Сорбционно-частотный гигрометр

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТО ВСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Сфюз СоветсиняСецнвлнстнчесиняРеспублни и 938115(23)ПриоритетЬеуАарстайэя каиятет СССР аа йвяан яэобретеяяй я етярытяй(53) УДК 536, .42 1(088.8) Дата опубликования описвкия 27.06.82 В. Е, Иващенко, Г, Н. Лобанов, И. А. Рудых и А. А, Терлецкий(54) СОРБЦИОННО-ЧАСТОТ 1Изобретение относится к анвлитичес= кому приборостроению, в частности к приборам для измерения влажности и может быть использовано для измерения обьемной доли влаги в газовых смесях.5Известный сорбционно-частотный г рометр содержит пьеэосорбционныК чув- ствительный элемент, выполненный в виде кварцевого резонатора с влагочувствнтельной пленкой, эталонный кварцевый ре . эонатор, двв электронных генератора, один иэ которых является измерительным и соединен с пьеэосорбционным чувствительным элементом, а другой генератор является;эталонным и соединен с эталонным кварцевым резонатором. Кроме того, схема гигрометра содержит устройство вычитания частот эталонного и измерительного генераторов, преобразователь г 0 сигнала резонансной частоты в аналоговый или дискретный скгнал, пропорциональный измеримой влажности, и устройство индикации этого сигнала. 2Известный гигрометр предназначен для измерения обьемной доли власти в газах и содержа, квк правило, одну или две проточные рабочие камеры, в которых размещены чувствительный элемент и эталонный кварцевый резонагор-термостат, в когорый помещены рабочие камеры, систему гермостатировання, осуществляющую под- . держание постоянной температуры в рабочих камерах, и пневматическую систему фНедостатком известного гигрометра является сложное конструктивное исполнение, обусловленное наличием гермостата и системы термосгвтирования.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является: сорбцищно-частотный гигрометр для измерения от носительной влажности газов, например гигрометр ВОЛНА, содержащий датчик с пьезосорбционным чувствительным элементом, включенным в схему ввтогенератора, эталонный генератор с кварцевой стабилизацией частоты, устройство вычи 9 з 8118 4тания частот эталонного генератора и автогенератора датчика (смеснтель), преобразователь сигнала разностной частоты в аналоговый выходной снйал гигрометра, пропорциональный относительной влажности, н устройство индикации этого сигнала, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты 2.Однако известный гигрометр не обеспечивает измерение обьемной доли влаги в газе автоматически,Измерение обьемной доли влаги в газе известным гигрометром может производиться расчетным путем с использованием известных соотнощенкй.Таким образом, для измерения обьемной доли влаги в гязе известным пгрометром необхоцимо дополнительно изме-рять температуру газа, по измеренной температуре .н справочным таблицам находить значение обьемной полн влаги насыщенного газа, после чего необходимо проводить вычнсжння обьемной доли влаги в газе, При этом процесс измерения занимает цлительное время, является цостаточно сложным, так как требует наличия средств цля измерения температуры и в ычислений.Кроме того, измерение обьемной доли30 влаги известным гигрометром яляется периодическим. Цель изобретения ускорение и упрощение измерения, а также обеспечение непрерывности измерения обьемной доли влаги в газе.Поставленная цель д стигается тем, что в известный гигрометр, содержащий преобразователь относительной влажности в аналоговый, дискретный нли коцкрован-фф ный сигналы и устройство индикации, вход которого соединен с выходом преобразователя, причем преобразователь состоит из датчика, содержащего пьезосорбцнонный чувствительный элемент, включенный 45 в схему автогенератора, эталонного генератора с кварцевой стабилизацией частоты, устройства вычитания частот эталонного генератора и автогенератора датчика и Ыреобразователя сигнала резонансной час тоты в аналоговый, дискретный или кодированный сигналы ввецены преобразователь температуры газа в аналоговый, дискретный или коцированный сигналы, пропорциональный обьемной доле влаги на сышенного газа, и блок перемножения выходных сигналов преобразователя относительной влажности и преобразователя темпертуры, причем один вход блока перемножения соединен с выходом преобразователя относительной влажности, другойвход соединен с выходом преобразователятемпературы, а выход блока перемножения соединен с входом устройства индикации.фКроме того, преобразователь температуры состоит из датчика температуры,с оцержаще го температурно-чувствительныйкварцевый резонатор, включенный в схему .автогенератора, эталонного кварцевогогенератора, устройства вычитания частотэталонного генератора и автогенераторадатчика температуры, один вход которогосоединен с выходом автогенератора датчика температуры, а другой вход соединенс выходом эталонного генератора, и преобразователя сигнала разностнойчастотысостоящегоиз псслецовательно соединенных делителя частоты, суммирующего устройства, электронного ключа и счетчикаимпульсов, Формирователя временных интервалов, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа,и функциональной матрицы, вход которойсоединен с управляющим выходом счетчика импульсов, выход соединен с управляющим входом суммирующего устройства,а выход электронного ключа подключен кодному из входов блока перемножения,Такое техническое рещение ускоряетн упрощает процесс измерения, так какизмерение обьемной доли влаги в газепронзвоцится автоматически и непрерьгвно без применения промежуточных вычислений и справочных таблиц. При этом вгигрометре не требуется термостат рщподдержания постоянной температуры чувствительного элемента, что упрощает конструкцию гигрометра,На чертеже показана Функциональная схема гигрометра., Сорбционно-частотный гигрометр состоит из преобразователя относительной влажности, включающего датчик, содержащий пьеэосорбционный чувствительный элемент 1, включенный в схему автогенератора 2, эталонный генератор 3 с кварцевой стабилизацией частоты, устройство 4 вычитания частот эталонного ге/нератора и автогенератора датчика, преобразователь 5 сипгала разностной частоты в дискретный коц пропорциональный относительной влажности, из преобраэгаа - теля температуры в дискретный сиГнал, пропорциональный обьемной доле влаги насыщенного газа, включающего датчикф 81; 5 038 1 гемкературы, состоящий из температурочувствительного кварцевого резснатора 6, включенного в схему автогенератора 7, эталонный кварцевый генератор 8, устройство 9 вычитанкя частот эгалснного гене ратора и автогенератора датчика температуры, преобразователь сигнала разностной частоты, состоящий из последовательно соединенных делителя 10 частоты, суммирующего устройства 11, электрон О ного ключа 12 и счетчика 13 импульсов, формирователя 15 временных интервалов, выход которого соеаснен с управляющим входом электронного ключа 12, и функциональной матрицы 14, вход которой соеци нен с управлякзпям выходом счетчика 13 импульсов, а выхоц соединен с управляющим входом суммирующего устройства 11. Входы устройства 9 вычитания частот соединены с выходом автогенератора 20 7 датчика температуры и с выхоцом эталсщного генератора 8, а выход соединен с входом делителя 10 частоты. Информационные входы суммкруюшего устройства ;11 соединены с выходами целителя 10 25 частотыКроме то.о, гигрометр содержит блок перемножения 16, один вход которого поцключен к выходу преобразователя 5 частоты, другой вход соединен с выходом За эжктронного ключа 12, являющимся выходом преобразователя температуры. Выход блока перемножения 16 соевснен с входом устройства 17 индикации. 35Пьезосорбционный чувствительный эле-. мент 1 и температуро-чувствительный кварцевый резонатор 6 помещены в анали зируемый газ и находятся прк одинаковых условиях.40Пьезосорбционный чувствительный элемент 1 реагирует на изменение относительной влажности анализируемого газа соответствующим изменением частоты электрических колебаний автогенератора 2, При этом частота электрических колебаний эталснного генератора 3 остается постоянной, Сигналы высокой частоты с авгогенератора 2 и эталонного генератора 3 поступают на устройство 4 вычитания частот, в котором выделяется сигнал разностиой частоты, поступающий в преобразователь 5, осуществляющий преобразование сигнала разностной частоты в удобный для перемножения сигнал, пропорциональный относительной влажности, например в дискретный код.Те мпературо-чувствительный кварцевый резонатор 6 реагирует на изменение тем 15 Ьпературы анализируемого газа соответствующим кзмененкем частоты электрическихколебаний автогенератора 7. Частота колебаний эталонного генератора 8 прк этомостается постоянной, Сигналы высокой частоты с автогенератора 7 и эталснногогенератора 8 поступают на устройство 9вычитания частот,в котором выделяетсясигнал разностной частоты д пропорциональный изменению температуры Мд 1 =од 1где с - температурный коэфнциенг частоты кварцевого резснатора 6.С выхода устройства 9 вычитания частот на вход делителя 10 частоты поступает непрерывная последовательность импульсов с частотой слецсйания Ь .Преобразователь сигнала разностнойчастоты, состою 1 ий из делителя 10 часготы, суммирующего устройства 11, электронного ключа 12 счетчика 13 импульсов, формирсвателя 15 временных интервалов и функциональной матрицы 14,предназначен для преобразования последовательности импульсов с частотой слецования Ь в удобный цля перемноженияэлектрический сигнал, пропорциональныйобьемной доле власи насыщенного газа В,Зависимость В от температуры врабочем диапазоне температур гигрометра описывается эмпирическим уравнениемОтВ, =Вно"0 н.(1)где В объемная доля власи насыщенногого газа пои температуре, равной СРС;- температура анализируемого газа;с,Ь- эмпирические коэффициенты,Зависимость В от температуры (1)является существенно нелинейной, а изменение частоты датчика температуры приизменении температуры (уравнение 3) является еснейной функцией. Поэтому в преобразователе температуры гигрометрапреобразсьатель сигнала разностной частоты осуществляет преобразсвание линейной функции нелинейной зависимостью методом кусочно-линейной аппроксимации.Для рабочего диапазсна температурзависимость (4) делится на ряд участков аппроксимации, количество которыхвыбирается в зависимости от требуемойточности аппроксимации. На каждом участке аппроксимируемая функция представляется линейной вида7 038115 8 где 3, - разность между крайними " 10 частоты, таким образом, что за врезначениями В-го участка мя Т на вход ключа 12 поступает последоаппроксимации; вательность импульсов, равнаяЬФ - разность между крайниве еивченинмн семлересур в Й Т вв -- вЬ е.1-го участка аппрсксимациир = 1 букв Н 1 К к,х Вн Вн Ак .-"тангенс угла наклона1 у где- порядковый номер участка апйфункции (4) на-ом ччастке аппроксимации.еиъВ общем случае частоту следования 1 О . К.- среднее.- среднее значение коэф ента-го участка аппроксимации;10 частоты, можно представить выраже- н- текущее значение обьемной дс нием(3) 15 Ф ормула изобретения 1. Сорбционно-частотный гигрометр, содержащий последовательно соединенные пьезосорбционный чувствительный элемент, автогенератор, эталонный генератор с кварцевой стабилизацией частоты, устройство вычитания частот, второй вход которого соединен с эгалонным генератором, преобразователь сигнала разностной частоты в аналоговый, дискретный или кодированный,сигналы и устройство индикации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цегде И - количество участков аппроксимацИИ в20В делителе 10 частоты частота следования импульсов делится на значения Ь 92,аХ- -., где ги- коэффициентделенияи выбираемый в зависимости оттребуемо". точности аппроксимации,С выходов делителя 10 частоты разделенные частоты поступают на информационные входы суммирующего устройства11 (число входов равно И ).С формирователя 15 временных инЗОтервалов на управляющий вход электронного ключа 12 поступает сигнал, откры вающий ключ на времяКрахТ=ф.С (4)где К,- максимальное значение ко 35эффициента К в интервале апйр оксимации;С - дискретн ость. измеренияобьемной доли влаги насыщен 4 Оного газа.Временной интервал Т устанавливаетсяв зависимости от температурного коэффициента частоты 3 датчика температуры.С вькода ключа 12 на счетчик 13 им 15пульсов поступает "пачкау импульсов, количество которых пропорционально значению В 1, В зависимости от состояниясчетчика 13 импульсов на входе фунКциональной матрицы 14 устанавливается но-мер участка аппроксимации, по которомуфункциональная матрица вырабатывает кодсуммирования на управляющем входе суммирующего устройс" ва 11, таким образом,что на 1 -м участке аппроксимации коеРРиииенс лерервчи суммирувинело уссров 55кства равен . В суммирующем уст-.и всюхройстве 11 происходит суммирование разделенных частот, поступающих с делителя ли влаги насыщенного газа.1 -го участка аппроксимации;8 - конечное значение объемной до 1 -1 ли влащ ( 1 -1)-го участка аппроксимации.Если в формулу (5) подставить значение Т из выражения (4) и преобразовать его, то получим, что К=81 С(6) следовательно сумма импульс се, поступающих с выхода ключа 12 на вход счет- чика 13 импульсов и на один из входовблока 16 перемножения эа время измерения Т, равна объемной доле влаги насыщенного газа при данной температуре,деленной на постоянный коэффициент,равный дискретности измерения.Блок 16 перемножения осуществляет перемножение сигналов, пропорциональных относительной влажности и обьемной доле влаги насыщенного газа. Устройство индикации осуществляет индикацию результата измеренияобьемной доли влаги в газе.Таким образом, введение в известный гигрометр новых элементов позволяет ускорить, упростить и обеспечить непрерывность измерения объемной доли влаги в газах. Кроме того, упрпцается конструкция гигрометра за счет исключения термостата и сложной системы термостатирования чувствительно элемента.5 1 Огой вход соединен с выходом эталонногоГенератора,и преобразователя сигналаразностной частоты, состоящего из последовательно ссединенных делителя частоты,суммирующе го устройства, электронногоключа и счетчика импульсов, формирователя временных ицтервалов, выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа, и функциональной матрицы, вход которой соединен с управлякюцкмвыходом счетчика импульссв, а выходс управляющим входом суммирующего устройства, выход электронного ключа подключен к одному из входов блока перемножения. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР М 735964, кл, б 01 М 25(56, 1979,2. Иващенко В, Е. и др, Приборы для измерения относительной влажности воздуха на основе пьезосорбционного метода.Автоматизация химических производств . вып. 4. М., НИИТЭХИИ, 1976, с. 67- 7 1 ( прототип) . 9 93811 лбю ускорения, упрощения и обеспечения непрерывности измерения обье мной доли влаги в газе, в него введены преобразователь температуры газа в аналоговый, дискретный или кодированный сигналы, ь пропорциональный обьемной доле влаги насыщенного газа, и блок перемножения выходных сигналов преобразователя относительной влажности и преобразователя температуры причем один вход блока перемножения соединен с выходом преобразователя. относительной влажности, дру гой вход соединен с выходом преобразователя температуры, а выход блока перемнскения соединен с входом устройства 15 индикации.2, Гигрометр по п, 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что преобразователь температуры состоит из датчика температуры, содержаще го температурно-чувст- о вительный кварцевый резонатор, включенный в схему автогенератора, эталонного кварцевого генератора, устройства вычитания частот эталонного генератора и автогенератора датчика температуры, один 2 вход которого соединен с выходом авто- генератора датчика температуры, а дру