению с температурой точки росы. Кроме того, точность гигрометра снижается вследствие определения точки росы в неустановившемся режиме, при котором температуры зеркала и точки росы отличаются, а ошибка не может быть достаточно просто скомпенсирована из-за сложной ее зависи мости от ряда факторов - загрязнения : еркала, скорости его вентиляции, тем пературы газа, окружающей среды и т;д Целью изобретения является повышение точности, . Поставленная цель достигается тем, что автоматический конденсационный гигрометр, содержащий термоэлектричес кий охладитель с установленным на нем зеркалом с датчиком температуры, фотодетектор, дифференциальный предусилитель, один вход которого подключен к фотодетектору, суммирующий усилител мощности, один вход которого подключен к предусилителю, другой к источнику смещения, а выход - к охладителю измерительный прибор с запоминающим устройством, генератор, выход которого подключен к третьему входу усилителя мощности, и пороговый элемент, вход которого подключен к выходу предусилителя, а выход - к входу генератора, снабжен устройством стабилизации толщины слоя росы, вь|полненным в виде повторителя и соединенных пос ледовательно дополнительного порогового элемента, ключа и конденсатора, подключенных к выходу предусилителя, второй вход которого через повторитель подключен к выходу конденсаторасоединенному с ключом, при этом генератор снабжен дополнительным выходом к которому подключен вход запоминающего устройства. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 а,б графики изменения во времени толщины слоя росы h на зеркале и напряжений UgX входе и выходе предусилителя; на фиг. 3 а,б - соответственно хара ктерйстика вход - выход предусилителя и зависимость сигнала фотодетектора Ыф от температуры зеркала в статическом режиме. Устройство содержит размещенные в измерительной камере термоэлектрический охладитель 1 с установленным на нем зеркалом 2 и датчиком температуры 3, фотодетектор , дифференциальный предусилитель 5, один из входов которого соединен с фотодетектором , суммиру мций усилитель 6 мощности, один из входов которого соединен с источником смещения , второй вход с предусилителем 5, а выход - с ох ладителем 1. Датчик температуры 3 подключен к измерительному прибору 7, соединенному с запоминающим устройством 8. К выходу предусилителя 5 подключен также через пороговый элемент 9 вход генератора 10. Один выход генератора 10 соединен с третьим входом усилителя мощности 6, а другой - с входом запоминающего устройства 8. Гигрометр снабжен устройством стабилизации толщины слоя росы, выполненным в виде соединенных последовательно дополнительного порогового элемента 11,ключа 12 и конденсатора 13, подключенных к выходу предусилителя 5. Второй вход предусилителя 5 подключен через повторитель 1 к выводу конденсатора 13, соединенному с ключом 12. При этом запоминающее устройство 8 может быть выполнено, например, в виде управляемого ключа, контакты которого включены в цепь двигателя стрелки и пера измерительного прибора 7. Генератор может быть выполнен, например, в виде соединенных последовательно трех одновибраторов, причем выходы двух последних одновибраторов образуют выходы генератора. В качестве порогового элемента 11 может быть использован, например, стабилитрон, а в качестве ключа 12 Устройство работает следующим образом. Предварительно при чистом и сухом зеркале устанавливают начальное напряжение ифо на выходе фотодетектора t положительным и равным по величине приблизительно изменению сигнала ,U иф у ц С меющему место при наличии на зеркале слоя росы толщиной Н (умаКс-При этом за Н ринята такая толщина слоя, дальнейшее увеличение которой уже не приводит к существенному увеличению сигнала Ik. Затем всякий раз при включении гигрометра в сеть предусилитель 5 входит в насыщение под действием нап ряжения ифо . При этом срабатывает пороговый элемент 11, ключ 12 перех дит в проводящее состояние и конденсатор 13 практически мгновенно заряжается до напряжения +U0o Ри котором за смет действия обратной связи напряжение на выходе предусилителя 5 уменьшается до величины обеспечивающей работу порогового эле мента в зоне петли гистерезиса. При использовании в качестве порогового элемента стабилитрона, а в качестве ключа - диода напряжение устанавливается равным. . П) , Bb«o UcT U ст ( - где и„. и lift, - соответственно напряжение на стабилитроне vt диоде. При использовании активного порогового элемента, например триггера Щмитта, напряжение Ugy-Q независимо от типа ключа поддерживается равным Мвь, (2) - напряжение отпускания поро гового элемента (срабатыв ния на запирание ключа 12 При этом между входами предусилителя 5 устанавливается и поддерживае ся неизменным до выпадения конденсат начальное напряжение положительной полярности .x, где k - коэффициент усиления предуси лителя. Напряжение положительной полярное ти на входе предусилителя 5 не оказы вает влияния на ток охладителя 1, та как и при равенстше их нулю усилител 6 за счет смещения, поступающего на его вход от источника +Е, находится в режиме, близком к насыщению, ив охладитель поступает ток максимально охлаждения. В результате зеркало 2 интенсивно охлаждается и, начиная с момента t, на нем выпадает роса, а напряжения и Ugbnt входе и выходе предусилителя 5 уменьшаются (см. фиг. 2 а,б Uj начинает уменьшаться, Как только Т1 срабатывает на пороговый элемент отпускание и ключ 12 переходит в непроводящее состояние. Однако напряжение на конденсаторе 13 остается практически неизменным и равным UCQ вследствие большой постоянной времени его разряда. Поэтому уменьшение Ug и ир,происходит за счет уменьшения сигнала фотодетектора UA. К моменту t2. когда уменьшаются до нуля, на зеркале образуется слой росы hp (см. фиг. 2а), называемый в дальнейшем балластной составляющей (из-за отсутствия его влиянйя на ток охладителя 1). Дальнейшее увеличение слоя росы h происходит за счет роста его рабочей составляющей hp, под действием которой и Ug,, изменив полярность, устанавливаются вместе с напряжением на выходе усилителя мощности 6 на величину, при которой температура зеркала становится равной температуре точки росы. В момент Ц, когда полярность напряжения Ugjj,y на выходе предусилителя 5 изменяется, срабатывает пороговый элемент 9, запускает генератор 10. Через время t.-.tg, достаточное для окончания переходного процесса по установлению температуры зеркала на точке, росы, генератор 10 выдает на первом выходе сигнал и включает на время tj... .t запоминающее устройство 8, в результате чего температура зеркала 2 запоминается до следующего цикла измерения. В момент t генератор 10 вырабатывает на втором его выходе сигнал отрицательной полярности, который переводйт усилитель мощности 6 в режим интенсивного нагрева зеркала 2, в результате чего конденсат испаряется. Через время .-ty, достаточное для полного испарения конденсата, генератор 10 приходит в исходное состояние и цикл повторяется. Причем за счет достижения равновесного состояния системы в каждом цикле измерение и запоминание температуры зеркала происходит при равенстве ее температуре точки росы. При загрязнении зеркала в процессе работы гигрометра начальное напряжение разбаланса фотодетектора постепенно уменьшается с величины Офд до ифо (см. фиг. 36). При этом напряжение на конденсатдре 13 также постепенно уменьшается за счет его разряда с величины до отслеживая напряжение ифр .Причем разность ифо- Исо остается практически неизменной и равной lJ(po Wfco так как при соответствующем выборе параметров устройства стабилизации слоя росы, она определяется согласно равенствам (1) и (3) величиной напряжения срабатывания порогового элемента 11. Одлако,.поскольку величина ределяет величину балластной составляющей слоя росы hp, то вследствие постоянства , остается неизменной и величина hp, что является отличительной особенностью предложенного гигрометра. Для уменьшения влияния водорастворимых загрязнений зеркала на томность гигрометра величина U следовательно, и hg-, задается достаточно большой, чтобы при предельно допустимом загрязнении зеркала рабочая точка В на статической характеристике Иф (Q) (см. фиг. 36) на ходилась на ее крутопадающем участке где толщина слоя росы практически йе влияет на показания гигрометра. Вместе с тем величина ;быть достаточно малой, чтобы при отрицательных значениях точки росы расширить область измерения без замерзания конденсата. Для выполнения этого требования необходимо задавать такой величины, чтобы указанная рабочая точка В располагалас.ь на участке характеристики ) () возможно ближе к ее перегибу. Практически величина U&X.D задается равной от Офр, чему соот.ветствует толщина слоя росы ,.-10 О максПри заданной величине пу параметр1з1 элементов устройства стабилизации толщины слоя росы определяют, пользуясь равенствами (1)(2) и (3). Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить при загрязнении зеркала в широких пределах поддержание то щины слоя практически постоянной, пр чем достаточно малой, чтобы предотв918 ратить переход росы в лед,и в то же время достаточной, чтобы свести до минимума погрешность от влияния водорастворимых загрязнений зеркала, а следовательно, повысить точность гигрометра. Формула изобретения Автоматический конденсационный гигрометр, содержащий термоэлектрический охладитель с установленным на нем зеркалом с датчиком температуры, фотодетектор, дифференциальный предусилитель, один вход которого подключен к фотодетектору, суммирующий усилитель мощности,ОДИН вход которого подключен к прёдусилителю, другой - к источнику смещения, а выход - к охладителю, измерительный прибор с запоминающим устройством, генератор, выход которого подключен к третьему входу усилителя мощности, и пороговый элемент, вход которого подключен к выходу предусилителя, а выход - к входу генератора, о т л и ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен устройством стабилизации толщины слоя росы, выполненным в виде повторителя и соединенных последовательно дополнительного порогового элемента, ключа и конденсатора, подключенных к выходу предусилителя, второй вход которого через повторитель подключен к выводу конденсатора, сое- диненному с ключом, при .этом генератор снабжен дополнительным выходом, к которому подключен вход запоминающего устройства. V , ,, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № г 282б1, кл. G 01 N25/68, 1S71. 2.Заявка Франции № , кл. G 01 N 25/1, опублик. 1977 (прототип).