PL231877B1 - Sposób pomiaru wilgotności powietrza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wilgotności powietrza, przeznaczony do zastosowania w urządzeniach do realizacji tego sposobu w różnych gałęziach przemysłu, laboratoriach badawczych, a także do użytku domowego. Sposób pomiaru bazuje na zmianie współczynnika załamania światła materiału higroskopijnego, która jest zależna od stopnia wilgotności powietrza.

Znanym sposobem wyznaczania wilgotności powietrza jest metoda wykorzystująca chłodzone lustro i realizowana poprzez bezpośredni pomiar temperatury punktu rosy. Sposób i urządzenie bazujące na tej metodzie znane są z opisu patentowego nr UA86512 (C2). Źródło światła wysyła promień na powierzchnię zwierciadła, którego temperatura regulowana jest najczęściej przez ogniwo Peltier'a. Detektor mierzy intensywność światła odbitego od lustra. W momencie pojawienia się kondensacji pary wodnej na powierzchni zwierciadła, część światła ulega rozproszeniu, co powoduje natychmiastowy spadek natężenia światła docierającego do detektora. Użycie tego sygnału w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pozwala kontrolować temperaturę lustra tak, by zachować stałą grubość skondensowanej warstwy. Jest ona wtedy w dynamicznej równowadze z otaczającym zwierciadło powietrzem. Zmierzona w tych warunkach temperatura lustra odpowiada temperaturze punktu rosy. Zaproponowane rozwiązanie wzbogacono o precyzyjny pomiar ciśnienia atmosferycznego. Niedogodnością takiego sposobu jest trudność w wyznaczeniu niskich temperatur punktu rosy, a stosowanie dodatkowych elementów, które to umożliwiają zwiększa koszt urządzenia i sprawia, że jest mniej wygodne w użytkowaniu.

Inny sposób i urządzenie umożliwiające pomiar wilgotności powietrza, bazujące na pomiarze optycznym, znane są z chińskiego zgłoszenia patentowego nr CN106290253 (A). Urządzenie obejmuje: szerokopasmowe źródło światła, polaryzator, trzy jednomodowe włókna światłowodowe, komorę wyposażoną w układy wlotu i wylotu powietrza oraz spektrofotometr. Właściwą część czujnika stanowi umieszczona wewnątrz komory światłowodowa siatka Bragga, pokryta warstwą tlenku grafenu, która jest wrażliwa na zmiany wilgotności. Zmiana wilgotności powietrza wprowadzonego do komory powoduje zmianę współczynnika załamania światła cienkiego filmu. To z kolei powoduje zmianę długości fali światła odbitego od siatki Bragga. Do detektora w postaci spektrofotometru dociera pozostała część widma, którego analiza pozwala określić wilgotność powietrza otaczającego czujnik.

Sposób i urządzenie do realizacji optycznego pomiaru wilgotności powietrza znane są również z amerykańskiego opisu patentowego nr US4641524 (A). Schemat ideowy czujnika według powyższego wynalazku obejmuje takie elementy jak: źródło światła o wąskim zakresie spektralnym, zwierciadło dielektryczne częściowo przepuszczające, a częściowo odbijające światło, dwa detektory oraz moduł analizujący sygnały pochodzące z obu detektorów. Przy czym zwierciadło dielektryczne złożone jest przynajmniej z kilku naprzemiennie ułożonych warstw o wysokim i niskim współczynniku załamania światła. Koncepcja czujnika opiera się na założeniu, że współczynnik odbicia/transmisji zwierciadła zmienia się w zależności od ilości pary wodnej zaabsorbowanej przez porowate warstwy dielektryczne. Część energii niesionej przez światło, która zostaje odbita, trafia do jednego z detektorów, a część która ulega transmisji - do drugiego. Element, do którego docierają oba te sygnały, analizuje stosunek ich energii i generuje sygnał wyjściowy, wskazujący poziom wilgotności powietrza.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 218000 (B1) znane jest urządzenie do pomiaru wilgotności powietrza charakteryzujące się tym, że chłodzona blaszka umieszczona jest pomiędzy dwoma ogniwami Peltiera, których zimne powierzchnie przylegają do chłodzonej blaszki, a każde z ogniw chłodzone jest cieczą poprzez bloki wodne umieszczone na każdym z nich, a całość układu dociśnięta jest do siebie za pomocą dwóch śrub, które umożliwiają zaciśnięcie ogniw Peltiera na chłodzonej blaszce oraz odsunięcie ich na czas ważenia blaszki, która to zawieszona jest na drucikach termopary umożliwiających pomiar temperatury blaszki, przy czym druciki umocowane są do dźwigni, opartej o dwa wsporniki, na których wyprowadzone są „zimne” końce termopary, przy czym dźwignia za pomocą cięgna połączona jest z wagą, a elementy pomiarowe umieszczone są w hermetycznej obudowie, z której wyprowadzone są przewody systemu chłodzenia wodnego, zapewniającego chłodzenie niezbędne do osiągnięcia dostatecznie niskiej temperatury blaszki pomiarowej, natomiast ciecz chłodząca w układzie chłodzenia porusza się w dwóch obiegach, pomiędzy którymi zainstalowane zostały ogniwa Peltiera z wymiennikami ciepła, a każdy z obiegów zaopatrzony jest w pompę wymuszającą obieg cieczy chłodzącej, w pierwszym obiegu przez radiator oddający ciepło do otoczenia, a w drugim obiegu przez bloki wodne odbierające ciepło od ogniw Peltiera chłodzących blaszkę pomiarową.

PL 231 877 B1

Wadą wyżej wymienionych rozwiązań pomiaru wilgotności powietrza jest złożoność konstrukcji urządzeń do realizacji tych sposobów, a także konieczność stosowania zasilania, co znacznie zwiększa koszt oraz obniża komfort użytkowania.

Celem wynalazku było opracowanie nowego sposobu pomiaru wilgotności powietrza który nie posiada powyższych ograniczeń, a dodatkowo charakteryzuje się dużą dokładnością i niewielkimi wymiarami urządzenia do realizacji tego sposobu.

Istota sposobu pomiaru wilgotności powietrza, według wynalazku, polega na tym, że powierzchnię pryzmatu z naniesioną cienką warstwą materiału wrażliwego na wilgoć, oświetla się wiązką światła. Część światła ulega załamaniu po przejściu przez przeciwległą powierzchnię pryzmatu i propaguje dalej, część natomiast ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Pole obserwacji umieszczone za pryzmatem jest więc podzielone na część oświetloną (jasną) i nieoświetloną (ciemną), a linia podziału jest bardzo wyraźna. Położenie tej linii jest zdeterminowane przez wartość kąta granicznego materiału higroskopijnego naniesionego na pryzmat, zależnego od współczynnika załamania światła, który ulega zmianie w zależności od stopnia wilgotności powietrza.

Korzystnie, jako warstwę substancji wrażliwej na wilgoć stosuje się materiał, którego współczynnik załamania światła jest funkcją wilgotności powietrza. Najkorzystniej materiałem wrażliwym na wilgoć jest tlenek grafenu lub polimerowy materiał higroskopijny, najkorzystniej jeśli zmienia się liniowo.

Korzystnie, zmiana współczynnika załamania światła materiału wrażliwego na światło następuje w sposób odwracalny.

Korzystnie, jako źródło światła stosuje się promieniowanie słoneczne.

Korzystnie, w polu obserwacji, za pryzmatem, umieszcza się skalę z naniesionymi wartościami wilgotności powietrza. Najkorzystniej rzutowane na skalę promienie ulegające załamaniu po przejściu przez drugą powierzchnię pryzmatu dają jasny obraz w polu obserwacji, a promienie, które ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu - ciemny, a linia rozgraniczająca te obszary wyznacza wartość wilgotności powietrza RH.

Przedmiot wynalazku przedstawiono bliżej w przykładzie wykonania oraz na załączonym rysunku, przedstawiającym schemat sposobu według wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Sposób pomiaru wilgotności powietrza polega na tym, że na jedną powierzchnię pryzmatu P o możliwie dużym współczynniku załamania światła n2 nanosi się warstwę materiału wrażliwego na wilgoć W - tlenku grafenu (GnO) o grubości 1-2 μm i współczynniku załamania ni, który zmienia się wraz ze zmianą wilgotności względnej powietrza. Warstwa W znajduje się w bezpośrednim kontakcie z otaczającym powietrzem o współczynniku załamania np. Pod wpływem pary wodnej, będącej składnikiem powietrza, warstwa tlenku grafenu zmienia swój współczynnik załamania światła ni, w zależności od jej stężenia. Warstwę W oświetla się wiązką światła słonecznego. Promień wejściowy PŚ pada na warstwę W i zostaje odchylony o kąt zależny od aktualnej wartości współczynnika załamania ni. Następnie ulega kolejnemu załamaniu przy przejściu do ośrodka o współczynniku załamania n2, z którego wykonany jest pryzmat P. Jeżeli kąt padania promienia na drugą powierzchnię pryzmatu P jest mniejszy od kąta granicznego 0g to ulega on kolejnemu załamaniu i przechodzi do następnego ośrodka. Natomiast gdy kąt padania jest większy od kąta granicznego 0g to ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu. Światło przechodzące przez pryzmat P rzutowane jest na odpowiednio wyskalowaną skalę S, która wyraźnie podzielona jest na obszar jasny i ciemny. Linia graniczna wyznacza względną wilgotność RH otaczającego powietrza, co przedstawiono na Fig. 1.

P r z y k ł a d 2

Sposób pomiaru wilgotności powietrza tak jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że jako warstwę materiału wrażliwego na wilgoć W stosuje się higroskopijny materiał polimerowy.

Claims (7)

1. Sposób pomiaru wilgotności powietrza znamienny tym, że na powierzchnię pryzmatu (P) nanosi się cienką warstwę materiału wrażliwego na wilgoć (W) i oświetla się wiązką światła (PŚ), część światła ulega załamaniu po przejściu przez przeciwległą powierzchnię pryzmatu (P) i propaguje dalej, a część ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, przy czym pole obserwacji umieszczone za pryzmatem jest podzielone na część oświetloną i nieoświetloną, a położenie linii podziału wskazuje poziom wilgotności powietrza RH.

PL 231 877 Β1

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako warstwę materiału wrażliwego (W) na wilgoć stosuje się materiał, którego współczynnik załamania światła jest funkcją wilgotności powietrza.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że materiałem wrażliwym na wilgoć (W) jest tlenek grafenu lub polimerowy materiał higroskopijny.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że współczynnik załamania światła materiału wrażliwego na wilgoć zmienia się liniowo wraz ze zmianą wilgotności powietrza.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako wiązkę światła (PŚ) stosuje się promieniowanie słoneczne.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w polu obserwacji, za pryzmatem (P), umieszcza się skalę (S) z naniesionymi wartościami wilgotności powietrza.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że rzutowane na skalę (S) promienie ulegające załamaniu po przejściu przez drugą powierzchnię pryzmatu (P) dają jasny obraz w polu obserwacji, a promienie, które ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu - ciemny, a linia rozgraniczająca te obszary wyznacza wartość wilgotności powietrza RH.