Гигрометр точки росы Советский патент 1982 года по МПК G01N25/66 

(54) ГИГРОМЕТР ТОЧКИ РОСЫ Изобретение относится к измерительной тех(шке и предназначено для контроля и измерения влажности смеси газов, в частности воздуха и может быть использовано в технологических аппаратах химического, нефтеперерабатывающего металлургического . и других производств. Известен гигрометр, работающий на оптическом принципе и содержащий камеру с отражающей охлаждаемой поверхностью, источником света и фотоприемником, включенным в мостовую измерительную . схему {1 . Недостатком этого гигрометра является чрезвычайная сложность технологии изготовления внутренней отражающей поверхности камеры, имеющей форму эллипсоида вращения. Кроме того, чувствительность устройства недостаточна из-за того, что в объеме с охлаждаемы газом должно образовываться достаточное количество конденсата, чтобы появился выходной сигнал. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является гигрометр, состоящий и:} камеры лгобой удобной для технологического изготовления формы с входным и выходным отверстиями, с поверхностью, диффузно отражающей свет. В камере размещены, фотоприемники, по периметру чувствительной повер-хности одного из которых расположен повер-. тель и два термочувствительных элемента, одкй из которых расположен в области действия охладателя, а друтой - у одного из отверстий камеры, например, входного. Фотоприемники и термочувствительные элементы включены в измерительные схемы мостового Т1ша. Для увеличения эффекта поглощения и, следовательно, получения максимально возможной чувствительности, гигрометр работает в инфракрасной области излучения 2}. Однако при высокой чувствительности гигрометра его точность недостаточна из-за того, что при охлаждении фотоприемника меняется его характеристика н возникает погрешность в показага1ях (Пшикатора ( в измерительной диагонали термостата изл ерительной схемы, которая сбалансирована для неохлажденного фотоприел ника), определяемая флуктуацией термохаракгеристики фотоприемника. Кроме того, из-за нелинейной зависимости поглощения инфракрасшлх лучей от кон1дешрац га паров исследуемого газа точность разлиша при работе с газом различной конце1гграции. Целью изобретения является увеличе ше точности определения влажности исследуемой среды. Для достижения указа1шой цели в гигрометре точки росы, содержащем камеру с входным и выходным отверстиями, размещенные внутри камеры источт1к света, два фотонриемника, охладитель, два термочувствительных элемента один из которых расположен в зоне действия охладителя, а также измерительную схему, в которую включеггы фотоприемгогки и термочувствительные элементы, охладитель размещен в контакте с истопшком света, на оптической оси которого расположен один из фотоприемников, при этом другой фотоприемник ориентирован к этой оптической оси под углом , велитана которого лежит в диапазоне а а «2 где ul и «2 - соответственно гранищ{ые углы диаграммы направленности излучения источника света в отсутствие и при наличии конденсата на его поверхности. Кроме того, истощшк света снабжен светово дом, по периметру которого расположен охладитель. На чертеже схематично представлена конструкПИЯ камеры. В стенках камеры I размешен света 2, укреплетшш на световоде 3, по торцу которого размещен охладитель 4; соосно с источником света 2 на противоположной стороне камеры 1 расположен первый фотоприемник 5 в обойме диафрагмы: 6; под углом а, относительно оптической оси, на которой расположены источник света 2 и первый фотоприемник 5, расположен второй фотоприемник 7. Первый термоч вствительный элеме1гг 8 расположен в непосредственной близости к световоду 3 и охладителю 4, второй термочувствительный элемент 9 расположен в любой точке камеры I вне области действия охладителя предпочтительно у входного отверстия 10. Камера 1 имеет два технологических отверстия 10 и 11 для прокачки газа. Фотоприемник 5, 7 и термогувствительные элементы 8, 9 вютючены в мостовые измерительные схемы - фотомост 12 и термостат 13. Гигрометр работает следующим образом. Анализируемый газ протекает по камер 1, поступая в отверстие 10 и выходя из отверстия 11. Поток излучения, формируемый источником света 2, поступает на расположенный прямо напротив него фотоприемник 5 и в его выходной цепи начинает протекать ток, который . 97 4 уравновешивается током в других плечах фотомоста 12. , В исходном состоянии в отсутствие конденсата на поверхности световода 3 источник света 2 имеет узкую диаграмму направленности, которая характерна для таких источников света как светодиоды. Угол раствора ди;аграммы, отсчитанный от оптической оси не превышает 10°, и практически весь световой поток попадает на фотоприемник 5. Необходимую величину выходного тока фотоприемника 5, которая соответствует рабочей точке в середине его характеристики, устанавливают, регулируя освещенность входного окна фотоприемшпса с попощью диафрагмы 6. Термостат 13 в исходном состоянии также уравновещен. После включения охладителя 4 температура световода 3 понижается и на нем выпадает конденсат. ПояБле1ше капелек конденсата на поверхности световода 3 приводит к резкому изменению диаграммы направленности излучения вследствие диффузного рассеяния света, и угол увеличивается. Увеличение угла диаграммы направленности происходит практически мгновенно с выпадениеМ первых капелек конденсата, В результате световой поток поступает на входное окно второго фотоприемника 7, расноложенного под углом, меньшим предельного угла диаграммы излучения, и на выходе его появляется ток, а освещенность входного окна первого фотоприемника 5 уменьшается и выходной его ток также уменьшается. Таким образом при выпадении конденсата л:оявляется ток в измерительной диагонали фотомоста 12. Одновременно в измерительной диагонали термостата 13 тоже появляется ТОРС, пропордио нальный разности температур термочувствительных элементов 8 и 9, из которых элемент 8 охлаждается от непосредственного коьггакта с охладителем 4. Процесс конденсадии пара состоит из дву этапов - сначала происходит капел:ьная, затем наступает пленочная конденсадия. Уже на первом этане при появлении микрокапель на излучающей поверхности возникают услов1 я диффузного рассеяния света и диаграмма направленности изменяется практически скачком, причем угол раствора а 2 достигает 90°. Величина угла а2 не зависит от вида конденсата, так как конденсат любого газа имеет козффищ1ент преломления значительно превышающий козффиЩ1ент преломления самого газа и, таким образом, всегда будут соблюдены условия диффузного рассеяния света, в том числе и на конденсате водяного пара, присутствующего в смеси исследуемых газом. Толщина пленки кснденсата также не влияет на величину угла а, так как сигнал в измерительной схеме появляется еще на первом этапе конденсации. Фотоприемник 7 може быть установлен под любым углом в пределах 10° « 90. Гигрометр предлагаемой конструкции позво ляет производить отсчет непосредственно в еди 1шцах влажности, в которых проградуирована шкала индикатора в измерительной диагонали термостата 13. При иcпoльзoвa ши в качестве источника света и фотоприемника пары, работающей в инфракрасном диапазоне, чувствительность гигрометра, работающего на эффекте поглощения излучения в инфракрасной области спектра, будет высока. Точность регистрации точки росы достигаетс стабилизацией рабочей характеристики фотоприемника 5 за счет того, что фотоприемник 5 во время измерения находится при постоянной температуре, кроме того, благодаря возможное ти выбрать рабочую точку на середине рабочего участка характеристики, работа всегда происходит на квазилинейном участке характеристики, гго дает возможность работать с высокой точностью в широком диапазоне концентраций паров в исследуемой среде. Размещение охладителя 4 по торцу сЬетовода 3, соединехшого со световодом 2 позволяет увеличить надежность и долговечность работы гигрометра за счет того, что светодиод также работает при постоянной температуре. В качестве световода может быть использован столбик из стекла диаметром, равным диаметру светодиода. Остальные элементы конструкции гигрометра такие как охладитель и термочувствительные элементы, могут быть вьшолнены в виде полупроводникового холодильника и микротер мистеров, соответственно. 84 Предлагаемый гигрометр отличается простотой технологии изготовления, так как не требуется специальной обработки внутренней поверхности камеры для диффузионного рассеяния света. Формула изобретения 1. Гигрометр точки росы, содержащий каме ру с входным и выходным отверстиями, размещенные внутрикамеры источник света, два фотоприемника, охладитель , два термочувствительных элемента, один из которых расположен в зоне действия охладителя, а также измерительную схему, в которую включеш.1 вышеуказанные фотрпр иемники и гермочупствительнью элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения тошюсти измерений, в нем охладитель размещен в контакте с исгощшком света, на оптической оси которого расположен один из фотоприемга ков, при этом другой фотоприемник ориентирован к этой оптической оси под углом, величина которого лежит в дмапазоне ctj а сиг, где а -и а соответственно граш1чные углы диаграммы направленности излучения истовдика света в отс т:ствие и при наличии конденсата на его поверхности. 2 Гигрометр по п. 1, о т л н ч а ю щ- н йс я тем, что в нем источник света снабжен световодом, а охладитель размещен по его периметру. Источ1шют информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 359994, кл. G 01 N 25/66, 1974. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке NO 2871334/25, кл, G 01 N 25/66, 1980 (про- . тотип).