Гигрометрический влагопотенциометр

 

Использование: аналитическое приборостроение . Сущность изобретения: гигрометрический влагопотенциометр содержит микротермопару, управляемый источник ее питания, обеспечивающий конденсацию воды на мик ротермопаре и последующее уменьшение тока, измерители сигнала термоЭДС и тока питания. Устройство снабжено коммутатором, обеспечивающим предварительное подключение микротермопары к управляемому источнику тока питания и последующее ее включение в одно из плеч мостовой схемы, в смежное плечо которой включен резистор с сопротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных плеча вкл.ючены одинаковые резисторы. Мост подключен .одной диагональю через коммутатор к управляемому источнику тока питания микротермопары , а другой - к усилителю постоянного тока и к нуль-прибору. Управляемый источник тока питания имеет диапазон ре гулировки тока, обеспечивающий балансировку моста установкой тока смоченной микротермопары , а измеритель тока питания выполнен с возможностью регистрации его значения при балансе моста, которое является мерой точки росы и потенциала воды. 1 з.п,ф-лы, 2 ил. {Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4882048/25 (22) 14.11.90 (46) 23.12.92. Бюл. N 47 (71) Агрофизический научно-исследователь ский институт ВАСХНИЛ (72) А.М, Глобус (56) Глобус А.М. Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена; Л„ Гидрометеоиздат, 1983, с,71-74.

Neumann Н.Н. et al, In situ.measurements of leafwater flow in earn, зауЬеап and

sunflower it several "transplratIon га1Ез

Canad, J.Ðlànt.éñ!, 1973, v.54, р.175-184. (54) ГИГРОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОПОТЕНЦИОМЕТР (57) Использование; аналитическое прибо. ростроение. Сущность изобретения: гигрометрический влагопотенциометр содержит микротермопару, управляемый источник ее питания, обеспечивающий конденсацию воды на микротермопаре и последующее уменьшение тока, измерители сигнала термоЭДС и тока питания, Устройство снабже.Изобретение относйтся . к агрофизике, физиологии"растений, физической химии и может применяться для измерения относительного химического потенциала воды в сложных системах: почвах, тканях и органах растений, водных растворах и т.п;

Известен предлагаемый для этой цели микропсихрометрический влагопотенциометр, в котором психрометром для определения равновесной Относительной влажности воздуха служит ми ротермопара, увлажняемая конденсато 4 образующимся при поглощении тепла Пельтье в ходе пропускания через спай постоянного тока,,, Я2„„1783399 А1 (я)л G 01 N 25/66

ФН " Г, В1 ДЦ но коммутатором, обеспечивающим предва-. рительное подключение микротермопары к управляемому источнику тока питания и последующее ее включение в одно из плеч мостовой схемы, в смежное плечо которой включен резйстор с сойротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных плеча включены одинаковые резисторы. Мост подключен, одной диагональю через коммутатор к управляемому источнику тока йитания микротермопары, а другой — к усилителю постоянного тока и к нуль-прибору, Управляемый источник тока питания имеет диапазон регулировки тока, обеспечивающий балансировку О моста установкой тока смоченной микротермопары, а измеритель тока питания выполнен с возможностью регистрации его значения при балансе моста, которое является мерой точки росы и потенциала воды, 1 Я з.п.ф-лы, 2 ил, В этом приборе один из спаев микротермопары датчика является рабочим, охлаждаемым, а другой, нагревающийся током Пельтье, присоединен к массивному теплоотводу, обеспечивающему диссипацию этого тепла. Микротермопару помещают в атмосферу раствора, имеющего известный относительный химический потенциал воды Ф, охлаждают пропусканием тока Пельтье, переключают в цепь микровольтметра и регистрируют максимум термоЭДС Е, который является полезным сигналом. Выполнив ряд таких измерений над растворами с разными Ф, строят график

1783399 разность термоЭДС, соответствующая разФ = f(F), который используют для дальнейности между точкой рОсы и текущей темпешихизмерений Ф исследуемых образцов

К недостаткам этого способа относятся; рэтурой, всегда имеет один и тот же знак

Задача измерения точки росы сводится к определению условий; при которых зтэ разность равна нулю. Используя изобретение, решают зту задачу проще, чем в протонеобходимость калибровки датчика вследствие отклонения фактической формы,смо- 5 .ченной поверхности от сферы, как предполагается в теории данного метода; влияние на отсчет геометрии системь дат- типе

Недостаток прототипа состоит в необходимости пользоваться двухкоординат-. ным самописцем — дорогйм и громоздким прибором, не дающим возможйости преврачик — среда и сравнительно большая температурная чувствительность, требующая 10 дополнительной калибровки, Два -последнйх недостатка связаны с тем, ч го датчик в режиме конденсации и в режиме измерения .тить микрогигрометрический влагопотеициработает посредством влагообмена с иссле- ометр в полевой портатйвный прибор. дуемой средой.; . .;,-.,:. 15 Цель йзобретения — упрощение конст. Этих недостатков лишен микрогигро- . рукции прибора. метрический влагопотенциометр на зф- Поставленная цель достигается тем, что фекте Пельтье, предназначенный -для влагопотенциометр, содержащий микроопределения точки росы, после- чего легкО .термопару, управляемый источник тока рассчитать равновесную относительную 20 питания, измеритель сигнала микротермовлажность воздуха в исследуемой среде О и пары и тока ee питания, снабжен 4-плечим

Ф, поскольку ...: . : мостом, одна диагональ которого подключе0 = Р(т,р.)/Р(Т), " .. (1) на к управляемому источнику питания, a . где Р(т.р.) и Р(Т) — соответственно упругости другая через усилитель - к нуль-прибору и пара"при температуре точки росы и темпе- 25 2-позиционному переключателю на.4 на -.. ратуре Т, определяемые по таблицам или правления, общие выводы двух йайравлеформуле Магйуса,-: " - ":; .. ний которого соединены "с управляемым

В .приборе-йрототипе используют кре- источником тока, а двух других направле-, ний — .с микротермопарой, через первые стообразную термопару, Через одну пару разных проводов пропускают охлаждаю- 30 коммутируемые выводы микротермопара щий ток, с другой пары снимают соответст- подключена к управляемому источнику тока. вующую термоЭДС. Первая пара соединена питания, через вторые коммутируемые вы-: с осью Х двухкоординатного самописца и воды микротермопара включена в одйо из плеч моста; смежное с микротермопарой регистрирует ток Пельтье,.вторая — с осью Y плечо моста образовано резистором с со35 этого самописца и регистрирует термоЭДС

Е; Подавая ток разной величины на сухую противлением, равным отношению между термоЭДС и током пйтания сумой микротермопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных термопару, получают кривую 1 (фиг,1), а дав предварительно ток, достаточный для охлаждения микротермопары ниже точкй росы и затем снижая его, получают кривую 2 и 40 плеча моста включены одинаковые резистоее пересеченvie с кривой 1 — искомую точку ры ют Т(т.р,), Р(т,р,), а далее U по формуле (1), 45 вывод включены в цепь отрицательной обПри этом используется тот факт, что откло- . ратной связи между выходом усилителя и управляемым источником питания.

На фиг,1 йредстэвлейа зависимость нение"температуры спая от точки росы в сторону пони>кения вызывает дополнительтермоЭДС Пельтье Е для сухой (1) и предварительно смоченной (2) термопары ат велиную конденсацию и сопровождающее ее повышение температуры, а отклонение тем- 50 пературы в сторону повышения вызывает чины охлаждающего тока Пельтье 1; нэ фиг,2 — варианты принципиальной электрической схема устройства.

При пропускании через термопару тока испарение конденсата со спая и сопровож-. дающее его охлаждение. Таким образом, любое отклойение от точки росы влечет за

I Hçáëàäàþòñÿ два тепловых эффекта: пособой тепловой эффект, способствующий

55 глощение тепла Пельтье на спае и выделевосстановлению исходного состояния. Если положение исходной температуры спая по отношению к точке t>ocbl заранее известно, например, как в рассматриваемом случае, ние джоулева тепла в проводнике термопары. В результате график зависимости термоЭДС от! будет иметь вид, описываемый кривой 1 (фиг,1). На участке 0D этот рабочий спай охла>кден ниже точки росы, То.: и-искомое значение !(т.р.) и ЭДС Е (т.р,), Другое отличие состоит в том, что ком- линейно связанную с !(т.р.),.Зная коэффици- мутатор имеет пятое йаправлейие, общий енттермоЭДС микротермопары, вычисля- вывод которого и второй. коммутируемый

1783399

15

25

55 график практически линеен, Рабочей об,ластью тока I и термоЭДС E,: используемой в предлагаемом устройстве, является линейная область кривой 1. Эта кривая описывает зависимос"ь Е от I для сухой термопары или для термопары, спай которой при охлаждении не достиг точки росы.

Если такой спай поместить во влажную атмосферу, сконденсировать на нем каплю воды путем охлаждения ниже точки росы, а затем постепенно уменьшать I, то зависимость Е от I будет определяться кривой 2 (на фиг.1) на участке ВС вследствие выделения теплоты конденсации и выше кривой 1 на участке ВК вследствие затраты теплоты испарения. График зависимости Е от пересечет кривую 1 в точке росы, так как только в этой точке влажный спай не поглощает и не выделяет тепла, Таким образом, для определения точки росы нужно найти ЭДС Е (т.р.). В рабочем диапазоне зависимость Е от I для сухой микротермоп эры практически линейна; если микротермопара смочена, например, за счет конденсации на ней влаги путем охлаждения током Пельтье, то при снижении величины этого тока зависимость

Е от I на графике E(l) всегда пройдет ниже соответствующего графика Е(!) для сухой термопары вплоть до точки росы, т.е. при данном токе вплоть до этой точки Е смоченной термопары будет меньше Е сухой термопары.

Ввиду линейности отрезка 00 для него верно

Оа/Ob = const (2) или, учитывая смысл Оа и Ob, Е/! = гс = const. (3)

Пусть теперь микротермопара гигрометрического усилителя включена в одно из плеч моста. смежное плечо которого имеет сопротивление re, где rc определяется соотношением (3). Эта величина для данной термопары постоянна и устанавлйвается один раз снятием вольтамперной характеристики типа кривой 1 (фиг.1). Образуют 45 на спае термопары каплю конденсата пропусканием тока !, величина которого .заведомо больше тока !(т.р.). соответствующего Е(т,р). Мост будет разбалансирован, поскольку на термопаре, находящейся ниже 50 точки росы, выделяется теплота конденсации; это приводит к появлению дополнительной разности температуры и изменению

ЭДС Е, а это, согласно соотношению R = Е/i, изменяет эффективное сопротивление термопары, что разбалансирует мост и отображается усилителем. При уменьшении

t разбаланс будет уменьшаться, пока, наконец, в точке росы, где кривая 2 (фиг.1) пересекает кривую 1, мост не будет сбалан6 сирован, а показания усилителя 7 не станут равны нулю. В этот момент выполняются соотношения

l = !(т,р,), " (4)

Е= Е(т р) (5)

Ет.р. = !(т.р.)гс, .. (6)

T.Р, = Е(т.р,)S, . (7) где S — коэффициент термоЭДС микротермопары;

Т,P, — reMпература точки росы.

Управление силой тока l при необходимости может осуществляться автоматически за счет отрицательйой обратной связи между выходом усилителя и -управляемым источником тока питания микротермопары..

После нахождения точки росы Т,P. вычисление cD сводится к простому расчету.

Данный метод является по существу нулевым, а нулевые методы относятся к особо точным.

Предлагаемое устройство (фиг.2а) состоит из микротермопары 1, управляемого источника тока питания 2, коммутатора 3, резисторов 4 — 6, образующих вместе с термопарой мостовую схему, усилителя постоянного тока 7, нул ь-прибобра 8 и измерителя тока питания микротермопары 9.

Сопротивления резисторов 5, 6 выбраны равными.

Устройство работает следующим образом, Предварительно устанавливают связь между термоЭДС сухой термопары и величиной охлаждающего тока, на основании которой с помощью соотношения (3) выбирают значения сопротивления rc резистора 4.

Микротермопару помещают в атмосферу исследуемого образца, коммутатор 3 устанавливают в позицию 10 и пропускают охлаждающий ток величиной 6 — 8 м для микротермопары из проволоки хромельконстантан диаметром 25 мкм, что заведомо больше !(т.р.). Затем коммутатор 3 переводят в позицию 11 и с помощью управляемого источника тока 2 начинают уменьшать охлаждающий ток, следя за показаниями нуль-прибора 8. В момент, когда он указывает нуль-баланс моста, фиксируют значения тока (т,р.), после чего по формулам (6) и (7) находят точку росы. Ее связь с искомым потенциалом воды Ф описывается известным термодинамическим соотношением, В варианте устройства по п,2 формулы поиск значения охлаждающего тока, обеспечивающего баланс моста, выполняется автоматически, Для этого усилитель 7 при измерениях связан через коммутатор 3 цепью отрицательной обратной связи 12

1783399 (фиг.2б) с управляемым источником тока питания 2, а к измерителю тока питания микротермопары 9 прйсоединен преобразователь 13, преобразующий после автоматической установки тока I (т.р.) его значение, сначала в значение термоЭДС, а затем в величину температуры точки росы и далее непосредственно в величину потен. циала Ф.

В динамике это устройство на первом этапе функционирует аналогично первому, т,е, приводится в позицию 10 коммутатор 3, что формирует пленку конденсата на рабочем спае микротермопары 1, после чего коммутатор переводят в позицию 11 "измерение". При большом коэффициенте усиления усилителя 7 цепь отрицательной обратной связи 12. воздействуя на регулирующий элемент управляемого источника 2, уменьшая ток питания микротермопары, автоматически балансирует мост, при этом значение тока питания оказывается равным (т.р.), Преобразователь 13 выдает либо значения точки росы, либо непосредственно значение потенциала Ф, Формула изобретения

1, Гигрометрический влагопотенциометр, содержащий микротермопару, управляемый источник тока питания, измеритель сигнала микротермопары и тока ее питания, отличающийся тем, что, с целью . конструкции, он снабжен четырехплечим мостом, одна диагональ которого подключе5 на к управляемому источнику питания, а вторая через усилитель к нуль-прибору, и двухпозиционным переключателем на 4 направления, общие выводы двух направлений которого соединены с управляемым

10 источником тока, а двух других направлений — с микротермопарой, через первые коммутируемые выводы микротермопара . подключена к управляемому источнику тока питания, через вторые коммутируемые вы15 воды микротермопара включена в одно из плеч моста, смежное с микротермопарой плечо моста образовано резистором с сопротивлением, равным отношению между термоЭДС и током питания сухой микро20 термопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположных плеча моста включены одинаковые резисторы.

2, Влагопотенциометр по п.1, о т л и ч а25 ю щи и с я тем, что коммутатор имеет. пятое направление, общий вывод которого и второй коммутируемый вывод включены в цепь отрицательной обратной связи между выходом усилителя и управляемым источником

30 питания.

1783399

Редактор Г. Бельская

Заказ 4510 Тираж : Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101! . /

Составитель И. Ананьев

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Э. Лончакова