Сорбционно-частотный гигрометр Советский патент 1982 года по МПК G01N25/56 

Изобретение огносигся к авалигичес- кому приборостроению, в частносгн к гфи для измерения влажности и может быть использовано для измерения обьемной доли влаги в газовых смесях. Известный сорбционно-часготный гипрометр содержит пьезосорбционный чувствительный элемент, выполненный в вид кварцевого резонатора с влагочувствительной пленкой, эталонный кварцевый ре зонатор, два электронных генератора, один из которых является измерительным и соединен с пьезосор&1йонным чувствительным элементом, а другой генератор является эталонным и соединен с эталонным кваущевым резонатором. Кроме того, схема гигрометра содержит устройство вычитания частот эталонного и измерительного генераторов, преобразователь сигнала резонансной частоты в«аналоговый или дискретный скгнал, пропорииона- льный измеряемой влажности, и устройство индикации этого сигнала. Известный гигрометр предназначен для измерения обьемной доли влаги в газах и содержат, как правило, одну или две проточные рабочие камеры, в которых размешены чувствительный элемент и эталонный кварцевый резонатор-термостат, в который помещены рабочие камеры, систему термостатирования, осуществдаюшую под- . даржание постоянной температуры в рабочих камчах, и пневматическую систему l. Недостатком известного гигрометра являехся cjKMKHoe конструктивное исполнение, обусловленное налсчием термостата н системы термостатирования. Наиболее близким к изобретению по ге зшчвской сущности являете я сорбционно-частотный гигрометр для измерения or носительной влажности газов, например гигрометр ВОЛНА-1, содержащий датчик с пьезосорбциданым чувствительным элементом, включенным в схему автогенера- тора, эталонный генератор с кварцевой стабилизацией частоты, устройство вычи393тания частот эталонного генератора и автогенератора датчика (смеснте/ш), преобразователь сигнала разностной частоты в аналоговый выходной сигнал гигрометра , пропорцисиальный относительной влажноети, и устройство индикации этого сигнала вход которого соединен с выходом преобразователя частоты t. Осщако известный гигрометр не обеспочивает измерение объемной доли влаги газе автоматически. Измерение обьемной доли влаги в газе известным гигрометром может пррнзвооиться расчетным путем с использованием известных соотношений. Таким образом, Для измерения обьемной доли влаги в гпзе известным гигрометром необходимо дополнительно измерять температуру газа, по измеренной температуре .и справочным таблицам находить значение обьемной доли влаги насыщенного газа, после чего необходимо проводить вьршс;юния обьемной доли влаги в газе. При этом процесс измерения занимает длительное время, явлзются достаточно сложным, так как требует наличия средств для измерения температуры и Вычислений. Кроме того, измерение обьемной доли влаги известным гигрометром я ц яегся периодическим. Цель изобретения - ускорение и упрощение измерения, а также обеспечение непрерывности измерения обьемной доли влаги в газе. Поставленная цель дх;тигается тем, что в известный гигрометр, содержащий преобразователь относительной влажности в аналогшый, дкскрегаый или кодированный сигналы и устройство индикации, вхо которого соединен с выходом преобразователя, причем преобразователь состоит из дятчика, содержащего пьезосорбцион- ный чувствительный элемент, включенный в схему автогенератора, эталонного генератора с кварцевой стабилизацией частоты устройства вычитания Частот эталонного генератора и автогенератора датчика и преобразователя сигнала резонансной частоты в аналоговый, дискретный или кодированный сигналы введены преобразователь температуры газа в аналоговый, сси- скретный или кодированный сигналы, пропорциональный обьемной доле влаги насыщенного газа, и блок перемножения вы ходных сигнолов преобразователя относительной влажности и преобразователя тем 64 перртуры, причем один вход блока перемножения соединен с выходом преобразователя относительной влажности, другой вход соединен с выходом преобразователя температуры, а вьссод блока перемножения соешшен с входом устройства индикации.« Кроме того, преобразователь температуры состоит из датчика температуры, с одержаще го температурно-чувствительный кварцевый резонатор, включенный в схему автогенератора, эталонного кварцевого генератора, устройства вычитания частот эталонного генератора и автогенератора датчика температуры, один вход которого соединен с выходом автогенератора датчика температуры, а другой вход соединен с выходом эталонного генератора, и преобразователя сигнала разностнойчастоты состоящего из последовательно соединенных делителя частоты, суммирующего устройства, электронного ключа и счетчика импульсов, формирователя временных интервалов, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, и функциональной матрицы, вход которой соединен с управляющим выходом счетчика импульсов, выход соединен с управляющим входом суммирующего устройства, а выход электронного ключа подключен к одному из входов блока перемножения. Такое техническое решение ускоряет и упрощает процесс измерения, так как измерение обьемной доли влагк в газе производится автоматически и непрерьшно без применения промежуточных вычислений и справочных таблиц. При этом в гигрометре не требуется термостат дл поддержания постожной температуры чувствительного элемента, что упрощает .конструкцию гигрометра. На чертеже показана функциональная схема гигрометра. , Сорбционно-чгютотный гигрометр состоит из преобразователя относительной влажности, включающего датчик, содержащий пъезосорбшкжный чувствительный элемент I, включенный в схему автогенератора 2, эталонный генератор 3 с кварцевой стабилизацией частоты, устройстЕЮ 4 вычитания частот эталонного геиератЪра и автогенератора датчика, преобразователь 5 сигнала разностной частоты в дискретный код, пропорциональный относительной влажносги, из преобразователя температуры в дискретный сигнал, про пцвди он ильный обьемнсЛ доле вплт насыщенного газа, включающего датчик 59 температуры, состоящий из температурачувствительного кварцевого рездаатора 6 включенного в схему автогенератора 7, эталонный кварцевый генератор ё, устрой ство 9 вычитания частот эталонного гене ратора и автогенератора датчика температуры, преобразсватель сигнала разностной частоты, состоящий из последователь но соединенных детителя 1О частоты, суммнрукяцеГо устройства 11, электронного ключа 12 и счетчика 13 импульсов, формирсвателя 15 временных интервалов, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа 12, и функцио нальной матрицы 14, вход которой соединен с усфавляпошим выходом счетчика 13 импульсе, а выход соединен с управляюпшм входом суммирующего устройства 11. Входы устройства 9 вычитания частот соединены с выходом автогенератора 7 датчика температуры и с выходом эталсяного генератора 8, а выход соединен с входом делителя Ю частоты. Информационные входы суммирующего устройства ill соединены с выходами делителя 10 частоты. Кроме Tofo, гигрометр содержит блок перемножения 16, один вход которого под ключен к выхоЕ преобразователя 5 частоты, другой вход соедннен с выходом электронного ключа 12, являющимся выходом преобразователя температуры. Выход блока перемножения 16 соединен с входом устройства 17 индикации. Пьезосорбционный чувствительный элемент I и температуро-чувствительный кварцевый резонатор 6 почющены в анализируемый газ и находятся при одинаковых условиях. Пьезосорбционный чувствительный элемент I реагирует на Изменение относительной влажности анали;здруемого газа cf ответствующим изменением частоты элект рических колебаний автогенератора 2.При этом частота электрических колебаний эта лонного генератора 3 остается постоянной Сигналы высокой частоты с автогенератора 2 и эталонного генератора 3 поступают на устройство 4 вычитания частот, в котором выделяется сигнал рааюстной частоты поступающий в преобразователь 5, осуществляющий преобразование сигнала разностной частоты в удобный для перемножения сигнал, пропорциональный относительной влажности, наприм в днскретный код. Температуро-чувствительный кварцевый резонатор 6 реагирует на изменение тем15 6 пературы анализируемого газа соответствующим изменением частоты электрических колебаний автогенератора 7. Частота колебаний эталонного генератора 8-при этом остается постоянной. Сигаалы высокой чистоты с автогенератора 7 и эталонного генератора 8 поступают на устройство 9 вычитания частот, в котором выделяется сигнал разностной частоты д пропорциональный изменению температуры oL - температурный коэффициент частоты кварцевого резонатора 6. С выхода устройства 9 вычитания частот на вход далителя Ю частоты поступает непрерывная последовательность импульсов с частотой следования л€ . Преобразователь сигнала разностной частоты, состояций из делителя 10 частоты, суммирующего устройства 11, электронного ключа 12 счетчика 13 импульсов, формирсвателя 15 временных интервалов и функциональной матрицы 14, преднасмачен для преобразования последовательности импульсш с частотой следования & в удобный для перемножения электрический сигнал, пропорциональный объемной доле влаги насьщенного га- за В. Зависимость В от температуры в рабочем диапазоне температур гигрометра описывается эмпирическим уравнением где объемная доля влаги насыщенного газа гфи температуре, равной ОРС; fc - температура анализируемого газа;ajb- эмпирические коэффициенты, Зависимость Вц от температуры (1) является существенно нелинейной, а изменение частоты датчика температуры при изменении температуры (уравнение 3) является 19гаейной функцией. Поэтому в преобразователе температуры гигрометра преобразователь сигнала разностной частоты осуществляет преобразсвание линейной ф)гнкции нелинейной зависимостью методом кусочно-линейной аппроксимации. Для рабочего диапазона температур зависимость (4) делится на ряд участков аппроксимации, количество которых :зы&1рается в зависимости от требуемой точнтжтя аппроксимации. На каждом участке аппроксимируемая функция представляется линейной вида дВнГ:, 7:9 ГДв Вц - разность межfV крайними значениями -го участка аппроксимации; д-t-- разность между крайними значениями темлерйгур Л-пз участка аппроксимации; |(; --Тангенс угла наклона функции (4) на i -ом участ ке аппроксимации. В общем случае частоту следования импульса; поступающих на вход делителя 1О частоты, можно представить выражениемu S , -1-0 л я - количество участков аппроксимации. В целителе 10 частоты частота следования импульс ов делится на значения Д5/2., I ... -те--, где 1V1-коэффициент деления, выбираемый в зависимости от требуемо 5 точности аппроксимации. С вьосодов делителя Ю частоты разделанные частоты поступают на информационные входы суммирующего устройства 11 (число входов равно Vn ). С формирователя 15 временных интервалов на управляющий вход эл ктронного ключа 12 поступает сигнал, открывакяций ключ на время Kvra. dC(4) - максимальное значение коэффициента К в интервале аппр оксимации; С- дискретность: измерения объемной доли влаги насыщен ного газа. Временной интервал Т устанавливается в зависимости от температурного коэффщиента частоты cL датчика температуры С выхода ключа 12 на счетчик 13 им пачка импульсов. пульсов поступает личество которых пропорционально значению Bj . В зависимости от состояния счетчика 13 имцульссйв на входе фунКциональной матрицы 14 устанавливается номер участка аппроксимацю, по которому функциональная матрица вырабатывает код суммирования на управляющем входе суммирующего устройства 11, таким образом что на л -м участке аппроксимации коэффшдаент передачи суммирующего устройства равен ц . В суммирующем устройстве 11 происходит суммирование ра&деленных частот, поступающих с делителя (3) 1158 10 частоты, таким образом, что за время Т на вход ключа 12 посгупает последовательное тъ импульсш, равная -%3 i i4i где 1 - порядковый номер участка аппроксимации;К;- среднее значение коэффициента j-ro участка аппроксимации; текущее значение обьемной доли влаги насыщенного газа j -го участка аппроксимации; Вы. Я1ечное значение обьемной доИ ш влаги { j-l)-ro участка аппроксимации. Если в формуду (5) подставить значение Т из выражения (4) и преоб разовать его, то получим, что N (6), следовательно сумма импульсш, поступающих с вькода ключа 12 на вход счэгчика 13 импульсов и на один из входов блока 16 перемножения за время измерения Т, равна объемной доле влагв насыщенного газа при .данной температуре, деленной на постоянный коэффициент, равный дискретности измерения. Блок 16 перемножения осуществляет перемножение сигналов, пропорциональных относительной влажности и объемной доле влаги насыщенного газа. Устройство ИНДИКШ1ИИ осуществляет индикацию ре.зультата измерения объемной доли влага в газе. Таким образом, введение в известный гигрометр новых элементов позволяет ус-корить, упростить и обеспечить непрерь(Ьность измерения объемной доли влаги в газах. Кроме того, упрекается конструкция гигрометра за счет исключения термостата и сложной системы термостатированкя чувствительно элемента. Формула изобретения 1. Сорбционно-частотный гигрометр, содержащий последовательно соедине1шые пьезосорбционный чувстинтепьный элемент, автогенератор, эталонный генератор с кварцевой стабилизацией частоты, устройство вычитания частот, второй вход которого соединен с эталонным генератором, преобразователь сигнала разностной частоты в аналоговый, дискретный или кодированный, сигналы и устройство индикации, отличающийся тем, что, с це993ЛБ1р ускорения, упрощения и обеспечения непрерывности измерения объемной доли влага в газе, в него введены преобразователь температуры газа в аналоговый, оискрегный или кодированный сигналы, пропорпиональный обьемной ixone влаги насьвценного газа, и блок перемножения выхооиых сигналов преобразователя относительной влажности и преобразователя температуры, причем один вход блока перемножения соединен с выходом преобраз1 ателя относительной влажности, другой вход соединен с выходом преобразователя температуры, а выход блока перемнсжения соединен с входом устройства индикации. 2. Гигрометр по п. 1, о г л и ч а ю щ и и с я тем, что Преобразователь температуры состоит из датчика температуры, содержащего темперагурно-чувсг вительный кварцевый резонатор, включен ный в схему автогенератора, эталонного кварцевого генератора, устройсгва вычитания частот эталонного генератора и ав тогенератора датчика температуры, один вход которого соединен с выходом автогенератора датчика температуры, а дру5гой вход средине } с выходом эталоннотхг генератора ,и преобразователя сигнала разностной чабтоты, состоящего нз tiocneдовате/шно ссединенных делителя частоты, суммирующего устройства, электронного ключа и счетчика импульсов, формирователя временных интервалов, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, и функциональной матрицы, вход которой соединен с управляющим выходом счетчика импульсов, а выход с управляющим входом суммирующего устройства, вькод электронного ключа подключен к одному из входов блока перемножения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 735964, кл. G OlM 25/56, 1979. 2.Иващенко В, Е. и др. Приборы для измерения относительной влажности воэпуха на сх:нове пьезосорбционного метода. Авгоматизсщия химических производств, вып. 4. М., НИИТЭХИМ, 1976, с. 6771 (прототип).