Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i urz adzenie do pomiaru wilgotno sci gazu, na zasadzie de- tekcji punktu rosy. Sposoby pomiaru wilgotno sci gazu, na zasadzie detekcji punktu rosy, polegaj a na tym, ze par e wodn a zawart a w badanym gazie doprowadza si e do stanu nasycania w drodze umieszczenia w tym gazie elementu ch lodzonego z lustrzan a górn a powierzchni a. W chwili gdy para wodna zaczyna kon- densowa c w postaci kropel rosy na lustrzanej powierzchni czyli w punkcie rosy dokonuje si e pomiaru temperatury, która jest temperatur a punktu rosy. Z warto sci temperatury punktu rosy, na podstawie znanej zale zno sci ci snienia pary nasyconej od temperatury, wyznacza sie zawartosc pary w badanym gazie w oparciu o znane zale zno sci termodynamiczne. Dok ladno sc pomiaru wilgotno sci tymi metoda- mi zale zy przede wszystkim od dok ladno sci detekcji punktu rosy. Znana jest detekcja optyczna punktu rosy, polegaj aca na kierowaniu na ch lodzon a powierzchni e, b ed ac a jednocze snie powierzchni a lustra, strumienia swiat la, który po odbiciu od lustra jest wprowadzany do przetwornika fotoelektrycznego. W momencie pojawienia si e kropel rosy czyli w punkcie rosy strumie n ulega rozproszeniu, co sygnali- zuje zmiana sygna lu wyj sciowego przetwornika. Inny znany sposób detekcji punktu rosy polega na pomiarze rezystancji lub impedancji pomi edzy dwoma elektrodami naniesionymi na g ladk a, ch lodzon a powierzchni e. Zmiana rezystancji lub impedancji sygnalizuje wyst apienie punktu rosy. Detekcji punktu rosy dokonuje si e tak ze metod a psychrometryczn a. Znane s a urz adzenia do pomiaru wilgotno sci gazu, na zasadzie detekcji punktu rosy, zawiera- jace detektor punktu rosy, najcz esciej w postaci p lytki, z lustrzan a górn a powierzchni a, omywany ba- danym gazem, umieszczony na elemencie ch lodz acym, po laczonym z uk ladem ch lodz acym. Urz a- dzenia zawieraj a czujnik temperatury sprz ezony z uk ladem pomiaru temperatury, po laczonym z uk la- dem pami etaj aco-przeliczaj acym oraz uk lad do detekcji punktu rosy po laczony, za po srednictwem komparatora, z uk ladem ch lodz acym. Niedogodno scia znanych sposobów jest niebezpiecze nstwo zniekszta lcenia wyników detekcji punktu rosy pod wp lywem zanieczyszcze n oraz w warunkach wyst epowania zjawiska wody przech lo- dzonej (dla temperatur ujemnych). Znane urz adzenia do pomiaru wilgotno sci charakteryzuje stosun- kowo skomplikowana budowa. Sposób pomiaru wilgotno sci gazu, na zasadzie detekcji punktu rosy, polegaj acy na doprowa- dzeniu pary wodnej zawartej w badanym gazie do stanu nasycania w drodze umieszczenia w tym gazie ch lodzonego czujnika punktu rosy, detekcji punktu rosy czyli momentu, gdy na powierzchni czujnika pojawiaj a si e krople rosy, pomiarze temperatury powierzchni czujnika w punkcie rosy i na- st epnie wyznaczeniu zawarto sci pary w badanym gazie z warto sci zmierzonej uprzednio temperatury punktu rosy na podstawie znanej zale zno sci ci snienia pary nasyconej od temperatury, wed lug wyna- lazku charakteryzuje si e tym, ze w celu detekcji punktu rosy, w ch lodzonym czujniku, umieszczonym w badanym gazie, generuje si e fal e ultrad zwi ekow a typu p lytowego i sledzi w sposób ci ag ly parametry tej fali. W chwili gdy parametry te ulegaj a zmianie, dokonuje si e pomiaru temperatury powierzchni czujnika, która jest temperatur a punktu rosy. Pojawienie si e kropel rosy na powierzchni czujnika w chwili kondensacji pary wodnej, czyli w punkcie rosy, powoduje bowiem zwi ekszenie obciazenia masowego powierzchni czujnika i t lumienie wytwarzanej w nim fali ultrad zwi ekowej. Ultrad zwi ekow a fal e p lytow a wytwarza si e w czujniku za pomoc a si l elektrostrykcji, elektrostatycznych lub magne- toelektrycznych. Urz adzenie do pomiaru wilgotno sci gazu, na zasadzie detekcji punktu rosy, zawieraj ace czujnik do detekcji punktu rosy, umieszczony na elemencie ch lodz acym i wyposa zony w czujnik temperatury sprz ezony z elementem do rejestracji temperatury, po laczonym z uk ladem pami etaj aco- -przeliczaj acym, zawieraj ace nadto przetwornik nadawczy po laczony z zasilaj acym go generatorem oraz z wej sciem komparatora oraz przetwornik odbiorczy po laczony tak ze z wej sciem komparatora, którego wyj scie jest po laczone z uk ladem ch lodz acym, wed lug wynalazku, jako czujnik do detekcji punktu rosy zawiera cienk a, sprezyst a membran e, wykonan a na pod lo zu krzemowym, na powierzchni której s a umieszczone przetwornik nadawczy i przetwornik odbiorczy, korzystnie piezoelektryczne, elektrostatyczne lub magnetoelektryczne. W odmianie urz adzenie zawiera dwie membrany o identycznych parametrach, wykonane na pod lo zu krzemowym, z laczone ze wspólnym uk ladem ch lodz acym, z których jedna stanowi czujnik do detekcji punktu rosy, za s druga, odizolowana od wp lywu badanego gazu, jest czujnikiem temperatury, z laczonym z elementem do rejestracji temperatury.PL 203 537 B1 3 Sposób i urz adzenie wed lug wynalazku eliminuj a niedogodno sci wyst epuj ace w dotychczaso- wych metodach pomiaru wilgotno sci gazu. Nadto zaleta urz adzenia wed lug wynalazku jest mo zliwosc jego miniaturyzacji. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przyk ladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urz adzenia z jednym czujnikiem membranowym, zas fig. 2 - schemat urz adzenia z dwoma czujnikami membranowymi. W celu wyznaczenia wilgotno sci powietrza, umieszczono w nim cienk a membran e 4 wykonan a na pod lozu krzemowym, któr a poddano ch lodzeniu za pomoc a elementu ch lodz acego Peltiera 7 i równocze snie generowano w niej ultrad zwi ekow a fal e p lytow a - fal e Lamba przy pomocy piezoelek- trycznego przetwornika nadawczego 2. W sposób ci ag ly sledzono amplitud e i pr edko sc fazow a fali ultrad zwi ekowej, generowanej w membranie 4. W chwili zmiany parametrów tej fali, co nast api lo na skutek pojawienia si e kropel rosy na powierzchni membrany 4 (w punkcie rosy), dokonano, za pomo- c a termoelementu 8 umieszczonego na powierzchni membrany 4, pomiaru temperatury, która by la temperatur a punktu rosy. Równocze snie zmniejszono intensywnosc ch lodzenia membrany 4 a z do osuszenia jej powierzchni i membrana 4 by la gotowa do nast epnego pomiaru. W wyniku cyklicznego ch lodzenia i ogrzewania powierzchni membrany 4 o niewielkiej masie, ustalono sredni a temperatur e punktu rosy. Wynik pomiaru temperatury punktu rosy wprowadzono, za po srednictwem przetwornika 9, do komputera wyposa zonego w program, który z warto sci tej temperatury, w oparciu o znan a za- le znosc ci snienia pary nasyconej od temperatury, dokona l wyliczenia wilgotno sci powietrza. Urz adzenie do pomiaru wilgotno sci gazu, przedstawione na fig. 1, jest wyposa zone w spr ezyst a membran e 4, wykonan a na pod lo zu krzemowym, umieszczon a na elemencie ch lodz acym Peltiera 7. Na powierzchni membrany 4 s a umieszczone elektrody termoelementu 8 polaczonego, za po srednic- twem przetwornika 9 rejestruj acego temperatur e, z komputerem wyposa zonym w program, który na podstawie warto sci temperatury punktu rosy, w oparciu o znan a zale znosc ci snienia pary nasyconej od temperatury, dokonuje wyliczenia wilgotno sci powietrza. Na powierzchni membrany 4 jest umiesz- czony piezoelektryczny przetwornik nadawczy 2, po laczony z generatorem 1 oraz piezoelektryczny przetwornik odbiorczy 3 po laczony, za po srednictwem wzmacniacza 5, z wej sciem komparatora 6. Z wej sciem komparatora 6 jest po laczony tak ze generator 1, za s z wyj sciem komparatora jest po la- czony element ch lodz acy 7. W celu dokonania pomiaru za pomoc a urz adzenia przedstawionego na fig. 1, membran e 4, usy- tuowan a na elemencie ch lodz acym 7, umieszcza si e w badanym gazie i uruchamia generator 1 zasila- jacy przetwornik nadawczy 2, który przy pomocy si l elektrostrykcji wytwarza w membranie 4 p lytow a fal e ultrad zwi ekow a. Sygna l z generatora 1 jest doprowadzany równocze snie do komparatora 6. Prze- twornik odbiorczy 3 dokonuje detekcji parametrów tej fali. Sygna l z przetwornika 3, po wzmocnieniu we wzmacniaczu 5, jest wprowadzany do komparatora 6 steruj acego prac a elementu ch lodz acego 7. W chwili pojawienia si e kropel rosy na powierzchni membrany 4 wzrasta t lumienie fali ultrad zwi ekowej (maleje amplituda oraz pr edko sc fazowa fali) i w tym momencie termoelement 8, dokonuje pomiaru temperatury powierzchni membrany 4 przy pomocy termoelementu 8 i wynik pomiaru, za po srednic- twem przetwornika 9, jest wprowadzany do komputera. Sygna l z przetwornika 3, zmieniony w wyniku t lumienia fali ultrad zwi ekowej, wprowadzony do komparatora 6, powoduje zmian e sygna lu wyj sciowe- go komparatora 6 steruj acego prac a elementu ch lodz acego 7. Membrana 4 jest s labiej ch lodzona, w wyniku czego nast epuje osuszenie jej powierzchni. Z chwil a osuszenia powierzchni membrany 4 parametry fali ultrad zwi ekowej zmieniaj a si e (wzrasta amplituda i pr edkosc fazowa fali), zmieniony sygna l z przetwornika 3, wprowadzony do komparatora 6, powoduje wzrost intensywno sci ch lodzenia membrany 4 i cykl pracy urz adzenia powtarza si e. W wyniku cyklicznego ch lodzenia i ogrzewania membrany ustala si e sredni a temperatur e punktu rosy. Na podstawie warto sci sredniej temperatury punktu rosy, w oparciu o znan a zale zno sc ci snienia pary nasyconej od temperatury, program kompu- tera dokonuje wyliczenia wilgotno sci powietrza. Wynik pomiaru odczytuje si e na ekranie monitora. W drodze odpowiedniego doboru warunków generacji fali, parametrów membrany 4 i parametrów przetworników 2 i 3, zmniejsza si e zale zno sc wyników pomiaru temperatury punktu rosy od warunków zewn etrznych. Urz adzenie do pomiaru wilgotno sci gazu, przedstawione na fig. 2, jest wyposa zone w dwie spr ezyste membrany 4 i 10, o identycznych parametrach, wykonane na pod lo zu krzemowym, umiesz- czone na wspólnym elemencie ch lodz acym Peltiera 7. Na powierzchni membrany 10, zabezpieczonej przed kontaktem z wilgotnym gazem, s a umieszczone dwa przetworniki 11 i 12, umieszczone w p etli sprz ezenia zwrotnego wzmacniacza 13, którego wyj scie jest polaczone, za po srednictwem przetwor-PL 203 537 B1 4 nika 9 rejestruj acego temperatur e, z komputerem. Na powierzchni membrany 4 jest umieszczony pie- zoelektryczny przetwornik nadawczy 2, po laczony z generatorem 1 oraz piezoelektryczny przetwornik odbiorczy 3 po laczony, za po srednictwem wzmacniacza 5, z wej sciem komparatora 6. Z wej sciem komparatora 6 jest po laczony tak ze generator 1, za s z wyj sciem komparatora 6 jest po laczony ele- ment ch lodz acy 7 oraz wej scie przetwornika 9. W celu dokonania pomiaru za pomoc a urz adzenia przedstawionego na fig. 2, element ch lodz a- cy 7 z membran a 4 oraz os loni et a membran a 10, umieszcza si e w badanym gazie i uruchamia gene- rator 1 zasilaj acy przetwornik nadawczy 2, który przy pomocy si l elektrostrykcji wytwarza w membra- nie 4 p lytow a fal e ultrad zwi ekow a. Sygna l z generatora 1 jest doprowadzany równocze snie do kompa- ratora 6. Przetwornik odbiorczy 3 dokonuje detekcji parametrów tej fali. Sygna l z przetwornika 3, po wzmocnieniu we wzmacniaczu 5, jest wprowadzany do komparatora 6 steruj acego prac a elementu ch lodz acego 7. W chwili pojawienia si e kropel rosy na powierzchni membrany 4 wzrasta t lumienie fali ultrad zwi ekowej (maleje amplituda oraz pr edkosc fazowa fali). Sygna l z przetwornika 3, zmieniony w wyniku t lumienia fali ultrad zwi ekowej, wprowadzony do komparatora 6, powoduje zmian e sygna lu wyj sciowego komparatora 6 steruj acego prac a elementu ch lodz acego 7. Membrana 4 jest s labiej ch lodzona. Zmiana temperatury elementu 7 powoduje zmian e cz estotliwo sci fali rozchodz acej si e w membranie 10. W chwili tej zmiany, za pomoc a uk ladu generatora, który stanowi a wzmacniacz 13 oraz umieszczone w jego p etli sprz ezenia zwrotnego przetworniki 11 i 12, dokonywany jest pomiar temperatury powierzchni membrany 10 poprzez pomiar cz estotliwo sci fali, a wynik pomiaru jest reje- strowany w przetworniku 9, sk ad jest wprowadzany do komputera. Wzrost temperatury membrany 4 powoduje osuszenie jej powierzchni. Z chwil a osuszenia powierzchni membrany 4 parametry fali ul- trad zwi ekowej zmieniaj a si e (wzrasta amplituda i pr edko sc fazowa fali), zmieniony sygna l z przetwor- nika 3, wprowadzony do komparatora 6, powoduje wzrost intensywno sci ch lodzenia membrany 4 i cykl pracy urz adzenia powtarza si e. Temperatura powierzchni membrany 4 oscyluje w pobli zu tem- peratury punktu rosy. Na podstawie warto sci temperatury punktu rosy, w oparciu o znan a zale znosc cisnienia pary nasyconej od temperatury, program komputera dokonuje wyliczenia wilgotno sci powie- trza. Wynik pomiaru odczytuje si e na ekranie monitora. PL