UA70166A - Moisture meter with thermocoulpes - Google Patents

Description

Опис винаходу

Винахід належить до галузі аналізу складу газоподібних речовин і може бути використаний для контролю 2 вологості повітря та інших газових середовищ за допомогою електротеплових засобів (підігрівної термопари).

В ряді випадків виникає необхідність контролю нерівномірності поля вологості в неоднорідних матеріалах та продуктах. Для цього вимірювання вологості проводять у різних точках об'єму, що контролюється, з подальшим обчисленням градієнту поля вологості. Такі задачі виникають при дослідженні розподілу вологи в спеціальному одязі, виготовленому із багатошарових тканин, в багатошаровій електричній ізоляції, в композиційних 70 матеріалах, а також при аналізі структури харчових продуктів. Великі габарити існуючих датчиків вологості не дозволяють проводити вимірювання вологості в малих об'ємах, а тим більше, в окремих точках простору.

Найбільш зручно у таких випадках застосовувати в якості чутливого елементу датчика робочий кінець підігрівної термопари, яка складається з двох дротяних електродів з різних термоелектричних матеріалів.

Малі габарити чутливого елементу термопари і суміщення в одному елементі не тільки теплоприймача, але й 19 електронагрівника, дозволяє контролювати вологість в малих об'ємах та важкодоступних місцях. Нагрів робочого кінця здійснюють електричним струмом, який пропускають по електродах термопари з використанням електротеплового ефекту Пельтьє в робочому спаї та електротеплового ефекту Джоуля в термоелектродах (див. Коротков П.А., Лондон Г.Е. Динамические контактнье измерения тепловьїх величин -Л. Машиностроение. 1974. -С.163-164).

При тій самій потужності нагріву або охолодження робочого кінця термопари її термоелектрорушійна сила (термоЕРС) функціонально залежить від тепловіддачі в середовище, що контролюється, а тому і від вологості цього середовища. Температуру середовища, що контролюється, визначають по термоЕгЕРС термопари при відсутності додаткового нагріву або охолодження, а вологість визначають при додатковому нагріві або охолодженні по калібрувальній кривій, яка знята для виміреної температури (див. Термоелектричні прилади 29 контролю / В.П. Гондюл, Д.Б.Головко, Ю.О.Скрипник, Г.І.Хімічева, Л.О.Глазков. -К.: Либідь, 1994. -С.66-68). «

Відомий термопарний вологомір (див. Високоточні вимірювання багатофункціональними термосенсорами: навчальний посібник / Д.Б.Головко, В.О.Дубровний, Ю.О.Скрипник, Г.І.Хімічева . - Либідь, 2000, -С.235-237), в якому для електричної розв'язки ланцюгів нагрівника та термоприймача використовують дві термопари, при цьому спай-нагрівник і спай-вимірювач або розташовуються поряд, або зварюються один з одним. о 30 Проте, термопарний вологомір, у якого робочі кінці (спаї) розташовуються поряд, має низьку чутливість Ге) через великий термічний опір повітря або електричної ізоляції. При зварюванні робочих кінців (спаїв) один з одним чутливість вологоміра робиться великою, але через скінчене значення опору спільного робочого кінця -- (спаю) електричний струм із термопари-нагрівника проникає у ланцюг вимірювальної термопари-приймача, що («з викликає похибку через зміщення характеристики вимірювальної термопари додатковою напругою. 325 Відомий також термопарний вологомір (див. Патент РФ М 2014590 МПК 501 М25/56, 1991, Бюл. Мо 11, 1994), - що містить два електроди із різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які утворюють спільний робочий кінець першої і другої термопар, два автоматичних перемикача, два диференційних підсилювача, послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч і фільтр нижніх частот, цифровий вольтметр. «

Крім того, схема відомого вологоміру включає два подільника напруги, третій диференційний підсилювач, З 50 другий фільтр нижніх частот і широкосмуговий підсилювач, що регулюється, вхід якого з'єднано з виходом с першого диференційного підсилювача, вихід з'єднаний з одним з входів другого диференційного підсилювача, з» вихід якого через другий фільтр нижніх частот з'єднаний з керуючим входом широкосмугового підсилювача, а другі входи другого і третього диференційних підсилювачів через подільники напруги з'єднані з джерелом постійної напруги. 45 Через необхідність почергового нагріву і охолодження спільного робочого кінця двох термопар період 7 переключення напряму струму через спільний робочий кінець вибрано більшим, ніж теплова стала термопари, ав | що обумовлює низьку швидкодію вологоміру (частота перемикань одиниці Гц). Наявність гальванічного зв'язку двох термопар через спільний робочий кінець викликає паразитне проходження знакозмінного струму - нагріву-охолодження на вхід першого диференційного підсилювача, що викривляє амплітуду змінної складової б 20 напруги, яка пропорційна вологості середовища, що контролюється. Таким чином, відомий термопарний вологомір має низьку швидкодію та невисоку точність при точковому контролі вологості та аналізі щи нерівномірності полів вологості.

В основу винаходу поставлено задачу створити такий термопарний вологомір, в якому введення нових елементів та зв'язків забезпечили б підвищення швидкодії і точності контрою вологості.

Поставлена задача вирішується тим, що в термопарний вологомір, який містить два електроди з різних в. термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які утворюють спільний робочий кінець першої і другої термопар, два автоматичних перемикача, два диференційних підсилювача, послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч і фільтр нижніх частот, цифровий вольтметр, згідно винаходу, введені генератор змінної напруги підвищеної частоти, міліамперметр, реостат і ключ, дві мідні колодки і джерело регульованої 60 напруги постійного струму, при цьому вільні кінці першої термопари з'єднані через міліамперметр, реостат, і ключ з парафазними виходами генератора змінної напруги підвищеної частоти, вільні кінці другої термопари розміщено на мідних колодках, які з'єднані з різноіменними входами автоматичних перемикачів, одноіїменні входи яких з'єднані між собою, виходи автоматичних перемикачів з'єднані із входами першого диференційного підсилювача, вихід якого з'єднано із входом фазочутливого випрямляча, керуючі входи якого з'єднані з бо парафазними виходами генератора змінної напруги підвищеної частоти, кожний з яких з'єднаний з керуючим входом першого і другого автоматичних перемикачів, вихід фільтра нижніх частот з'єднано з одним входом другого диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднаний з джерелом регульованої напруги постійного струму, а вихід з'єднаний із входом цифрового вольтметру.

Введення в схему термопарного вологоміру генератора змінної напруги підвищеної частоти, міліамперметра, реостата, ключа, двох мідних колодок і джерела регульованої напруги постійного струму, включених з іншими елементами вказаним чином, забезпечує додатковий нагрів спільного робочого кінця двох термопар змінним струмом першої термопари та формування напруги постійного струму, пропорційній вологості, в другій термопарі на фоні паразитної напруги змінного струму. Періодичне перемикання напруг на виході другої термопари з /о частотою генератора підвищеної частоти автоматичними перемикачами перетворює постійну інформаційну напругу у змінну, а паразитну змінну напругу - в постійну. Наступне підсилення і фазочутливе випрямлення забезпечує виділення інформаційної складової напруги у вигляді постійної напруги, яка вимірюється вольтметром, а паразитна напруга у вигляді змінної напруги заглушується фільтром нижніх частот. В результаті можна значно підвищити частоту зміни напрямку струму через спільний робочий кінець та виключити вплив /5 гальванічного зв'язку двох термопар на інформаційну складову змінної напруги, що забезпечує високу швидкодію термопарного вологоміру і точність контролю вологості.

На кресленні подана електрична схема термопарного вологоміру.

Схема вологоміру вміщує генератор 1 змінної напруги підвищеної частоти, до парафазних виходів якого через міліамперметр 2, реостат З і ключ 4 підключені дротяні електроди 5 і б термопар із різних 2о термоелектричних матеріалів. Електроди 5 і 6 з'єднані своїми серединами, утворюючи спільний робочий кінець 7 двох термопар (5, 6, 7 і 8, 9, 7). Вільні кінці першої термопари підключені до генератора 1, а вільні кінці другої термопари з'єднані з мідними колодками 8 і 9. Одна пара одноіїменних входів автоматичних перемикачів ї 11 з'єднана з мідною колодкою 8, друга пара одноїменних входів з'єднана з мідною колодкою 9. Виходи автоматичних перемикачів 10 і 11 з'єднані із входами диференційного підсилювача 12, до виходу якого підключено послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч 13 і фільтр 14 нижніх частот. Один вхід диференційного підсилювача 15 з'єднаний з виходом фільтру 14 нижніх частот, другий вхід з'єднано з джерелом « 16 регульованої напруги постійного струму. До виходу диференційного підсилювача 15 підключено цифровий вольтметр 17. Керуючі входи автоматичних перемикачів 10 і 11 з'єднані з парафазними виходами генератора 1 підвищеної частоти, а керуючі входи фазочутливого випрямляча 13 з'єднані з обома виходами цього генератора. Ге

Зо Дослідне середовище позначено позицією 18.

Термопарний вологомір працює таким чином. ікс,

Спільний робочий кінець 7 двох термопар розміщено в одній з точок досліджувального середовища 18. Крізь -/- по електроди 5 і б першої термопари та спільний робочий кінець 7 проходить змінний струм від генератора 1 змінної напруги підвищеної частоти Її. В один полуперіод (ДЦ-1/27) змінного струму через робочий кінець 7 о

Зз5 протікає струм у напрямку, при якому відбувається його охолодження за рахунок поглинання теплоти Пельтьє. че

Одночасно з цим в електродах першої термопари та її робочому кінці відбувається і виділення теплоти Джоуля, яка зменшує температуру охолодження. З урахуванням цього температура робочого кінця термопари, яка визначається температурою Т досліджувального середовища, знижується тільки до значення: « вою ос) г Пл акта З с с де: І - сила струму, який протікає через термопару; "» р - коефіцієнт Пельтьє термоелектричних матеріалів електродів 5 і 6; " К - сумарний опір електродів 5 і 6 термопари та її робочого кінця 7;

Кі - коефіцієнт, який ураховує долю теплоти Джоуля, яка поступає із електродів 5 і 6 в робочий кінець 7; 9 - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця 7, визначаємий вологістю середовища, яке досліджується; - Е- площина поверхні тепловіддачі. о У наступний полуперіод (ді-1/23) змінного струму, коли напрям проходження струму змінюється на протилежний, внаслідок підсумовування теплоти Пельтьє і Джоуля температура робочого кінця 7 підвищується - до значення:

Ф "7 т, ста ЦВЕ йо

Якщо вибрати період змінного струму набагато менше теплової сталої часу їх термопари (ї1/), то температура нагріву робочого кінця усереднюється: 2 ту 8 А (трете т В 9 в го о тобто буде визначатися тільки теплотою Джоуля.

Як бачимо із виразу (3), сталий перегрів робочого кінця 7 відносно температури дослідного середовища буде визначатися коефіцієнтом тепловіддачі 52, тобто контролюємою вологістю. бо Вимірювання вологості здійснюють у два етапи.

Спочатку ключ 4 розімкнутий і спільний робочий кінець 7 не підігрівається. Так як мідні колодки 8 і 9 розташовані при температурі То оточуючого середовища, то термоЕРС на колодках вільних кінців другої термопари:

ЕТ ст -То3, (8 б5 де є - коефіцієнт термоЕРС 5 і 6 із різних термоелектричних матеріалів (коефіцієнт Зеєбека).

Автоматичні перемикачі 10 ії 11 перемикаються з частотою ї генератора 1 і періодично змінюють полярність термогЕРС (4) відносно входів диференційного підсилювача 12. Внаслідок цього диференційним підсилювачем 12 підсилюється змінна напруга прямокутної форми: 500 ШИ СТ - Тоовідпвіпояй 5) де відпвіп 2дії - огинаюча знакозмінної напруги.

Підсилена напруга поступає на фазочутливий випрямляч 13, який керується змінною напругою генератора 1 підвищеної частоти. Випрямлена напруга згладжується фільтром 14 нижніх частот і через диференційний підсилювач 15 поступає на цифровий вольтметр 17. При відсутності компенсуючої напруги (0-0) на другому 70 вході диференційного підсилювача 15 напруга, яка вимірюється вольтметром,

Це - кока То, (6) де Ко - спільний коефіцієнт підсилення диференційних підсилювачів 12 і 15;

Кз - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 13 з урахуванням коефіцієнту передачі фільтру 14 нижніх частот.

Із виразу (6) бачимо, що вимірювальна напруга 0» пропорційна температурі Т досліджуваного середовища.

На другому етапі замикають ключ 4 і змінним струмом генератора 1 частоти Її здійснюється перегрів спільного робочого кінця 7 першої і другої термопар теплотою Джоуля відносно температури Т досліджуваного середовища. ТермоЕєЕРС вільних кінців другої термопари з урахуванням температури То вільних кінців, яка стабілізується мідними колодками 8 і 9, приймає значення: ківі? (7)

Ез ее -- --.)- То ІНК! 2 СЕ й де К' - опір спільного робочого кінця 7.

У виразі (7) другий член являє собою перешкоду у вигляді падіння напруги на спільному робочому кінці від змінного струму нагріву: «

Ів'я тт зіпізяй - рі, (8) де Ід - амплітуда змінного струму нагріву;

Ф - фазовий зсув, який викликається тепловою інерційністю термопари. (Се)

Автоматичні перемикачі 10 і 11, що працюють з частотою Її, перетворюють сталу складову напруги (7) у с змінну напругу цієї частоти: ні (8) -

Цар -ее Т--- - - - То | Ізідизіпоялї з се п ЦЯ о

Зо Друга складова напруги (7) приймає вигляд: в. й г. (10 т зіп(слй - фівідп віп ллй Псово- сов 2(2лй- фі) по)

Із виразів 9 і 10 бачимо, що перша та друга складові напруги (7) після комутаційного перетворення з « частотою Її виявляються рознесеними по частотах. Інформаційна складова напруги (9) має частоту Її, а З перешкода (10) - подвоєну частоту 2Її. Після фазочутливого випрямлення інформаційна складова (9) с перетворюється у напругу постійного струму, який проходить фільтр нижніх частот 14 та вимірюється з» вольтметром 17. Напруга перешкоди (10) перетворюється у змінну напругу частоти комутації ї і приглушується фільтром 14 нижніх частот. Таким чином, постійна напруга, яка вимірюється, приймає вигляд: 2 (11)

ЕІ дяка тя то -і о (ав) В кінці першого етапу після вимірювання температури Т цифровим вольтметром 17 вихідну напругу -з диференційного підсилювача 15 компенсують напругою джерела 16. Тому в кінці другого етапу напруга, що вимірюється, з урахуванням компенсації складової напруги (б) в напрузі (11) стає рівною:

Ге) в (12)

Ше ж ЕК. Ка --

Ф о

Для визначення вологості середовища, що досліджується, термопарний вологомір підлягає калібровці.

Робочий кінець термопар 7 містять у повітряне середовище із 10095 вологістю при заданій температурі. Така

Вологість відповідає точці роси, яку легко проконтролювати. Калібровку та вимірювання вологості проводять при однаковій потужності перегріву спільного робочого кінця, яка установляється по міліамперметру 2 за допомогою » реохорда 3. При калібровці фіксується мінімальне показання вольтметру 17: 2,(13)

КІ

Шк че еК Кока - - - б 1К2к3 се бо де «ад о - коефіцієнт тепловіддачі робочого кінця 7 при 10095 відносній вологості газового середовища ( по? а).

Для визначення відносної вологості в середовищі, що досліджується, при тій самій температурі знаходять відношення напруг (12) і (13): б5

Мовою оо (14)

Ов звідки коефіцієнт тепловіддачі середовища, що досліджується, а Ше о . (15)

Ше

При контролі вологості, коли діапазон зміни вологості невеликий, можна вважати, що відносна вологість, яка вимірюється, складає частину 10095 вологості: 70 Ук 10096 сИ6)

М де МУ - відносна вологість в 95, що вимірюється;

ЦК показання вольтметра при калібровці;

У - показання вольтметра при контролі вологості.

Калібровку проводять при різних температурах газового, зокрема, повітряного середовища. В процесі контролю вологості спочатку визначають температуру середовища у відповідності з (6), а потім в формулу (16) підставляють відповідне значення калібровочної напруги ОО у для цієї температури. При контролі середніх і малих вологостей калібровку вологоміра проводять при усереднених значеннях вологості відповідних діапазонів.

Як бачимо з формули (16), на результат вимірювання вологості не впливають параметри підігрівної термопари і параметри вимірювальної схеми, що забезпечує високу точність контролю градієнта поля вологості.

Цьому також сприяє заглушення перешкоди від проходження струму нагріву з першої термопари в другу за рахунок комутаційного перетворення термоЕРС робочого кінця в напругу змінного струму. Підвищення частоти перетворення до сотен Гц значно підвищує швидкодію термопарного вологоміру.

Приклад. Для виготовлення двох термопар із спільним робочим кінцем використовується мідний і

Константановий дроти діаметром 0,5мм і довжиною 100мм, зварені своїми серединами. Коефіцієнт термоЕРС пари мідь-константан є-3,2мМкВ/К. В якості автоматичних перемикачів використані магнітокерувальні контакти « (геркони), обмотки керування яких підключені до генератора змінної напруги частоти 250Гц. При струмі нагріву

І-600мМА спільний робочий кінець перегрівається на 3-12 9К в залежності від вологості досліджуваного середовища (1006095). Спільний коефіцієнт підсилення двох диференційних підсилювачів К-400, що (се) забезпечило чутливість до температури 0,03-0,052К, а до відносної вологості 0,1-0,2905. «со

Досліджувався розподіл вологості і температури в пакеті трьохшарової тканини, яка нагріта до температури 372 (імітатор вологої шкіри людини). При 10095 вологості в зазорі між водою і першим шаром пакету тканини (587 чітко просліджується дифузія водяної пари, через яку вологість в зазорі між першим і другим шарами о зменшується до значення 9296, а між другим та третім - до значення 8395 при вологості оточуючого середовища

Зо 70-75965. Термопарний вологомір дозволив виявити профіль поля вологості у залежності від складу та щільності ї- тканин, а також порівняти гігієнічні якості тканин з природних та синтетичних волокон. « с 40 ех я - ж ше Ї й раї в. -ї у ра -і ри ре ЇЇ свй 4 "ши г с («в») ? г ї -

ФО 50 в

Ф М

5Б Фіг.

Р

Claims (1)

1. Формула винаходу

   60 Термопарний вологомір, що містить два електроди з різних термоелектричних матеріалів, з'єднаних своїми серединами, які утворюють спільний робочий кінець першої та другої термопар, два автоматичних перемикачі, два диференційних підсилювачі, послідовно з'єднані фазочутливий випрямляч і фільтр нижніх частот, цифровий вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені генератор змінної напруги підвищеної частоти, міліамперметр, реостат і ключ, дві мідні колодки і джерело регульованої напруги постійного струму, при цьому

   65 Вільні кінці першої термопари з'єднані через міліаамперметр, реостат і ключ з парафазними виходами генератора змінної напруги підвищеної частоти, вільні кінці другої термопари розміщено на мідних колодках, які з'єднані з різнойменними входами автоматичних перемикачів, однойменні входи яких з'єднані між собою, виходи автоматичних перемикачів з'єднані з входами першого диференційного підсилювача, вихід якого з'єднано з входом фазочутливого випрямляча, керуючі входи якого з'єднані з парафазними виходами генератора змінної напруги підвищеної частоти, кожен з яких з'єднаний з керуючим входом першого і другого автоматичних перемикачів, вихід фільтра нижніх частот з'єднано з одним входом другого диференційного підсилювача, другий вхід якого з'єднано з джерелом регульованої напруги постійного струму, а вихід з'єднано з входом цифрового вольтметра. 70 Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2004, М 9, 15.09.2004. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України. « (Се) Зо Те) «- «в) і -

   - . и? -і («в) - (о) 4) 60 б5