Фотокомпенсационный гигрометр
Владельцы патента RU 2713091:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" (RU)
Изобретение относится к области аналитического приборостроения, предназначено для измерения объемной доли влаги в газах и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Фотокомпенсационный гигрометр содержит чувствительный элемент, реагирующий на изменение влагосодержания влажного контролируемого газа, выполненный в виде пластины, жестко закрепленной на растяжках магнитоэлектрического гальванометра, и измерительную схему из двух ветвей подачи сравнительного осушенного газа, в одну из которых подключен дозатор влажного контролируемого газа, и пневмооптического преобразователя в виде магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита. Кроме того, гигрометр включает оптическую часть, содержащую источник света, конденсор, диафрагму, зеркало, отраженный луч света от которого регистрируется сдвоенным фотосопротивлением, включенным в дифференциальную равновесную электрическую схему с расположенными в ней источниками питания, в обратной связи которой подключен регистрирующий миллиамперметр для определения контролируемого параметра. Изобретение обеспечивает автоматический режим работы, высокую чувствительность и быстродействие при динамических процессах. 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области аналитического приборостроения, предназначено для измерения объемной доли влаги в газах и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Уровень техники
Из уровня техники [патент RU 2413935 С1, опубликован 10.03.2011] известен гигрометр, содержащий чувствительный элемент и измерительную схему. Работа гигрометра основана на измерении объемной доли влаги газа при постоянном расходе газа. Чувствительный элемент выполнен в виде кулонометрической ячейки, в которой влага поглощается сорбентом. Под действием напряжения от источника постоянного тока, приложенного к электродам кулонометрической ячейки, определяется количество поглощенной влаги. Измерительная схема включает в себя линию подачи анализируемого газа и стабилизатор расхода.
Недостатком известного устройства является отсутствие автоматического режима работы, обусловленного низкими статическими и динамическими характеристиками.
Раскрытие сущности изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по устранению вышеуказанного недостатка известного технического решения.
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в автоматизации процесса определения влагосодержания в газах путем повышения чувствительности показаний и быстродействия работы гигрометра за счет использования:
- пневмооптического преобразователя в виде магнитоэлектрического гальванометра с жестко закрепленным на его растяжках чувствительным элементом - пластиной, на которую воздействуют струи сравнительного газа и дозы анализируемого газа;
- дифференциальной равновесной электрической схемы с подключенным в обратной связи регистрирующим прибором.
Более конкретно, технический результат достигается фотокомпенсационным гигрометром, содержащим чувствительный элемент, реагирующий на изменение влагосодержания влажного контролируемого газа, в виде пластины, жестко закрепленной на растяжках магнитоэлектрического гальванометра, и измерительную схему из двух ветвей подачи сравнительного осушенного газа, в одну из которых подключен дозатор влажного контролируемого газа, и пневмооптического преобразователя в виде магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, и оптическую часть, содержащую источник света, конденсор, диафрагму, зеркало, отраженный луч света от которого регистрируется сдвоенным фотосопротивлением, включенным в дифференциальную равновесную электрическую схему с расположенными в ней источниками питания, в обратной связи которой подключен регистрирующий миллиамперметр для определения контролируемого параметра.
Краткое описание чертежа
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого фотокомпенсационного гигрометра.
Осуществление изобретения
Фотокомпенсационный гигрометр включает в себя измерительную схему, состоящую из пневмооптического преобразователя 1, дозатора 2 и узла установки расхода газа (воздуха) 3. Дозатор 2 управляется программируемым логическим контроллером 4.
Пневмооптический преобразователь 1 гигрометра состоит из магнитоэлектрического гальванометра 5, рамка 6 которого помещена в зазоре постоянного магнита 7. На подвижной части магнитоэлектрического гальванометра 5 жестко закреплены зеркало 8 и пластина 9. Ток к рамке подводится по токопроводам 10. Нормально к поверхности пластины 9 установлены два сопла 11(1) и 11(2), к каждому из которых подведены дифференциальные ветви сравнительного осушенного воздуха СГ и через которые обеспечивается силовое воздействие сравнительного осушенного воздуха СГ давлением Р на пластину 9. К одной из дифференциальных ветвей, включающей сопло 11(1) подключен дозатор 2, на который подается влажный контролируемый газ ВГ и сравнительный осушенный воздух СГ.
Оптическая часть магнитоэлектрического гальванометра 5 состоит из источника света 12, подающего через конденсор 13 и диафрагму 14 луч света на зеркало 8. Отраженный от зеркала 8 луч света падает на дифференциальный фоторезистор 15, включенный в электрическую дифференциальную схему, которая состоит из источников напряжения Е1 и Е2 и нагрузочного сопротивления Rн. Выходной ток I в цепи обратной связи регистрируется миллиамперметром 16.
В дозатор 2 входит дозируемый объем 17, величина которого подбирается при настройке прибора, и пневмораспределитель 18. В узел установки расхода воздуха 3 включены два переменных дросселя 19, регулирующие необходимые расходы сравнительного осушенного воздуха СГ, и ротаметры 20 для контроля этих расходов. Вентиль 21 служит для отключения дифференциальной пневматической схемы.
Питание дифференциальной пневматической схемы гигрометра осуществляется от сети, давление Р которой контролируется манометром 22. Для подготовки сравнительного осушенного воздуха СГ питание проходит через влагоотделитель 23 и осушитель 24. Для исключения влияния изменения температуры пневмооптический преобразователь 1 и дозатор 2 термостатируются.
Дозируемый объем 17 влажного контролируемого газа ВГ вводится в цепь сравнительного осушенного воздуха СГ с помощью управляющих сигналов t и подающихся с программируемого логического контроллера 4 на пневмораспределитель 18.
Работа гигрометра осуществляется следующим образом. В исходном положении при сигнале t с программируемого логического контроллера 4 влажный контролируемый газ ВГ заполняет дозируемый объем 17, а сравнительный осушенный воздух СГ проходит к обоим соплам 11(1) и 11(2) и оказывает одинаковое силовое воздействие на пластину 9. При этом режиме пластина 9 находится в равновесии, ток в цепи обратной связи отсутствует и регистрирующий миллиамперметр 16 фиксирует условный нулевой сигнал.
При переключении программируемого логического контроллера 4 в режим анализа в канал сопла 11(1) впрыскивается доза влажного контролируемого газа ВГ из дозируемого объема 17. Обладающая другой плотностью доза влажного контролируемого газа ВГ при выходе из сопла поворачивает на определенный угол пластину 9, зеркало 8 и рамку 6 магнитоэлектрического гальванометра 5. Отраженный луч света изменяет освещенность дифференциального фоторезистора 15, в результате чего появляется ток в обратной цепи, который согласно закону Фарадея приводит к появлению магнитоэлектрической силы, компенсирующей изменение силы действия струй на пластину 9. Величина тока в цепи обратной связи пропорциональна разности плотностей влажного контролируемого газа ВГ и сравнительного осушенного воздуха СГ. При разбалансе входной пневматической схемы струи газа, вытекающие из сопел 11(1) и 11(2), отклоняют пластину 9 с зеркалом 8. Перемещение отраженного от зеркала луча света вызывает перераспределение световых потоков на поверхностях двух половин дифференциального фотосопротивления 15. Разбаланс электрической дифференциальной схемы приводит к появлению тока в цепи отрицательной обратной связи, состоящей из сопротивления Rн, миллиамперметра 16 и рамки 6 магнитоэлектрического гальванометра 5. Образующийся при этом магнитоэлектрический момент Мэл компенсирует механический момент Мм от действия струи на поверхность пластины 9.
При натекании струи сравнительного осушенного воздуха СГ на пластину 9 сила Fсг действия струи потока на поверхность определяется выражением:
где ρсг - плотность сравнительного осушенного воздуха СГ; Sc11(2)=πdс11(2)2 - площадь выходного отверстия сопла 11(2); dc11(2) - диаметр выходного отверстия сопла 11(2); 
- объемная скорость.
При переключении пневмораспределителя 18 по сигналу 
с программируемого логического контроллера 4 в поток сравнительного осушенного воздуха СГ вводится доза влажного контролируемого газа ВГ из дозируемого объема 17 плотностью ρвг, которая подается к соплу 11(1), оказывая силовое воздействие Fвг на поверхность пластины:
где ρвг - плотность влажного контролируемого газа ВГ; Sc11(1)=πdc11(1)2 - площадь выходного отверстия сопла 11(1); dc11(1) - диаметр выходного отверстия сопла 11(1).
В результате прохождения дозы влажного контролируемого газа ВГ через сопло 11(1) изменяются механические моменты сил, воздействующих на пластину:
где M1 - механический момент от силы действия Fсг; М2 - механический момент от силы действия Fвг; 
- площадь «следа» струи на пластине 9 при подаче струи из сопла 11(2); 
- площадь «следа» струи на пластине при подаче струи из сопла 11(1), h - расстояние от сопел до пластины, iц - расстояние оси симметрии площади «следа» струи от оси симметрии подвижной части магнитоэлектрического гальванометра 5, ψэ - потокосцепление.
Механический момент Мм соответствует разности механических моментов M1 и М2:
Пренебрегая жесткостью упругих элементов подвижной части, запишем условие работы в установившемся режиме:
Равенство (VII) с учетом (III)-(V) имеет вид:
При одинаковых диаметрах выходных отверстий сопел dc11(1)=dc11(2), и площадях Sc11(1)=Sc11(2) и S11(1)=S11(2)=S выходной ток I будет равен:
Зависимость плотности ρвг влажного контролируемого газа ВГ от влагосодержания w определяется из следующего выражения [Чуха М. Применение электролитического указателя влажности для измерения атмосферной влажности / В сб.: Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях и технике, Том 1. Принципы и методы измерения влажности в газах. - Ленинград: Гидрометеорологическое издательство. - 1967, с. 461-467]:
где T - температура газа, K (принимается в 273 K при нормальных условиях); Рб - барометрическое давление (принимается Рб=760 мм рт.ст. при нормальных условиях); w - влагосодержание.
Выходной ток (IX), учитывая (X), равен:
Согласно выражению (XI) выходной ток фотокомпенсационного гигрометра зависит от влагосодержания w, температуры газа Т, барометрического давления Рб, объемной скорости , расстояния iц оси симметрии площади «следа» струи S от оси симметрии подвижной части магнитоэлектрического гальванометра 5, площади «следа» струи S и значения потокосцепления ψэ.
Фотокомпенсационный гигрометр, содержащий чувствительный элемент, реагирующий на изменение влагосодержания влажного контролируемого газа, и измерительную схему, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде пластины, жестко закрепленной на растяжках магнитоэлектрического гальванометра, а измерительная схема состоит из двух ветвей подачи сравнительного осушенного газа, в одну из которых подключен дозатор влажного контролируемого газа, и пневмооптического преобразователя в виде магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, и оптическую часть, содержащую источник света, конденсор, диафрагму, зеркало, отраженный луч света от которого регистрируется сдвоенным фотосопротивлением, включенным в дифференциальную равновесную электрическую схему с расположенными в ней источниками питания, в обратной связи которой подключен регистрирующий миллиамперметр для определения контролируемого параметра.
