SU979978A1 - Гигрометр точки росы - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике 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 каме- . ры, имеющей форму эллипсоида вращения. ’ Кроме того, чувствительность устройства недостаточна из-за того, что в объеме с охлаждаемым газом должно образовываться достаточное количество конденсата, чтобы появился выходной .

i сигнал.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является гигрометр, состоящий из камеры любой удобной для технологиL веского изготовления формы с входным и выходным отверстиями, с поверхностью, диффузно отражающей свет. В камере размещены, фотоприемники, по периметру чувствительной поверхности одного из которых расположен повер-.< тель и два термочувствительных элемента, один из которых расположен в области действия охладителя, а другой — у одного из отверстий камеры, например, входного. Фотоприемники и термочувствительные элементы включены в измерительные схемы мостового типа.

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 показаниях индикатора ( в измерительной диагонали термостата измерительной схемы, которая сбалансирована для неохлажденного фотоприемника), определяемая флуктуацией термохарак герметики фото3 979978 4 приемника. Кроме того, из-за нелинейной зависимости поглощения инфракрасных лучей от концентрации паров исследуемого газа точность различна при работе с газом различной концентрации. ₅

Целью изобретения является увеличение точности определения влажности исследуемой среды.

Для достижения указанной цели в гигрометре точки росы, содержащем камеру с входным · ю и выходным отверстиями, размещенные внутри камеры источник света, два фотоприемника, охладитель, два термочувствительных элемента, один из которых расположен в зоне действия охладителя, а также измерительную схему, в и которую включены фотоприемники и термочувствительные элементы, охладитель размещен в контакте с источником света, на оптической оси которого расположен один из фотоприемников, при этом другой фотоприемник ориенти- jq рован к этой оптической оси под углом , вели-, чина которого лежит в диапазоне a j < а < а₂ 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 диаграммы, 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 фотоприемника с попощью диафрагмы 6.

Термостат 13 в исходном состоянии также уравновешен.

После включения охладителя 4 температура световода 3 понижается и на нем выпадает конденсат. Появление капелек конденсата на поверхности световода 3 приводит к резкому где a_t и а₂ — соответственно граничные углы диаграммы направленности излучения источника света в отсутствие и при наличии кон- 35 денсата на его поверхности.

Кроме того, источник света снабжен светово дом, по периметру которого расположен охладитель.

На чертеже схематично.представлена конструк-.₃₀ ция камеры.

В стенках камеры 1 размещен источник света 2, укрепленный на световоде 3, по торцу которого размещен охладитель 4; соосно с ис точником 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 термочувствительный элемент 8 расположен в непосредственной близости к световоду 3 и охладителю 4,.второй термочувствительный элемент 9 расположен в любой точке камеры 1 вне области действия охладителя предпочтительно у входного отверстия 10. Камера 1 имеет два технологических отверстия 10 и 11 для изменению диаграммы направленности излучения вследствие диффузного рассеяния света, и угол а увеличивается. Увеличение угла диаграммы направленности происходит практически мгновенно с выпадение'М первых капелек конденсата. В результате световой поток поступает на входное окно второго фотоприемника 7, расположенного 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 появляется ток в измерительной диагонали фотомоста 12.

Одновременно в измерительной диагонали термостата 13 тоже появляется ток, пропорциональный разности температур термочувствительных элементов 8 и 9, из которых элемент 8 охлаждается от непосредственного контакта с охладителем 4.

Процесс конденсации пара состоит из двух этапов — сначала происходит капел ьная, затем наступает пленочная конденсация. Уже на первом этапе при появлении микрокапель на излучающей поверхности возникают условия диффузпрокачки газа.

кого рассеяния света и диаграмма направлен·

Фотоприемник 5, 7 и термочувствительные элементы 8, 9 включены в мостовые измери- ⁵⁰ тельные схемы — фотомост 12 и термостат 13.

Гигрометр работает следующим образом.

Анализируемый газ протекает по камере 1, поступая в отверстие 10 и выходя из отверстия

11. Поток излучения, формируемый источником ⁵⁵ света 2, поступает на расположенный прямо напротив него фотоприемник 5 и в его выходной цепи начинает протекать ток, который , ности изменяется практически скачком, причем угол раствора а₂ достигает 90°. Величина угла а₂ не зависит от вида конденсата, так как конденсат любого газа имеет коэффициент преломления значительно превышающий коэффициент 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 конденсата также не влияет на величину угла а₂, так как сигнал в измерительной схеме появляется еще на первом этапе конденсации.

Фотоприемник 7 может быть установлен под любым углом в пределах 10° < а < 90°.

Гигрометр предлагаемой конструкции позво- $ ляет производить отсчет непосредственно в единицах влажности, в которых проградуирована шкала индикатора в измерительной диагонали термостата 13.

При использовании в качестве источника to света и фотоприемника пары, работающей в инфракрасном диапазоне, чувствительность гигрометра, работающего на эффекте поглощения излучения в инфракрасной области спектра, будет высока. 15

Точность регистрации точки росы достигается стабилизацией рабочей характеристики фотоприемника 5 за счет того, что фотоприемник 5 во время измерения находится при постоянной температуре, кроме того, благодаря возможное- jo ти выбрать рабочую точку на середине рабочего участка характеристики, работа всегда происходит на квазилинейном участке характеристики, что дает возможность работать с высокой точностью в широком диапазоне концентраций 25 паров в исследуемой среде.

Размещение охладителя 4 по торцу световода 3, соединенного со световодом 2 позволяет увеличить надежность и долговечность работы гигрометра за счет того, что светодиод также jo 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 выполнены в виде полупроводникового холодильника и микротермистеров, соответственно.

979978 6

Предлагаемый гигрометр отличается простотой технологии изготовления, так как не требуется специальной обработки внутренней поверхности камеры для диффузионного рассеяния света.

Claims (2)

1. (54) ГИГРОМЕТР ТОЧКИ РОСЫ Изобретение относитс  к измерительной тех (шке и предназначено дл  контрол  и измерени  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  вл етс  чрезвычайна  сложность технологии изготовлени  внутренней отражающей поверхности камеры , имеющей форму эллипсоида вращени . Кроме того, чувствительность устройства недостаточна из-за того, что в объеме с охлаждаемы газом должно образовыватьс  достаточное количество конденсата, чтобы по вилс  выходной сигнал. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  гигрометр, состо щий и:} камеры лгобой удобной дл  технологического изготовлени  формы с входным и выходным отверсти ми, 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 действи  охладател , а друтой - у одного из отверстий камеры, например, входного. Фотоприемники и термочувствительные элементы включены в измерительные схемы мостового Т1ша. Дл  увеличени  эффекта поглощени  и, следовательно, получени  максимально возможной чувствительности, гигрометр работает в инфракрасной области излучени  2}. Однако при высокой чувствительности гигрометра его точность недостаточна из-за того, что при охлаждении фотоприемника мен етс  его характеристика н возникает погрешность в показага1 х (Пшикатора ( в измерительной диагонали термостата изл ерительной схемы, котора  сбалансирована дл  неохлажденного фотоприел ника), определ ема  флуктуацией термохаракгеристики фотоприемника . Кроме того, из-за нелинейной зависимости поглощени  инфракрасшлх лучей от кон1дешрац га паров исследуемого газа точность разлиша при работе с газом различной конце1гграции. Целью изобретени   вл етс  увеличе ше точности определени  влажности исследуемой среды. Дл  достижени  указа1шой цели в гигрометре точки росы, содержащем камеру с входным и выходным отверсти ми, размещенные внутри камеры источт1к света, два фотонриемника, охладитель, два термочувствительных элемента один из которых расположен в зоне действи  охладител , 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 излучени  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 действи  охладител  предпочтительно у входного отверсти  10. Камера 1 имеет два технологических отверсти  10 и 11 дл  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, поступа  в отверстие 10 и выход  из отверсти  11. Поток излучени , формируемый источником света 2, поступает на расположенный пр мо напротив него фотоприемник 5 и в его выходной цепи начинает протекать ток, который . 97 4 уравновешиваетс  током в других плечах фотомоста 12. , В исходном состо нии в отсутствие конденсата на поверхности световода 3 источник света 2 имеет узкую диаграмму направленности, котора  характерна дл  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, котора  соответствует рабочей точке в середине его характеристики, устанавливают, регулиру  освещенность входного окна фотоприемшпса с попощью диафрагмы 6. Термостат 13 в исходном состо нии также уравновещен. После включени  охладител  4 температура световода 3 понижаетс  и на нем выпадает конденсат . По Бле1ше капелек конденсата на поверхности световода 3 приводит к резкому изменению диаграммы направленности излучени  вследствие диффузного рассе ни  света, и угол увеличиваетс . 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 излучени , и на выходе его по вл етс  ток, а освещенность входного окна первого фотоприемника 5 уменьшаетс  и выходной его ток также уменьшаетс . Таким образом при выпадении конденсата л:о вл етс  ток в измерительной диагонали фотомоста 12. Одновременно в измерительной диагонали термостата 13 тоже по вл етс  ТОРС, пропордио нальный разности температур термочувствительных элементов 8 и 9, из которых элемент 8 охлаждаетс  от непосредственного коьггакта с охладителем 4. Процесс конденсадии пара состоит из дву этапов - сначала происходит капел:ьна , затем наступает пленочна  конденсади . Уже на первом этане при по влении микрокапель на излучающей поверхности возникают услов1   диффузного рассе ни  света и диаграмма направленности измен етс  практически скачком, причем угол раствора а 2 достигает 90°. Величина угла а2 не зависит от вида конденсата, так как конденсат любого газа имеет козффищ1ент преломлени  значительно превышающий козффиЩ1ент преломлени  самого газа и, таким образом, всегда будут соблюдены услови  диффузного рассе ни  света, в том числе и на конденсате вод ного пара, присутствующего в смеси исследуемых газом. Толщина пленки кснденсата также не вли ет на величину угла а, так как сигнал в измерительной схеме по вл етс  еще на первом этапе конденсации. Фотоприемник 7 може быть установлен под любым углом в пределах 10° « 90. Гигрометр предлагаемой конструкции позво л ет 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 поглощени  излучени  в инфракрасной области спектра , будет высока. Точность регистрации точки росы достигаетс стабилизацией рабочей характеристики фотоприемника 5 за счет того, что фотоприемник 5 во врем  измерени  находитс  при посто нной температуре, кроме того, благодар  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 охладител  4 по торцу сЬетовода 3, соединехшого со световодом 2 позвол ет увеличить надежность и долговечность работы гигрометра за счет того, что светодиод также работает при посто нной 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 отличаетс  простотой технологии изготовлени , так как не требуетс  специальной обработки внутренней поверхности камеры дл  диффузионного рассе ни  света. Формула изобретени  1. Гигрометр точки росы, содержащий каме ру с входным и выходным отверсти ми, размещенные внутрикамеры источник света, два фотоприемника, охладитель , два термочувствительных элемента, один из которых расположен в зоне действи  охладител , а также измерительную схему, в которую включеш.1 вышеуказанные фотрпр иемники и гермочупствительнью элементы, отличающийс  тем, что, с целью повышени  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 излучени  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   тем, что в нем источник света снабжен световодом, а охладитель размещен по его периметру . Источ1шют информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 359994, кл. G 01 N 25/66, 1974.
2. 2.Авторское свидетельство СССР по за вке NO 2871334/25, кл, G 01 N 25/66, 1980 (про- . тотип).