PL152306B1 - Sposób i czujnik do pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 152 306 POLSKA

Patent dodatkowy do patentu nr--Zgłoszono: 86 12 05 (P. 262838)

Pierwszeństwo--Int. Cl.⁵ G01N 25/66

URZĄD

PATENTOWY

RP

Zgłoszenie ogłoszono: 88 08 04

Opis patentowy opublikowano: 1991 06 28

CWKUH O 6 ll LH U

Twórcy wynalazku: Krystyna B. Kostyrko, Mirosław Baranowski

Uprawniony z patentu: Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Wzorców Materiałów, Warszawa (Polska)

Sposób i czujnik do pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu, przez detekcje temperatury kondensacji par nasyconych innych niż para wodna lub temperatury punktu rosy oraz czujnik do stosowania tego sposobu.

Dotychczas znane rozwiązania techniczne umożliwiające pomiar temperatury punktu rosy oparte są na zasadzie detekcji punktu rosy metodą optyczną. Układ detekcji rosy zawiera lustro chłodzone elementami Peltiera oraz zespół fotokomórek śledzących pojawienie się rosy na powierzchni lustra i sterujących działanie elementów Peltiera. Detekcja optyczna w tym typie higrometru trudna jest do realizacji szczególnie w zakresie niskiej temperatury punktu szronu, wymaga bowiem wydłużonego okresu wyczekiwania na zebranie się odpowiedniej ilości szronu dostatecznej do wykrycia przez układ optyczny. Znane są również elektryczne czujniki wilgotności z polskich opisów patentowych nr 53 416 oraz nr 89 801.

Znany dotychczas elektryczny czujnik wilgotności ma dwie elektrody pokryte masą oporową zasadniczo nierozpuszczalną w wodzie, przy czym pomiędzy końcami elektrod ma cienką warstwę z tej samej masy oporowej, zawierającej związek o słabej rozpuszczalności w wodzie. Znany jest również, opisany w polskim opisie patentowym nr 85 900, sposób określania momentu pojawienia się rosy na lusterku pomiarowym w urządzeniach do pomiaru wilgotności gazu. Sposób ten polega na tym, że na chłodzone lusterko pomiarowe z czujnikiem temperatury, o powierzchni najkorzystniej złoconej, kieruje się wiązkę promieni podczerwonych w zakresie widmowym 2,5 do 9μηι, a następnie wiązkę podczerwieni z lusterka kieruje się na detektor promieniowania podczerwonego.

Istotą wynalazku jest sposób pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu, który polega na tym, że detekcji temperatury punktu rosy dokonuje się chłodząc omywamy badanym gazem element drgający, najkorzystniej rezonator kwarcowy do temperatury kondensacji pary nasyconej, w której to temperaturze w szczelinie przyległej do powierzchni elementu drgającego, skrapla się para powodując tłumienie drgań elementu drgającego, przy czym

152 306 z wartości temperatury rosy określonej w momencie wytłumienia drgań elementu drgającego, wyznacza się zawartość pary w gazie na podstawie znanych zależności termodynamicznych.

Natomiast czujnik do pomiaru par w gazach zawiera blok pomiarowy oraz najkorzystniej radiator i blok podchładzacza, przy czym blok pomiarowy z rezonatorem kwarcowym dołączony jest do wejścia układu elektronicznego, którego sygnał napięciowy uzależniony jest od rezystancji dynamicznej rezonatora, przy czym blok pomiarowy zawiera wykonaną z izolatora termicznego obudowę składającą się z dwóch cylindrycznych elementów, z których górny posiada ukierunkowane współosiowo kanały: dolotowy i wylotowy, zaś dolny element posiada umieszczony centrycznie metalowy blok zakończony lustrem z wmontowanym pod powierzchnią czujnikiem temperatury, nad którym leży rezonator wsparty na wspornikach uformowanych z bloku, przy czym blok ten przylega najkorzystniej do radiatora tak jak i element Peltiera należący do bloku podchładzacza, którym jest komora utworzona po założeniu dwóch cylindrycznych elementów, przy czym jedną ściankę komory stanowi ścianka elementu Peltiera z wmontowanym na powierzchni termometrycznym czujnikiem, przy czym pomiędzy dolnym i górnym elementem oraz cylindrycznymi elementami są osadzone kołowe uszczelki. Rezonator kwarcowy w kształcie jednostronnie płaskiego dysku umocowany jest powierzchnią sferyczną nad płaskim lustrem o powierzchni równej powierzchni czynnej elektrody naniesionej na rezonator kwarcowy i tworzy z tą powierzchnią szczelinę o grubości minimalnej ograniczonej przez amplitudę poprzecznych drgań rezonatora kwarcowego, przy czym jest on podparty na obrzeżu w miejscach wyprowadzenia elektrod na wspornikach uformowanych w metalowym bloku zakończonym lustrem.

Zaletą urządzenia zawierającego czujnik według wynalazku · jest minimalizacja błędów pomiaru zawartości pary w gazie uzyskana dzięki wykorzystaniu czułości elementu pomiarowego jakim jest rezonator kwarcowy jak również, że uzależniony od rezystancji dynamicznej rezonatora kwarcowego sygnał wyjściowy, zarówno częstotliwościowy jak i napięciowy, pobierany z układu elektronicznego czujnika według wynalazku, niesie w sposób ciągły precyzyjną informację o ilości masy skroplin osadzonej na rezonatorze, a nie informację dyskretną o nagromadzeniu się określonej masy skroplin, jak przy detekcji optycznej.

Sposób pomiaru zawartości par w gazach oraz czujnik do tego sposobu wyjaśniono na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat bloku pomiarowego, radiatora i bloku podchładzacza w przekroju podłużnym, fig. 2 - układ blokowy połączenia rezonatora kwarcowego z układem elektronicznym.

Sposób pomiaru zawartości par w gazach zwłaszcza pary wodnej w powietrzu na zasadzie określenia temperatury kondensacji pary nasyconej, zwłaszcza temperatury punktu rosy, według wynalazku, realizuje się dokonując detekcji tej temperatury drogą chłodzenia omywanego badanym gazem elementu drgającego, rezonatora kwarcowego do momentu, w którym następuje wykroplenie z fazy gazowej pary, osiągającej stan nasycenia. W momencie tym w szczelinie przyległej do powierzchni elementu drgającego następuje pod naciskiem mechanicznym osiadającej rosy na element drgający, wytłumienie lub zerwanie drgań tego elementu drgającego. Wartość temperatury rosy określona w momencie wytłumienia drgań elementu drgającego jest temperaturą kondensacji pary nasyconej i z wartości tej temperatury przy znanej zależności ciśnienia pary nasyconej od temperatury, wyznacza się zawartość pary w gazie, ze znanych zależności termodynamicznych.

Czujnik do pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu, według wynalazku, zawiera blok pomiarowy oraz najkorzystniej radiator i blok podchładzacza. Blok pomiarowy czujnika zawiera rezonator kwarcowy 1 składający się z nietermoczułego kwarcu w kształcie jednostronnie płaskiego dysku z nałożonymi płaskimi równolegle do siebie ustawionymi elektrodami 3. Rezonator 1 usytuowany jest powierzchnią wypukłą blisko nad powierzchnią lustra 4 wykonanego w metalowym bloku 5, przy czym kwarcowy rezonator 1 wsparty jest na obrzeżu na wspornikach 6, w miejscach wyprowadzenia elektrod, uformowanych w metalowym bloku 5. Metalowy blok 5 pozostaje w kontakcie termicznym z elementem Peltiera 7. Pod powierzchnią płaskiego lustra 4 znajduje się czujnik temperatury 8. Blok pomiarowy czujnika zawiera obudowę złożoną z dwóch, wykonanych z materiału izolacyjnego, cylindrycznych elementów 12 i 13 zamykanych hermetycznie przy zastosowaniu uszczelki 14 typu Oring. Do równoległej szczeliny 9 ograniczonej przez powierzchnię elektrody 3 oraz przez powierzchnię lustra 4 dopływa gaz badany

152 306 przewodem 10, wypływa zaś przewodem 11, przewody te usytuowane zostały równolegle do elementów 12 i 13. Część obudowy 12 z wbudowanym elementem Peltiera 7 przymocowana jest do radiatora 15 w sposób zapewniający kontakt termiczny elementu Peltiera z chłodną powierzchnią radiatora 15. Blok podchładzacza składa się z dwóch cylindrycznych elementów 16 i 17 zamykanych hermetycznie przy zastosowaniu uszczelki typu Oring 18 i tworzących po założeniu izolowaną termiczne komorę 19, której jedną ścianę stanowi element Peltiera 20 z wmontowanym na powierzchni czujnikiem temperatury 21. Rezonator kwarcowy 1 dołączony jest do wejścia układu elektronicznego 2, np. generatora wielkiej częstotliwości, którego napięciowy sygnał wyjściowy uzależniony jest od rezystancji dynamicznej rezonatora kwarcowego 1.

W temperaturze kondensacji pary nasyconej drgania rezonatora kwarcowego 1 zostają wytłumione pod naciskiem kondensatu tworzącego się w szczelinie przyległej do rezonatora. Wartość sygnału napięciowego odbieranego z układu elektronicznego 2 spada wówczas o kilka rzędów. Uformowany z tego sygnału, w dowolnym układzie sterowania impuls sterowania, oddziałowuje na zasilacz elementu Peltiera 7 i zmniejsza moc jego zasilania. Pozostające w kontakcie termicznym z elementem 7 lustro 4 ogrzewa się wówczas pompując ciepło z otoczenia, kondensat odparowuje i uwolniony rezonator kwarcowy zaczyna drgać swobodnie. W momencie powrotu drgań rezonatora kwarcowego 1 odpowiednio uformowany w układzie elektronicznym 2 sygnał napięciowy oddziaływuje ponownie na moc zasilania elementów Peltiera zwiększając ją i chłodząc znów układ do temperytury kondensacji pary nasyconej tj. do temperatury osiadania rosy.

Czujnik według wynalazku przeznaczony jest do pomiaru zawartości par w gazach i stosowany może być zwłaszcza do pomiaru temperatury punktu rosy w takich dziedzinach jak suszarnictwo, klimatyzacja, przemysł chemiczny.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru zawartości par w gazach, zwłaszcza pary wodnej w powietrzu, na zasadzie określania temperatury kondensacji pary nasyconej, zwłaszcza temperatury punktu rosy, znamienny tym, że detekcji tej temperatury dokonuje się chłodząc omywany badanym gazem element drgający, najkorzystniej rezonator kwarcowy do temperatury kondensacji pary nasyconej, w której to temperaturze w szczelinie przyległej do powierzchni elementu drgającego, skrapla się para powodując tłumienie drgań elementu drgającego, przy czym z wartości temperatury rosy określonej w momencie wytłumienia drgań elementu drgającego wyznacza się zawartość pary w gazie na podstawie znanych zależności termodynamicznych.

2. Czujnik do pomiaru zawartości par w gazach zwłaszcza pary wodnej w powietrzu, znamienny tym, że zawiera blok pomiarowy oraz najkorzystniej radiator (15) i najkorzystniej blok podchładzacza, przy czym blok pomiarowy z rezonatorem kwarcowym (1) dołączony jest do wejścia układu elektronicznego (2), którego sygnał napięciowy uzależniony jest od rezystancji dynamicznej rezonatora, przy czym blok pomiarowy zawiera wykonaną z izolatora termicznego obudowę składającą się z dwóch cylindrycznych elementów, z których górny (13) posiada ukierunkowane współosiowo kanały dolotowy (10) i wylotowy (11), zaś dolny element (12) posiada umieszczony centrycznie metalowy blok (5) zakończony lustrem (4) z wmontowanym pod powierzchnią czujnikiem temperatury (8), nad którym leży rezonator (1) wsparty na wspornikach (6) uformowanych z bloku (5), przy czym blok (5) przylega do elementu Peltiera (7), który z kolei przylega najkorzystniej do radiatora (15) tak jak i element Peltiera (20) należący do bloku podchładzacza, którym jest komora (19) utworzona po złożeniu dwóch cylindrycznych elementów (16 i 17), przy czym jedną ściankę komory (19) stanowi ścianka elementu Peltiera (20) z wmontowanym na powierzchni czujnikiem termometrycznym (21), przy czym pomiędzy elementami (12 i 13) oraz (16) i (17) są dwie kołowe uszczelki (14,18).

3. Czujnik według zastrz. 2, znamienny tym, że rezonator kwarcowy (1) w kształcie jednostronnie płaskiego dysku umocowany jest powierzchnią sferyczną nad płaskim lustrem (4) o powierzchni równej powierzchni czynnej elektrody (3) naniesionej na rezonator kwarcowy (1) i tworzy z tą powierzchnią szczelinę (9) o grubości minimalnej ograniczonej przez amplitudę poprzecznych drgań rezonatora (1), przy czym jest on podparty na obrzeżu w miejscach wyprowadzenia elektrod (3) na wspornikach (6) uformowanych w metalowym bloku (5) zakończonym lustrem (4).

Zalkład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

Cena 3000 zł