Способ и устройство для психрометрического измерения влажности (варианты)

 

Изобретение относится к измерению влажности газовой среды. Изобретение позволяет использовать вместо двух измерителей температуры один, работающий последовательно в режимах сухого и затем влажного. Вместо постоянного увлажнения применяется кратковременное, оставляющее на температурно-чувствительном элементе тонкую пленку воды. Последнее освобождает измерение от систематической погрешности. Технический результат - создание психрометра компактным, простым, надежным, экономичным, не требующим большого количества дистиллированной воды или замены ее на обычную, пресную. 4 с. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерению влажности газовой /воздушной/ среды, использующему психрометрический метод, т.е. показания двух термометров: сухого и влажного. Изобретение может быть использовано как в быту, так и в технике.

Известен способ измерения /1 с., 271-277/, включающий одновременное или последовательное измерение температуры сухим и влажным термометром. При этом обязательно используются два измерителя температуры, один из которых постоянно увлажняется. Указанное относительно сложно, громоздко и дорого.

Известны следующие психрометрические измерители влажности /1, 271-277/.

1. Измерители манометрические /например: ТГ-420, ТГ-620 и др./, имеющие в качестве чувствительных узлов термобаллоны, соединенные с манометрическими пружинами капиллярными трубками. Определение относительной влажности здесь может быть механизировано и ее проще измерять дистанционно.

2. Психрометры электрические /электронные/, использующие в качестве датчиков термопары или термосопротивления /сухие и увлажненные/, включенные в соответствующие усилительно-преобразовательные схемы. Они малоинерционны, компактны, точны, удобны для дистанционных измерений, не боятся вибраций и тряски и способны выдавать информацию в виде относительной влажности. Такие измерители дороги и требуют специальных источников электроэнергии. Это ограничивает их применение в быту, особенно в полевых условиях.

3. Психрометры, в которых термометрами являются стеклянные баллоны, наполненные ртутью или спиртом /например, ВИТ-2/. Они громоздки, инерционны, требуют определенной ориентации в пространстве, боятся ударов и тряски, обработка их информации и вывод ее из закрытых объектов затруднены. С целью определения относительной влажности необходимо снять показания термометров сухого /t^oc/ и мокрого /t^oм/, вычислить их разницу Δt°= /t°c-t°м/ и, пользуясь величинами t^oc и Δt°, по таблице выбрать значение влажности ϕ_o. 4. Психрометры с термометрами в виде биметаллических спиралей, один конец которых закреплен на корпусе, а второй /подвижной/ связан со стрелкой /4 и 5/.

В качестве прототипов рассмотрим психрометры, указанные в пп. 2, 3 и 4. Все они предусматривают наличие двух термометров сухого и влажного, относительно большого объема дистиллированной воды и специального увлажнителя. Присутствие постоянного источника воды /особенно в малом объеме измерения/ способно заметно увеличить естественную влажность, что может оказаться нежелательным. Потребность в дефицитной дистиллированной воде часто делает измерения невозможными /особенно в полевых условиях/. Наличие контактного увлажнителя уменьшает быстродействие прибора и обуславливает дополнительную погрешность от трения в случае биметаллической спирали.

При наличии контактного увлажнителя /например, матерчатого чулка/ испарение воды, строго говоря, происходит не с поверхности ТЧЭ, а с поверхности увлажнителя. В результате имеет место систематическая погрешность, составляющая примерно +0,3 - 0,8 /^oC/. Ее величина зависит от конструкции и материала увлажнителя. Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. создание психрометра компактным, простым, надежным, экономичным, не требующим большого количества дистиллированной воды или замены ее на обычную, пресную.

Указанная цель достигается принципиальным изменением способа увлажнения термометра. Вместо постоянного увлажнения используется временное, следующее за измерением сухим термометром. Последнее позволяет заменить два термометра на один, дистиллированную воду на пресную, обыкновенную и исключить контактный увлажнитель. После высыхания термочувствительного элемента /ТЧЭ/ термометр возобновляет работу в сухом режиме.

При этом возможно как естественное, так и искусственное высыхание. Таким образом психрометр может работать повторно-кратковременно с частотой, определяемой временем высыхания ТЧЭ. Возможен как ручной режим, так и автоматический при включении психрометра в автоматическую систему.

Способы увлажнения могут быть следующими: окунанием, обливанием, накапыванием и т.п. Их выбор обусловлен конструкцией термометра и требованиями к процессу измерения. В результате указанных способов увлажнения ТЧЭ должен быть покрыт тонким слоем воды, необходимым только для испарения.

Вода должна быть пресной и иметь температуру среды, в которой измеряется влажность.

Современные ТЧЭ, такие как: микротерморезисторы, микродиоды, тонкие биметаллические спирали, малые стеклянные баллоны имеют малую и, как правило, смачиваемую поверхность.

Необходимый объем воды мал, так как для одного измерения достаточно покрыть ТЧЭ пленкой. Скорость снижения температуры увлажненного ТЧЭ больше, чем скорость высыхания, что позволяет успеть сделать измерения до высыхания. Скорость высыхания, как правило, выше скорости изменения влажности, что дает возможность проводить измерения с приемлемой погрешностью. В отсутствие контактного увлажнителя психрометр работает при испарении воды непосредственно с поверхности ТЧЭ, т.е. в нем нет указанной систематической погрешности.

При использовании недистиллированной воды необходимо предусмотреть периодическую промывку ТЧЭ спиртом или другим растворителем, используя механизм увлажнения.

Предлагаемый способ измерения влажности состоит из следующих действий: 1. выравнивают температуру воды с температурой измеряемой среды; 2. измеряют температуру среды сухим термометром /t^oс/; 3. дозируют воду; 4. смачивают ТЧЭ тонким слоем; 5. измеряют температуру влажным термометром, фиксируя ее наименьшее значение /t^oм/; 6. вычисляют разницу Δt°= /t°c-t°м/; 7. пользуясь величинами t^oс и Δt°м, по таблице выбирают значение влажности; 8. высушивают ТЧЭ.

Для нового измерения влажности повторяют действия пп. 2-7.

Примечание: Возможно определение влажности по другой таблице с использованием значений t^oс и t^oм.

Работоспособность и отсутствие указанной погрешности в предлагаемом способе проверены автором с использованием ТЧЭ в виде стеклянного баллона с термозависимой жидкостью, биметаллической спирали и терморезистора.

В качестве ориентира использовался старый способ с ТЧЭ, постоянно увлажненным по всей его поверхности с помощью матерчатого чулка.

Предлагаются следующие устройства:
Устройство N 1 /см. формулу п. 2 и фиг. 1/
Вместо устройства /см. п. 3, с. 1, 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного обливать или накапывать воду на ТЧЭ 1 /стеклянный баллон/. Возможно выполнение операций одним увлажнителем при смене насадки 5. Работа увлажнителя основана на подаче жидкости к соплу под давлением. Его основными узлами являются насос 4 и насадка 5 с отверстием-соплом, например, в виде кольцевой щели.

Формула насадки 5 /сопла/ обеспечивает равномерную и спокойную подачу воды к поверхности ТЧЭ 1 /без опрыскивания/.

Простейшим увлажнителем может быть медицинская пипетка, предназначенная для закапывания, или устройство, подобное пульверизатору.

Более сложная конструкция имеет поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в цилиндре. Движения обусловлены приложенным усилием и противодействием пружины. Цилиндр поршнем разделяется на две камеры. В камеру сжатия /относительно большого объема/ по каналу из емкости хранения засасывается вода при движении поршня под действием пружины. Под действием приложенного усилия поршень возвращается, закрывая канал поступления шариком и создавая давление в камере сжатия. Вода под давлением через резиновую прокладку на поршне перетекает на другую сторону поршня, в камеру расширения малого объема и далее в насадку 5 через калиброванное отверстие на поверхности ТЧЭ 1. При большом отверстии ТЧЭ 1 обливается.

Для накапывания используется несколько отверстий среднего диаметра и ослабляется противодействующая пружина. Различие объемов указанных камер достигается за счет асимметричной формы поршня. Под ТЧЭ 1 расположена емкость сбора воды 2, сообщающаяся с емкостью хранения 3. При этом первая находится выше второй и они сообщаются узким каналом. Последнее позволяет избежать существенного влияния влажности внутри емкости на влажность измеряемой среды. Емкость сбора 2 может отсутствовать. При этом достигается большая герметичность и освобождается пространство под ТЧЭ 1.

Устройство N 2 /ф. п. 3, фиг. 2/
Вместо устройства /п. 3, с. 1, 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного увлажнить ТЧЭ 1 /стеклянный баллон/ накапыванием или обливанием /без опрыскивания/.

Увлажнитель содержит: емкость хранения воды 3, расположенную над ТЧЭ 1; насадку 4 с соплом, в котором имеется отверстие /отверстия/; задвижку /вентиль/, открывающую указанное отверстие, или трубопровод для обливания или накапывания и емкость сбора 2.

Простейшая конструкция увлажнителя может содержать только емкость хранения 3 с насадкой 4. При этом вытекание воды на ТЧЭ обеспечивается изменением пространственного положения всего термометра. Емкость хранения 3 может быть герметичной, с избыточным давлением и находится в стороне от ТЧЭ 1.

При нажатии на клапан с противодействующей пружиной вода под давлением поступает в насадку 4.

Устройство N 3 /ф. п. 4; фиг. 3/
Вместо устройства /п. 3, с. 1, 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного увлажнить ТЧЭ 1 / стеклянный баллон/ соприкосновением его поверхности с влажным предметом /кисточкой, тампоном и т. п./, находящимся в емкости хранения воды 2. Действие может производиться как рукой, так и органом, связанным с механизмом /рычажным, шестеренчатым, эксцентриковым, шатунно-кривошипным/. Пространство вокруг ТЧЭ 1 должно быть свободным от паразитного влияния влажности предмета.

Двигаться может как влажный предмет, так и ТЧЭ 1. Под ТЧЭ 1 может располагаться емкость сбора воды 2.

Устройство N 4 /ф. п. 5, фиг. 4/
Вместо устройства /п. 3, с. 1, 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного увлажнять ТЧЭ 1 /стеклянный баллон/ окунанием его в воду. В качестве такого увлажнителя используется емкость хранения воды 2 с открывающейся крышкой. Окунание может производиться как рукой, так и воздействием на орган, связанный с механизмом 3 /рычажным, шестеренчатым, эксцентриковым, шатунно-кривошипным и т. п./. Двигаться может как емкость хранения 2, так и ТЧЭ 1 /пунктир/. Под ТЧЭ 1 может располагаться емкость сбора воды. Пространство вокруг ТЧЭ 1 должно быть свободным от паразитного влияния влажности емкостей.

Устройство N 5 /ф. п. 6/
Вместо устройства /п. 4, с. 2 / - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного накапывать или обливать поверхность ТЧЭ 1 /биметаллическую спираль/. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 1 /фиг. 1/. Форма сопла может быть в виде крестообразной щели.

Устройство N 6 /ф. п. 7/
Вместо устройства /см. п. 4, с. 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного накапывать или обливать поверхность ТЧЭ 1 /биметаллическую спираль/. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 2 /фиг. 2/.

Устройство N 7 /ф. п. 8/
Вместо устройства /п. 4, с. 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного увлажнять ТЧЭ 1 /биметаллическую спираль/ путем его соприкосновения с влажным предметом. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 3 /фиг. 3/.

Устройство 8 /ф. п. 9/
Вместо устройства /п. 1, с. 2/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного окунать в воду ТЧЭ 1 /биметаллическую спираль/. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 4 /фиг. 4/.

Устройство N 9 /ф. п. 10/
Вместо устройства /п. 2, с. 1/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного накапывать или обливать поверхность ТЧЭ 1 /электронный элемент с термозависимым параметром, сопротивлением и т.д. например: термистор, термопара, диод и т.п./.

Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 1 /фиг. 1/, форма сопла определяется формой электронного элемента.

Устройство N 10 /ф. п. 11/
Вместо устройства /п. 2, с. 1/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного накапывать или обливать поверхность ТЧЭ 1 /электронный элемент с термозависимым параметром, сопротивлением и т.д./. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 2 /фиг. 2/.

Устройство N 11 /ф. п. 12/
Вместо устройства /п. 2, с. 1/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного увлажнять ТЧЭ 1 /электронный элемент с термозависимым параметром, сопротивлением и т.д./ путем его соприкосновения с влажным предметом. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 3 /фиг. 3/.

Устройство N 2 /ф. п 13/
Вместо устройства /п. 2, с. 1/ - устройство, состоящее из одного термометра и увлажнителя, способного окунать в воду ТЧЭ 1 /электронный элемент с термозависимым параметром, сопротивлением и т.д./. Конструкция увлажнителя аналогична устройству N 4 /фиг. 4/.

Литература
1. П. Л. Лебедев. "Расчет и проектирование сушильных установок". Госэнергоиздат, М., Л., 63.

2. В.П. Блюдов и др., "Общая теплотехника". Госэнергоиздат. М., Л., 52.

3. М.Ю. Лурье. "Сушильное дело". Госэнергоиздат, 48.

4. Патент ФРГ N 818128, G 01 N 25/62, 1951.

5. Е.Б. Пашуков. Патент N 2104516.

Формула изобретения

1. Способ для психрометрического измерения влажности, включающий измерения сухим и влажным термометром, отличающийся тем, что используют один термометр со смачиваемой поверхностью температурно-чувствительного элемента (ТЧЭ), работающий последовательно в сухом и затем в увлажненном режимах, при этом вначале измеряют температуру сухим, выравнивают температуру воды с температурой измеряемой среды, дозируют ее массу, смачивают ТЧЭ тонким слоем, измеряют увлажненным термометром, фиксируя наименьшее значение температуры, высушивают ТЧЭ и при необходимости повторяют измерения в указанной последовательности.

2. Устройство для психрометрического измерения влажности - психрометр, включающий измерение сухим и увлажненным термометрами с ТЧЭ в виде стеклянного баллона, наполненного температурно-чувствительной жидкостью, отличающееся тем, что содержит один термометр со смачиваемой поверхностью ТЧЭ, работающий последовательно в сухом и затем в увлажненном режимах, емкости для хранения и сбора воды, а также для выравнивания ее температуры с температурой измеряемой среды, увлажнитель, дозированно подающий воду из емкости хранения, накапывая, или обливая, или окуная поверхность ТЧЭ.

3. Психрометр по п.2, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насоса, имеющего насадку с отверстиями.

4. Психрометр по п.2, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насадки с отверстиями и задвижки, перекрывающей их.

5. Психрометр по п.2, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде тампона и механизма, способного приводить в соприкосновение увлажненный тампон с поверхностью ТЧЭ.

6. Психрометр по п.2, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде механизма, способного приводить в соприкосновение ТЧЭ с водой.

7. Устройство для психрометрического измерения влажности - психрометр, включающий измерения сухим и увлажненным термометрами с ТЧЭ в виде биметаллической спирали, отличающееся тем, что содержит один термометр со смачиваемой поверхностью ТЧЭ, работающий последовательно в сухом и затем в увлажненном режимах, емкости для хранения и сбора воды, а также для выравнивания ее температуры с температурой измеряемой среды, увлажнитель, дозированно подающий воду из емкости хранения, накапывая, или обливая, или окуная поверхность ТЧЭ.

8. Психрометр по п.7, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насоса, имеющего насадку с отверстиями.

9. Психрометр по п.7, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насадки с отверстиями и задвижки, перекрывающей их.

10. Психрометр по п.7, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде тампона и механизма, способного приводить в соприкосновение увлажненный тампон с поверхностью ТЧЭ.

11. Психрометр по п.7, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде механизма, способного приводить в соприкосновение ТЧЭ с водой.

12. Устройство для психрометрического измерения влажности - психрометр, включающий измерение сухим и увлажненным термометрами с ТЧЭ в виде электронного элемента, имеющего температурно-изменяемые характеристики, отличающееся тем, что содержит один термометр со смачиваемой поверхностью ТЧЭ, работающий последовательно в сухом и затем в увлажненном режимах, емкости для хранения и сбора воды, а также для выравнивания ее температуры с температурой измеряемой среды, увлажнитель, дозированно подающий воду из емкости хранения, накапывая, или обливая, или окуная поверхность ТЧЭ.

13. Психрометр по п.12, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насоса, имеющего насадку с отверстиями.

14. Психрометр по п.12, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде насадки с отверстиями и задвижки, перекрывающей их.

15. Психрометр по п.12, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде тампона и механизма, способного приводить в соприкосновение увлажненный тампон с поверхностью ТЧЭ.

16. Психрометр по п.12, отличающийся тем, что его увлажнитель выполнен в виде механизма, способного приводить в соприкосновение ТЧЭ с водой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5