Конденсационный фотоэлектрический гигрометр Советский патент 1982 года по МПК G01N21/81 

1

Изобретение относится к влагометрии и может найти применение в машиностроении, преимущественно в установках контроля состава технологических атмосфер по их влажности.

Известен конденсационный фотоэлектрический гигрометр, содержащий первичный преобразователь с установленными в нем холодильником, зеркалом, датчиком температуры, фотодетектором слоя росы и устройством очистки зеркала, схему регулирования слоя росы, вторичный прибор с программным элементом и блоком памяти. В гигрометре через определенные интервалы времени производят контроль состояния зеркала и при необходимости его очистку С13

Недостаток известного гигрометра состоит в пониженной кадежности, обусловленной использованием электромеханических элементов с ограниченным числом ерабатьтаний (программный переключатель, управляющий режимом работы гигрометра.

блок памяти, выполненный в виде реле с самоблокировкой, конечный переключатель, ставящий на самопитание двигатель очистки на время одного оборота щетки).

Наиболее близким техническим реше- нием к предлагаемому является конденсационный фотоэлектрический гигрометр, содержащий полупроводниковый охладитель с установленными на нем зеркалом и дат

10 чиком температуры, источншс света, последовательно соединенные фоторезистор и переменный резистор, предварительный усилитель, соединенный с фоторезистором, источник калиброванного напряжения, диф15ференциальный усилитель мощности, пер- .вый вход которого подключен к предварительному усилителю, второй вход - к источнику калиброванного напряжения, а выход - к полупроводниковому охладителю,

20 .вторичный прибор, соединенный с блоком запоминания и датчиком температуры, детектор порогового напряжения и динамический детектор, входы которых подклю-

чеиы к выходу предварительного усилителя, детектор рассогласования,; вход которого подключен к выходу вторичного прибора, и генератор управляющего напряжения, первый вход которого подключен к вы ходу детектора рассогласования, второй и третий входы подключены к выходам динамического детектора и детектора порогового напряжения соответственно, а первый и второй выходы - к блоку запоминания и первому входу дифференхшального усилителя мощности соответственно. При включении гигрометра в сеть питания зеркало охлаждается полупроводниковым охладителем. Измерительнь1й прибор при этом отключен. После выпадения росы на зеркале и стабилизации режима поД; держания заданного слоя росы подключает ся вторичный прибор и происходит коррекция его показаний. В момент совпадения показаний вторичного прибора со значением температуры, измеренной датчиком тем пературы, вторичный прибор и охладитель отключаются. При этом происходит нагрев зеркала и испарение рЪсы с него. После полного испарения росы цикл повторяется 2 . Однако гигрометр недостаточно надежен вследствие того, что от цикла к циклу на поверхности -зеркала накапливаются механические частицы, вызывающие уменьшение отражательной способности зеркала и увеличение потенциала на выходе предварительного усилителя в момент отсутствия росы. При достижении потенциалом порога срабатывания детектора по;роговоЬо напряжения нагрев зеркала сохраняется и при полном испарЪнии росы. При этом автоколебательный режим работы прекращается и гигрометр теряет работоспособность. Кроме того, прекращение автоколебательного режима не находит отражения на шкале вторичного прибора, так как; он сохраняет результаты последнего к морения, которые могут отличаться от истинного значения точки росы в данный момент. Цель изобретения - повышение надежности и достоверности показаний. Поставленная цель достигается тем, что ковденсационный фотоэлектрический гигрометр, содержащий полупроводниковый охладитель с установленными на нем зеркалом и датчиком температуры, источник света, последовательно соединенные фоторезистор и переменный резистор, предварительный усилитель, соединенный с фоторезистором, источник калиброванного напряжения, дифференциальный усилитель мощности, первый вход которого подклю чек к предварительному усилителю, второй вход - к источнику калиброванного напряKBHHH, а выход - полупроводниковому охладителю, вторичный прибор, соединенный ; блоком запоминания и датчиком темпера1уры, детектор порогового напряжения и динамический детектор, входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, детектор рассогласования, вход которого подключен к выходу вторичного прибора,, и генератор управляющего напряжения, первый вход которого подключен к выходу детектора рассогласования, второй и третий входы - к выходам динамического детектора и детектора порогового напряжения соответственно, а первый и второй выходы - к блоку запоминания и первому входу дифференциального усилителя мощности соответственно, снабжен устройством очистки зеркала и селектором импульсов, вход которого подключен к точке соединения второго выхода генератора управляющего напряжения и первого входа дифференциального усилителя мощности, а выход - к устройству очистки зеркала. На чертеже показана блок-схема предлагаемого гигрометра. Устройство содержит полупроводниковый охладитель 1, на котором установлено зеркало 2 и датчик 3 температуры, которые находятся в тепловом контакте с зеркалом 2. Над зеркалом 2 установлен источник 4 света и фоторезистор 5, соединенный последовательно с переменным резистором 6, выполненным, например, в виде дополнительного фоторезисто- ра 7 с регулируемым источником 8 света. Точка соединения резисторов 5 и 6 подсоединена к входу предварительного усилителя 9, выход которого подсоединен к первому входу дифференциального усилителя 10 мощности, к второму входу которого подключен источник 11 калиброванного напряжения ( Е ). Выход дифференциального усилителя 10 мощности подсоединен к полупроводниковому охладителю l . Датчик 3 температуры соединен со вторичным прибором 12, соединенным с блоком 13 запоминания, вход которого подключен к первому выходу генератора 14 управляющего напряжения, второй выход последнего подключен к входу дифференциального усилителя J.O мощности. Устройство содержит динамический детектор 15 и детектор 16 порогового напряжения, входы которых подключены к выходу предварительного усилителя 9, и детектор 17 рассогласования, вход котор го подключен к вторичному прибору 12. Выходь детекторов 17, 15 и 16 подключены соответственно нэ первый, второй и третий входы генератора 14 управляющего напряжения. Устройство дополнительно снабжено селектором 18 импульсов, вход которого подсоединен к второму выходу генератора 14 управляющего напряжения, а выход к устройству очистки зеркала, выполненному в виде двигателя 19 с,закрепленной на его валущеткой 20. Генератор 14 управляющего напряжени выполнен в виде электрически связанных электронных ключей : .двухвходового 21 и одновходовых - переключающего 22 и размыкающего 23. Ключ 21 снабжен элементом задержки на размыкание. замыкающих контактов для устранения сбоев в работе схемы при дви жении щетки 20. Задержка определяется временем переключения ключа 23. Устройство работает следующим образом. После включения питания на зеркале 2 роса отсутствует. При этом в точке соединения резисторов 5 и 7 и на входе предварительного усилителя 9 потенциал равен нулю. В случае, если этот потенциал окажется отличным от нуля, в гигро метре предусмотрена корректировка его путем изменения силы света источника 8 света. При нулевом потенциале на входе и, следовательно, на выходе предваритель ного усилителя 9 потенциал на первом входе и дифференциального усилителя Ю мощности и входах детекторов 15 и 16 также равен нулю. Под действием потенциала Е от источника 11 калиброванного напряжения дифференциальный усилитель 10 мощности включает полный ток охлаждения зеркала 2. До тех пор, пока на зер кале 2 не выпадает роса, на выходах детекторов 15 и 16 устанавливается логический нуль. Детектор 17 рассогласовани формирует на своем выходе логическую единицу до тех пор, пока температура, измеренная датчиком 3 температуры, отличается от показаний вторичного прибора 12, т. е. в переходном режиме после включения гигромеи-ра на выходе детектора 17 рассогласования в общем случае присутствует логическая единица. Эта логическая единица поступает на первый вход генератора 14 управляющего напряжения, и пройдя через ключ 21, переключает ключ 22. Однако при отсутствии сигнала на входах генератора 14 на его выходах сигнал также отсутствует, что обеспечивает режим охлаждения зеркала и неизменность показаний вторичного прибора 12 (так как нал1гчие логического нуля на входе блока 13 запоминания приводит, например, к отключению балансирного двигателя вторичного прибо{эа 12). В момент, когда температура зеркала 2 достигает температуры конденсации, на нем начинает выпадать роса, что прттодит к изменению светового потока на фоторезиетор 5 и, следовательно, к изменению потенпиала на выходе предварительного усилителя 9, на входах дифференщ1ального ус№лителя 10 мощности и детекторов 15 и 16. Причем в начале осаждения росы ерабатъгоает только динамический детектор 15, который формирует лог1гческую единицу на выходе. Такая функция динамического детектора обеспечивается дифференцированием изменяющегося входного сигнала и выпрямлением полученной производной. Однако логическая единица, поступившая с у.кнамического детектора 15, не проходит на выход генератора 14 управляющего напряжения, так как замьпсающие контакты ключа 21 остаются разомкнутыми. Под воздействием логической единицы, поступающей с динамического детектора 15, ключ 23 размыкается. По мере осаждения росы сигнал на выходе предварительного усилителя 9 возрастает до величины порога срабатывания Е/2. детектора 16 порогового напряжения. При этом должно быть вьтолнено условие , т. е. детектор 16 отмечает наличие росы раньще, чем ее слой . достигает величины, определяемой напряжением Е и поддерживаемой системой регулирования. По достижении напряжения на входе детектора 16 величины порога срабатывания на его выходе появляется логическая единица. Однако и этот сигнал не проходит на выход генератора 14 изза того, что ключ 23 разомкнут. В момент, когда напряжение на выходе предварительного усилителя 9 достигает величины EJ, , система регулирования после нескольких колебаний стабилизирует слой росы и, следовательно, напряжение на выходе предварительного усилителя 9. Одновременно на выходе динамического детектора 15 логическая единица сменяется на нуль, ключ 23 возврашаептя в 79 исходное состояние и логическая единица детектора порогового напряжения 16про- ходит на ключ 22. Дальнейлий путь, сигкала зависит от того, совпадает ли произведенное датчиком 3 температуры измеренйе с показаниями вторичного прибора 12 или нет. В случае несовпадения этих показаний логическая единица, постртающая на вход ключа 22, проходит на первый выход генератора 14 управляющего напряжения, а затем на вход блока 13 запоминания. Балаисирный двигатель (не показан) вторичного прибора 12 получает , питание и производит коррекцию показаний вторичного прибора 12. В момент, когда показания вторичного прибора 12 совпа- дают с измеренным значением точки росы на выходе детектора 17 рассогласования и ка входе блока 13 запоминания сигна- лы становятся равными нулю и цепь балан сириого двигателя вторичного прибора 12 размыкается, чем обеспечивается запоминание результата измерения. Одновременно логическая единица, присутствующая на входе ключа 22, поступает на второй вы- ход генератора 14 управляющего напряжения и переключает ключ 21. Сигнал со второго выхода генератора 14 поступает на первый вход дифференциального усилителя 10 и отключает ток охлаждения. Б том случае, когда измеренная температура совпадает с показаниями вторичного прибора 12, на выходе детектора 17 рассогласования сигнал рассогласования равен нулю, следовательно, ключ 22 остается в исходном положении. При этом логическая единица, присутствующая на входе ключа 22, поступает на второй выход генератора 14 управляющего напряжения, переключает ключ 21 и, поступая на первый вход дифференциального усилителя 10 мощности, отключает ток охлаждения. Сигнал со второго выхода генератора 14 уп1эавлшощого напряжения поступает также на вход селектора 18 импульсов. Причем на ЕГО вйходе логическая единица появляется только по истечении времени большего, чем время, необходимое для полного испарения росы с зеркала при его нагреве Нагрев зеркала и начало испарения росы вызывает появление логической единицы . на выходах детекторов 17 и 15. Однако сигнал на выходах генератора 14 управ.ляющаго напряжения остается неизменным, так как логическая единица с выхода детекпзра 17 рассогласования не проходит на ключ 22 из-за того, что размыкающие контакты ключа 2 1 поддерживаются в разомкнутом состоянии сигналом с выхо- 3458 да размыкающих контактов кпзоча 22. Сигнал с выхода динамического детектора 15, воздействуя на ключ 23, отключает сигнал с детектора 16 порогового напряжения., При этом источником сигнала, поступающего на 1второй выход генератора 14, становится динамический детекфор 15. Сигнал на его выходе и, следовательно, сигнал на втором выходе генератора 14 упр авляюшего напряжения (и соответственно нагрев зеркала) сохраняется до полного испарения конденсата. Изменение сигнала на выходе детектора 16 порогового напряжения не передается на выход генератора 14, так как сигналом с его второго входа отключен ключ 23. В момент, когда заканчивается испарение росы, на выходе динамического детектора 15 и на выходах генератора 14 управляющего напряжения сигналы становятся равными нулю, и гигрометр приходит в исходное состояние. По5шление нулевого сигнала на втором выходе генератора 14 приводит к включению полного тока охлаждения и отключению селектора 18 импульсов, который после отключения сигнала на входе переходит в первоначальное состояние, и цикл работы гигрометра повторяется. В процессе работы гигрометра на по- верхности зеркала 2 осаждается слой загрязнения, который уменьшает его отражающую способность. Это вызывает увеличение потенциала на выходе предварительного усилителя 9 в момент отсутствия росы. Величина потенш1ала тем больше, чем больше слой загрязнения, и при достижении за счет загрязнения на выходе предусилителя 9 потенциала большего Е на выходе детектора 16 порогового напряжения логическая единица сохраняется и после полного испарения росы. Это приводит к прекращению автоколебательного режима работы гигрометра и поддержанию сигнала на втором выходе генератора 14 управляющего напряжения на время, достаточное для срабатьтания селектора 18 импульсов, который не получает очередного отключающего сигнала (как при автоколебательном режиме) и по истечении заданного времени подключает двигатель 19 к второму выходу генератора 14 управляющего напряжения. Двигатель 19 получает питание и приводит в движение щетку 20 очистки. Схема гигрометра позволяет осуществить контроль за движением щетки и остановку ее после очистки зеркала в положение, когда зеркало полностью открыто. П{3оисходит это следующим образом. Вращаясь, щетка 20 перекрывает лучи света на фоторезистор 5, что вызьгоает увеличение потенциала на выходе предварительного усилителя 9 до значения большего .2.. Изменение потенциала в свою очередь вызьтает на выходе динамического детектора 15 появление сигнала {ло гическая единица), который через замьжа щие контакты ключей 21 и 22 поддерживает движение шетки 20. После полного закрытия зеркала 2 щеткой сигнал на выходе динамического детектора 15 превращается в нуль. Ключ 23 снова замыкается и сигнал (логическая единица) с детектора 16 порогового напряжения через ключ 22 и 23 поддерживает движение щетки 20. В момент .начала открытия зеркала на выходе динамического детектора 15 появляется сигнал (логическая единица.), который поддерживает движение щетки 2О до полного огкрытия зеркала. После полного открытия зеркала 2 на выходах детекторов 15 и 16 устанавливает ся сигнал логический нуль. Гигрометр готов к работе и цикл измерения повторяется Предлагаемое изобретение позволяет значительно увеличить надежность гигрометра за счет устранения сбоев в его работе, вызываемых загрязнением зеркала, и устранения необходимости выделения времени на контроль чистоты при работе гигрометра. Одновременно подключение элемента задержки ко второму выходу генератора управляющего напряжения позволяет использовать для управления двигателем устройства очистки зеркала динамический детектор, который является более надежным в эксплуатации по сравнению с механическим конечным переключателем, что . также способствует повышению надежност Формула изобретения Конденсационный фотоэлектрический , гигрометр, содержащий полупроводниковый 9 510 складитель с установленными на нем зеркалом и датчиком температуры, источ ник света, последовательно соединенные фоторезистор и переменный резистор, предварительный усилитель, соединенный с фоторезистором, источник калиброванного напряжения, дифференциальный усилитель мощности, первый вход которого подключен к предварительному усилителю, второй вход - к источнику калиброванного напряжения, а выход - к полупроводниковому охладителю, вторичный прибор, соединенный с блоком запоминания и датчиком температуры, детектор порогового напряжения и динамический детектор, входы которых подключены к выходу предварительного усилителя, детектор рассогласования, вход которого подключен к выходу вторичного прибора, и генератор управляющего напряжения, первый вход которого подключен к выходу детектора рассогласования, второй и третий входы - к выходам динамического детектора и детектора порогового напряжения соответственно, а первый и второй выходы - к блоку запоминания и первому входу дифференциального усилителя мощности, соответственно, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повьпиения надежности и достоверности показаний, он снабжен устройством очистки зеркала и селектором импульсов, вход которого подключен к точке соединения второго выхода генератора управл5Пощего напряжения и первого входа дифференциального усилителя мощности, а выход - к устройству очистки зеркала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2995359, кл. GO1N 21/81, 22.10.80. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2943918, кл. G01N 21/81, 24,06.82 (прототип).