Гигрометрический влагопотенциометр

(19) 51)5 О 01 Й 25/ Е ИЗОБР ВИДЕТЕЛЬСТВУ НИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Глобус А.М. Физика неизотермического внутрипочвенного влагообмена; Л Гидрометеоиздат, 1983, с,71-74,йецп)апп Н.Н, е 1,а 1, и з 1 ц.гпеазцгевемз о 1 1 еаЬгасег 1 оа и сагп, зауЬеап апсзцптоаег ат зечега "Тгайзргадай гатезСвпас 1.Р 1 ати.Зс 1, 1973, ч,54, р.175-184. (54) ГИГРОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОПОТЕНЦИОМЕТР(57) Использование; аналитическое приборостроение. Сущность изобретения: гигрометрический влагопотенциометр содержитмикротермопару, управляемый источник еепитания, обеспечивающий конденсацию во-ды на микротермопаре и последующееуменьшение 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 стносительной влажности воздуха служит ми 1 ротермопара, увлажняемая конденсато)4 образующимся при поглощении тепла Пельтье в ходе пропускания через спай постоянного тока,но коммутатором, обеспечивающим предва-. рительное подключение микротермопары к управляемому источникутока питания и последующее ее включение в одно из плеч мостовой схемы, в смежное плечо которой включен резйстор с сойротивлением, равным отношениюмежду термоЭДС и током питания сухой микротермопары нэ линейном уцастке 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 балансировкумоста установкой тока смоченной микротермопарь 1, э 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 рабоцим, охлаждаемым, э другой, нагревающийся током Пельтье, присоединен к массивному теплоотводу, обеспечивающему диссипацию этого тепла, Микротермопэру помещают в атмосферу раствора, имеющего известный относительный химический потенциал водь 1 Ф, охлаждает пропусканием тока Пельтье, переключают в цепь микро- вольтметра и регистрируют максимум тер- моЭДС Е, который является полезным сигналом. Выполнив ряд таких измерений над растворами с разными Ф, строят график1783399 разность термоЭДС, соответствующая разФ = 1(Р), 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 определениюусловий; при которых этэ разность равна нулю. Используя изобретение, решают зту задацу проще, чем в протонеобходимость калибровки датчика вследствие отклонения фактической формы,смо .ченной поверхности от сферы, как предполагается в теории данного метода; влияние на отсчет геометрии системы дат- типе Недостаток прототипа сбстоит в необходимости пользоваться двухкоординат-. ным самописцем - дорогйм и громоздким прибором, не давщим возможйости преврацик - среда и сравнительно большая температурная чувствительность, требующая 10 дополнительной калибровки, Два -последнйх недостатка связаны с тем, чго датчик в режиме конденсации и в режиме измерения.тить микрогигрбметрический. влагопотеициработает посредством влагообмена с иссле-ометр в полевой портатйвный прибор. дуемой средой.; .. : . 15 Цель йзобретения - упрощение конст. Этихнедостатков лишен микрогигро- . рукции прибора.метрический влагопотенциометр на эф-Поставленная цель достигается тем, что фекте Пельтье, предназначенный -для влагопотенциометр, содержащий микроопределения точки росы, после-чего легко.термопару, управляемый источник тока рассчитатьравновесную относительную 20 питания, измеритель сигнала микротермовлажность воздуха в исследуемой среде 0 и пары и тока ее питания, снабжен 4-плечим Ф, поскольку:мостом, одна диагональ которого подклюцеО = Р(т,р.)/Р(Т), " .(1) на к управляемому источнику питания, а . где (т.р.) и Р(Т) - соответственно упругости Другая черезусилитель - к нуль-прибору и пара"при температуре точки росы и темпе 2-позиционному переключателю на.4 на-. ратуре Т, определяемые по таблицам или правления,общие выводыдвух йайравлеформуле Магйуса,":;ний которого соединены с управляемымВ .приборе-йрототипе используют кре- источником тока, а двух других направлений - .с микротермопарой, через первые стообразную термопару, Через одну пару разных проводов пропускают охлаждаю 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 смикротермопарой регистрирует ток Пельтье,.вторая - с осью У плечо моста образовано резистором с со 35 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 зависимостимежду ними, а в два противоположныхтермопару, получают кривую 1 (фиг,1), а дав предварительно ток, достаточнь 1 й для охлакдения микротермопары ййже точкй росы и затем снижая его, получают кривую 2 и 40 плеца моста включены одинаковыерезистоее пересецение с кривой 1 - искомую точку ры ют Т(т.р,), Р(т,р,), а далее О по формуле (1), 45 вывод включеныв цепь отрицательной обПри этом используется тот факт, что откло-, ратной связи между выходом усилителя и управляемым источником питания. На фиг,1 йредставлейа зависимость нение"температуры спая от точки росы в сторону поникения вызывает дополнительтермоЭДС Пельтье Е для сухой (1) и предварительно смоченной (2) термопары ат велиную конденсацию и сопровождающее ееповышениетемпературы, э отклонение тем пературы в сторону повышения вызываетчины охлаждаащего токаПельтье 1; на фиг,2 - варианты принципиальной электрической схемы устройства,При пропусканиичерез термопару тока испарение конденсата со спая и сопровож-.дающее его охлаждение, Таким образом, любое отклойение от точки росы влечет за наблюдаются два тепловых эффекта: пособой тепловой эффект, способствующий 55 глощение тепла Пельтье на спае и выделевосстановлению исходного состояния. Если положение исходной температуры спая по отнойению к точкеросы заранее известно, например, кэк в рассматриваемом случае,ние джаул ева тепла в проводнике термопары, В результате график зависимости термоЭДС отбудет иметь вид, описываемый кривой 1 (фиг,1). На участке ОО этот рабочий спай охлажден ниже точки росы, то.: иискомое значение (т.р.) и ЭДС Е (т.р,), Другое отличие состоит в том, чтоком-линейно связанную с (т,р.),.Зная коэффици- мутатор имеет пятое йаправлейие, общий енттермоЭДС микротермопары, вычисля- вывод которого и второй, коммутируемый1783399 10 15 20 25 30 40 55 график практически линеен, Рабочей об, ластью токаи термоЭДС Е,.используемой в предлагаемом устройстве, является линейная область кривой 1. Эта кривая описывает зависимос"ь Е отдля 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 , то зависимость Е отбудет определяться кривой 2 (на фиг.1) на участке ВС вследствие выделения теплоты конденсации и выше кривой 1 на участкеВК вследствие затраты теплоты испарения. График зависимости Е отпересечет 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 отдля 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 отна графике Е всегда пройдет ниже соответствующего графика Е для сухой термопары вплоть до точки росы, т.е. при данном токевплоть до этой точки Е смоченной термопары будет меньше Е сухой термопары,Ввиду линейности отрезка 00 для него верноОа/ОЬ = сопз 1 (2) или, учитывая смысл Оа и ОЬ,Е/ = гс = сопзс. (3) Пусть теперь микротермопара гигрометрического усилителя включена в одно из плеч моста. смежное плечо которого имеет сопротивление гс, где гс 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 В = Е/,изменяет эффективное сопротивление термопары, что разбалансирует мост и отображается усилителем. При уменьшенииразбаланс будет уменьшаться, пока, наконец, в точке росы, где кривая 2 (фиг.1) пересекает кривую 1, мост не будет сбалан 6сирован, а показания усилителя 7 не станутравны нулю. В этот момент выполняютсясоотношения= (т,р,), . ".(4)Е = Е(т,р.), (5)Ет.р, = (Т.р.)г (6)Т,Р, = Е(т.р,)Я, (7)где 3 - коэффициент термоЭДС микротермопары;Т, Р, - температура точкиросы.Управление силой токапри необходимости может осуществляться автоматически за счет отрицательйой обратнойсвязимежду выходом усилителя и-управляемым источником тока питания микротермопарыПосле нахождения точки росы Т,Р. вычисление Ф сводится к простому расчету.Данный метод является по существу нулевым, а нулевые методы относятся к особоточным.Предлагаемое устройство (фиг.2 а) состоит из микротермопары 1, управляемогоисточника тока питания 2, коммутатора 3,резисторов 4 - 6, образующих вместе стермопарой мостовую схему, усилителя постоянного тока 7, нул ь-прибобра 8 и измерителя тока питания микротермопары 9.Сопротивления резисторов 5, 6 выбраныравными.Устройство работает следующим образом,Предварительно устанавливают связьмежду термоЭДС сухой термопары и величиной охлаждающего тока, на основании которой с помощью соотношения (3) выбираютзначения сопротивления гс резистора 4.Микротермопару помещают в атмосферуисследуемого образца, коммутатор 3 устанавливаютв позицию 10 и пропускают охлаждающий ток величиной 6 - 8 мА длямикротермопары из проволоки хромельконстантан диаметром 25 мкм, что заведомо больше (т,р.). Затем коммутатор 3переводят в позицию 11 и с помощью управляемого источника тока 2 начинаютуменьшать охлаждающий ток, следя за показаниями нуль-прибора 8. В момент, когдаон указывает нуль-баланс моста, фиксируютзначения тока(т,р.), после чего по формулам (6) и (7) находят точку росы. Ее связь сискомым потенциалом воды Ф описываетсяизвестным термодинамическим соотношением,В варианте устройства по п,2 формулыпоиск значения охлаждающего тока, обеспечивающего баланс моста, выполняетсяавтоматически, Для этого усилитель 7 приизмерениях связан через коммутатор 3цепью отрицательной обратной связи 12(фиг.26) с управляемым источником тока питания 2, а к измерителю тока питания микротермопары 9 прйсоединен преобразователь 13, преобразующий после автоматической установки тока(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 и з обретен ия 1, Гигрометрический влагопотенциометр, содержащий микротермопару, управляемый источник тока питания, измеритель гр.) Охлстйтхд юЛяы сигнала микротермопары и тока ее питания,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью .конструкции, он снабжен четырехплечиммостом, одна диагональ которого подключе 5 на к управляемому источнику питания, а вторая через усилитель к нуль-прибору, идвухпозиционным переключателем на 4направления, общие выводы двух направлений которого соединены с управляемым10 источником тока, а двух других направлений - с микротермопарой, через первыекоммутируемые выводы микротермопара. подключена к управляемому источнику токапитания, через вторые коммутируемые вы 15 воды микротермопара включена в одно изплеч моста, смежное с микротермопаройплечо моста образовано резистором с сопротивлением, равным отношению междутермоЭДС и током питания сухой микро 20 термопары на линейном участке зависимости между ними, а в два противоположныхплеча моста включены одинаковые резисторы,2, Влагопотенциометр по п.1, о т л и ч а 25 ю щи й с я тем, что коммутатор имеет. пятоенаправление, общий вывод которого и второй коммутируемый вывод включены в цепьотрицательной обратной связи между выходом усилителя и управляемым источником30 питания.1783399 Составитель И. Ана ехред М,Моргентал Корректор Редактор Г. Бельская Лончакова водственно-издательский комбинат"Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина,р аказ 451 О Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5