Автоматический конденсационный гигрометр

 

(и) б82853

ОП ИСА НИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09.06.77 (21) 2497323/18-25 с присоединением заявки Ме (23) Приоритет (51) М, Кл."G 01W 1/11

Государственный комитет

Опубликовано 30.08.79. Бюллетень М 32

Дата опубликования описания 30.08.79 (53) УДК 551.508.7 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения

Г П Резников

Главная геофизическая обсерватория им. А. Е. Воейкова (71) Заявитель (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАЦИОННЫЙ

ГИГРОМЕТР

Изобретение относится к метеорологическим измерениям, в частности, влажности воздуха с помощью конденсационных гигрометров как при положительных, так и при отрицательных значениях температуры воздуха. Оно может найти также применение в других отраслях техники и научных исследований, когда возникает необходимость в точных измерениях влажности, например, при определении влажности в гигрокамерах для поверки.

Известен конденсационный гигрометр, построенный по схеме автоматического поддержания температуры термодинамического равновесия конденсированной и неконденсированной фаз. Причем, в качестве конденсационной поверхности используется полированное зеркальце, охлаждаемое полупроводниковым холодильным модулем, ток через который устанавливается регулятором, управляемым сигналом, представляющим собой разность между заданной нормой и значением сигнала, зависящего от оптических параметров конденсата и зеркальца (1).

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерений в области отрицательных значений температуры, Наиболее близким к изобретению техническим решением является конденсационный гигрометр, содержащий терморегулируемое зеркало, индикатор конденсата, термопреобразователь, находящийся в контакте с зеркалом, систему поддержания конденсата с заданными параметрами (2).

Однако конденсационные гигрометры, построенные по такой схеме, имеют существенный недостаток, заключающийся в отсутствии средств определения фазового состояния конденсата илп активного воздействия на это состояние, Необходимость в указанных средствах связана с тем, что,как показывают многочисленные микрофизические исследования, прп отрицательных зна15 чениях температуры вплоть до — 40 С в зависимости от многих факторов конденсат может в течение длительного промежутка времени представлять собой систему переохлажденных капель, прежде чем произой20 дет их кристаллизация. Погрешность определения влажности вследствие этой неопределенности достигает недопустимо больших значений, например, для температуры фазового равновесия — 10 С она составляет

25 1,2 С, а для — 35 С 3,4 С, что эквивалентно относительной погрешности. определения влагосодержания в первом случае 10%, а во втором 35

Целью изобретения является повышение

ЗО точности измерения влажности за счет уст682853 ранения неоднозначности фазового состояния конденсата при отрицательных значениях температуры фазового равновесия.

Указанная цель достигается тем, что гигрометр дополнительно содержит два задатчика норм температуры зеркала « — 1 С» и « — 40 С», два задатчика норм количества конденсата номинального Ф!! и предельного

Фп, триггеры Т! и Тг, каждый из которых имеет два входа, коммутирующий элемент

IT> с двумя коммутирующими и одним управляющим входами, коммутирующий элемент П2 с двумя входами, один из которых управляющий, логический элемент И! с тремя входами, логический элемент И с двумя входами, логические элементы ИЛИ!, I 5

ИЛИ2, ИЛИ, каждый из которых имеет

20 .) 60

65 два входа, и элементы сравнения сигналов о текущих значениях температуры зеркала и количества конденсата с их заданными значениями — нормами, причем выход элемента сравнения нормы температуры

« — 1 С» с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым коммутирующим входом П!, со вторым входом И! и с первым входом ИЛИЗ, выход элемента сравнения нормы температуры

« — 40 С» с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым входом И, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения текущего значения сигнала о количестве конденсата

Ф с нормой Фц, который также соединен с первым входом И! и со вторым коммутационным входом П!, выход элемента сравнения текущего значения сигнала о количестве конденсата Ф с нормой Ф„ соединен со вторым входом ИЛИЗ и со вторым входом

ИЛИ2, вход П соединен с выходом П!, а управляющий вход П2 соединен с выходом

ИЛИ!, один вход которого соединен с выходом Т>, а второй вход с выходом Т2, при этом выход Т! соединен также с третьим входом И!, выход которого соединен с управляющим входом П>, а выход И соединен с первым входом ИЛИ2, выход которого соединен с первым входом Т!, а первый вход Т2 соединен с выходом ИЛИ,, выход же П2 соединен со входом системы поддержания конденсата с заданными параметрами.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого конденсационного гигрометра; на фиг. 2 — эпюры, отражающие синхронные изменения температуры зеркала и сигнала о состоянии конденсационной поверхности (количестве конденсата) при различных возможных измерительных ситуациях.

Предлагаемый конденсационный гигрометр содержит систему 1 поддержания конденсата с заданными параметрами, конденсационное зеркало 2, индикатор 3 конденсата, вырабатывающий текущее значение сигнала Ф, задатчик 4 нормы количества кон30

>5

ЭЭ денсата, элемент сравнения 5 текущего значения сигнала Ф о количестве конденсата с нормой Ф, термопреобразователь 6, задатчик 7 нормы предельного количества конденсата Ф„, преобразователь 8 текущей температуры Т зеркала в электрический сигнал (термопреобразователь), задатчик 9 нормы температуры зеркала « — 1 С», задатчик 10 нормы температуры зеркала

« — 40 С», элемент сравнения 11 текущего значения количества конденсата Ф с нормой предельного значения Ф„, элемент сравнения 12 текущего значения температуры зеркала Тз с нормойтемпературы« — 1 С», элемент сравнения 13 текущего значения температуры зеркала Тз с нормой « — 40 С», коммутирующий элемент П! 14 с двумя коммутирующими и одним управляющим входами, осуществляющий переключение контура регулирования с параметра Ф на параметр Тз, коммутирующий элемент П2

15 с двумя входами, один из которых управляющий, для замыкания и размыкания контура регулирования, логический элемент

И! 16 с тремя входами, логический элемент

И2 17 с двумя входами, логический элемент

ИЛИ! 18 с двумя входами, логические элементы ИЛИ2 19 и ИЛИЗ 20 с двумя входами, триггеры Т! 21 и Т2 22, каждый имеющий два входа, по одному из которых производится установка этих элементов в начальное состояние (шина «н. у.»).

На фиг. 2 Тз обозначает температуру зеркала в С, т — температуру фазового равновесия в С, /! — /!7 — моменты времени.

Д iiëш!е предлагаемого автома!пческого кондспсацнонного гигрометра состоит в следующем.

Гигрометр на !инает работать при подаче питающего на!!ряжения, одновременно с которым на триггеры 21 и 22 подаются сигналы их установки в начальное состояние:

21 — в состояние «О», а 22 — в состояние

«1», чему отвечает на выходе триггера 21 отсутствие потенциала, а на выходе триггера 22 — наличие его. Коммутирующий элемент 14 при включении гигрометра находится в состоянии, при котором вход по

Ф соединен с выходом П!. Поскольку на одном из входов элемента 18 имеется сигнал, то на его выходе также возникает сигнал, который будучи поданным на управляющий вход коммутирующего элемента 15 переводит последний в проводящее состояние. В результате описанных процессов образуется замкнутый контур регулирования по Ф (момент 1! на фиг. 2).

Пусть вначале т! ) 0 С, например +-5 С, а температура анализируемого воздуха

--, 15 С. Пока значение Тз не достигнет значения т!, Ф = О, а в момент т2, когда Тз станет меньше т!, происходит конденсация на зеркале 2, а вследствие этого — быстрое увеличение Ф, а затем и превышение Ф!!.

682853

Из-за этого ток через систему 1 изменит направление, что приведет к прекращению охлаждения и частичному испарению конденсата, ведущему к уменьшению Ф и т. п., т. е. происходит процесс перехода к установившемуся режиму (при этом, как видно из фиг. 2, затухающие колебания Т, относительно т1 и Ф относительно Фо смещены по фазе) .

Хотя для рассматриваемого состояния системы на два из трех входов элемента 16 гоступают сигналы о том, что Ф) Фя и

Тз) — 1 С, на третьем входе сигналя иет, так как на выходе Т, нулевой потенциал, и потому на выходе И сигнал на переключение П1 с контура регулирования по Ф па контур регулирования по Тз отсутствует.

Пусть, начиная с 1, температура фазового равновесия уменьшится и примет значение, например, — 10 С = т .

В этом случае, поскольку температура зеркала 2 остается пока много больше нового значения t, то конденсат начнет интенсивно испаряться, а Ф, следовательпо,— быстро уменьшаться, приводя к быстрому снижению температуры Тз. В момент 4, когда температура зеркала достигнет значения, меньшего чем — 1 С, на элементе сравнения 12 сформируется сигнал о том, что Тз (— 1 С, который поступает на один из трех входов эле лента 16, на один из двух входов элемента 20 и на второй коммутируемый вход элемента 14. Вход нечувствителен к сигналх о том, что Тз ( (— 1 С, а вход ИЛИ вЂ” чувствителен, поэтому на выходе ИЛИЗ появляется сигнал, который переводит триггер 22 из состояния «1» в состояние «О». Вследствие этого на одном из входов элемента 18 сигналов нет, и потому отсутствует сигнал на управляющем входе П>, что приводит к размыкапию контура регулирования по Ф и, как следствие, к беспрепятственному охлаждению зеркала 2. Поскольку за время протекания рассмотренных процессов (несколько миллисекунд) температура зеркала нс достигла сше иогого значения Ь =

= — 10 С, то в момент t конденсат может полностью испариться. В момент времени

4 Т„= т, и вновь начинается образование конденсата (со скоростью, меньшей, чем при xi — — +5 С из-за меньшего содержания водяных паров в воздухе). В момент t;- оптическое состояние конденсационной поверхности благодаря росту конденсата таково, что Ф) Фп, но поскольку контур регулирования по Ф разомкнут, то охлаждение и увеличение конденсированной фазы продолжается. Однако, как только температура Т станет ниже — 40 С (момент ts), с выхода элемента сравнения 13 на второй вход элемента 17 поступает сигнал. Прп условии, что и на первом входе имеется сигнал об Ф)ФО на выходе И образуется сигнал, подаваемый на один из õîàîð элея

26

Зо 3

-ю

1.>

5, 60

65 мента 19, что приведет к переходу триггера 21 (Т1) из состояния «О» в состояние

«1» и, следовательно, появлению на выходе ИЛИ1 сигнала управления элементом 15, благодаря чему элемент 15 оказывается в проводящем состоянии. Хотя на двух из трех входов элемента 16 имеются сигналы (о том, что Ф ) Фо и сигнал с триггера Т1) на третьем входе сигнала нет (он формируется элементом 12 только, когда Тз )

) — 1 С). Поэтому на управляющем входе

Hi сигнала нет, и он остается в прежнем состоянии. т. е. выход его соединен со входом по Ф. В результате, начиняя с момента t контур регулирования по Ф восстанавливается, и поскольку Ф ) Фо, то ток через систем . 1 меняет полярность. Однако вследствие тепловой инерции температура зеркала некоторое время продолжает снижаться и оставаться ниже — 40 С. Это гарантирует переход жидкой фазы, сели она была, в твердое состояние. Далее происходит повышение температуры зеркала, и поскольку пока она остается ниже температуры фазового равновесия т. =- — 10 С, то рост конденсата и связанное с нпм х"величение фотосигнала продолжаются. 1хогда температура зеркала станет превосходить температуру т. (момент lg), конденсат будет испаряться (точнее, возгонят.:ся). но так как пока еще Ф ) Фо, то температура зеркала продолжает увеличиваться.

В момент t(o температура зеркала Тз становится бо 111Ue — 1 С. Последнее приводит к появлению на третьем входе элемента 16 (И,) сигнала. Поскольку исчезновение сигнала на втором входе (когда Т> перестала быть менее — 40 С) не приводит к изменению состояния триггера 21 (Т;), то на всех трех входах И1 имеются сигналы, Следовательно, на управляющий вход элемента 14 (П1) с выхода И1 подается сигнал, который приводит к переключению Пь вследствие чего вместо контура регулирования по Ф образуется контур стабилизации температуры зеркала ня уровне Т, = — 1 С.

Благодаря этому в процессе регулирования предотвращается переход температуры Т в зон положительных значений, в которой произошло бы ил явление твердои фазы конденсата. Тем гременем продолжающаяся возгонка конденсата приводит к снижению Ф, и начиняя с момента tkk окажется, что Ф (Ф;. Это вызывает исчезновение сигнала ня соответствующем входе элемента 16 (14k), я значит, и исчезновение сигнала с выхода И1 на управляющем входе H), и вход последнего по параметру Ф соединяется с выходом его, т. е. начинает снова функционировать контур регулирования по

Ф. Л TBK кяк в рассматриваемый момент

Ф(Ф;, то это приводит к снижению температуры зеркала с — 1 С и поддержанию в дальнейшем ее значения, равного значению температуры фазового равновесия водяно682853 го пара над заведомо твердой фазой воды (т. е. в данном примере т = — 10 С).

Допустим далее, что температура фазового равновесия газа (воздуха) увеличилась и, начиная с момента t q имеет положительное значение т (для примера, прежнее значение т. е. тз — — tJ = +5 C). IIoскольку до момента 11 текущее значение

Тз = — 10 С, то начиная с 1> будет происходить интенсивная конденсация (точнее, сублимация) водяного пара, приводящая к увеличению Ф, и так как функционирует контур регулирования по Ф, то начинается нагревание зеркала. Но в момент t 3, когда окажется, что Т ) — 1 С, на соответствующем входе И| появится сигнал, и поскольку до этого у Hi на двух других входах уже были сигналы, то и на выходе Ni сформируется сигнал. Он произведет переключение Пь и снова образуется контур стабилизации Тз на уровне — 1 С. Сублимация продолжается, Ф вследствие этого увеличивается, и с момента /14 уже превышает норму

Ф„. Сигнал об этом с элемента сравнения

11 поступает на соответствующие входы

ИЛИ>, ИЛИ,, на выходах которых, следовательно, также появляются сигналы. Они подаются на соответствующие входы триггеров 21 (Т1) и 22 (Т ), которые вследствие этого опрокидываются: Ti оказывается в состоянии «О» (он оставался в «1» состоянии с момента 4), а Т вЂ” в состоянии «1» (в противоположном состоянии «О» он находился с момента t4). Таким образом, несмотря на наличие сигналов на двух входах элемента 16 (Ni), отсутствует сигнал на его выходе и переключение IT> с параметра Т на параметр Ф. А так как на выходе ИЛИ и, соответственно, на управляющем входе

Пг имеется сигнал, то будет функционировать контур регулирования по Ф. Очевидно, что состояние элементов и всей схемы идентичны тем, которые имели место до момента t4. Поскольку в момент ti5 перехода в это состояние Ф ) Фо, то вначале произойдет увеличение Тз, что вызовет уменьшение Ф и замедление роста Тз, а начиная с момента /1 и уменьшение Т . Несмотря на то, что в процессе приближения

Ф к Фо его значение становится меньше

Ф, никаких изменений в состоянии схемы не происходит, так как входы элементов 19 (ИЛИ ) и 20 (ИЛИЗ) чувствительны только к сигналу о том, что Ф становится больше Фп. Начиная с момента ti7 происходит автоматическое слежение за новым значением температуры фазового равновесия тз.

Предлагаемый автоматический конденсационный гигрометр позволяет удовлетворить метрологические и эксплуатационные требования к измерению влажности газов, в частности, воздуха, в области отрицательных и положительных значений температуры, причем, это достигается без необходимости затрачивать средства на разработку о

l5

25 зо з40

-15

65 и организацию производства каких-либо новых модулей, образующих гигрометр, что было бы необходимо в случае использования иных технических решений. Такое преимущество обусловлено тем, что отличительная часть предлагаемого гигрометра легко сопрягается с системами регулирования существующих гигрометров, Будучи выполненной на широко используемых интегральных схемах, она занимает дополнительный объем всего в несколько кубических сантиметров. Небольшие относительно

< тоимосги существующих автоматических гигрометров затраты t:а эти схемы окупаются, помимо достижения поставленной цели, надежностью и неприхотливостью в эксплуатации предлагаемого гигрометра, а также несло>кностью в настройке, поскольку элементы этой части работают в пороговых режимах.

Формула изобретения

А«том атичсский коиденсационный гигрометр, содержащий терморегулируемое зеркало, индикатор конденсата, термопреобразо«атель, находящийся в контакте с зеркалом, систему поддержания конденсата с заданными параметрами, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения влажности за счет устранения неоднозначности фазового состояния кондл сата при отрицательных значениях температуры фазового равновесия, гигрометр дополнительно содержит два задатчика норм температуры зеркала « — 1 С» и

« — 40 С», два задатчика норм количества конденсата номинального Фо и предельного

Ф„, триггеры Ti и Т, каждый из которых мест два входа, коммутирующий элемент

П| с двумя коммутирующими и одним управляющим входами, коммутирующий элемент П. с двумя входами, один из которых управляющий, логический элемент И с тремя входами, логический элемент И> с двумя входами, логические элементы ИЛИь

ИЛИ, ИЛИ, каждый из которых имеет два входа, и элементы сравнения сигналов о текущих значениях температуры зеркала и количсства конденсата с их заданными значениями — нормами, причем, выход элемента сравнения нормы температуры

« — 1 С» с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым комм ти1>ующим входом Пь со гторым входом И и с первым входом ИЛИ,, выход элемента сравнения нормы температуры

« — 40 С» с сигналом о текущем значении температуры зеркала соединен с первым входом И, второй вход которого соединен с гыхсдом элемента сравнения текущего значения сигнала о количестве конденсата

Ф с нормой Фо, который также соединен с первым входом Ni и со вторым коммутационным входом П1, выход элемента сравне682853

l0 ния текущего значения сигнала о количсствс конденсата Ф с нормой Ф„соединен со вторым входом ИЛИЗ и со вторым входом

ИЛИ, вход П2 соединен с выходом П,, а управляющий вход П2 соединен с выходом

ИЛИ1, один вход которого соединен - выходом Ть а второй вход с выходом Т2, при этом выход Т соединен также с третьи:,t входом И,, выход которого сосдинсн с у равляющим входом П1, à выход И, соединен с первым входом ИЛИ,, выход которого соединен с первым входом Т, а первый вход Т. -соединен с выходом ИЛИЗ, выход жс П- соединен со входом системы поддсрж .ппя конденсата с заданными параметрами.

) нома пи

Ис о н ки ф р ц принятые во внимание при экспертизе

1. Влажность, Измерение и регулирование в научных исследованиях и техникc, Гидромстеорологическос издательство, Л., 1О 19б7, т. 1, с. 138, 2, Берлинер М. Л., Измерение влажности, М,— Л,, «Энергия», 1973, с. 232.

682853 — 70 у !2"ib Е7

t12 t14 115 t16

t7 г 2

Р(/а 2

Составитель О. Маликова

Редактор Н. Коляда

Корректоры: Е. Хмелева и Л. Орлова

Заказ 2212/2 Изд. № 583 Тираж 477 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035. NocKBB, Ж-35, Рау цская наб., д. 4 5 и порраф и я, яр, С а нуно в а, о