Спосіб визначення температури та вологості повітря і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха или отдельных газов с помощью полупроводниковых датчиков. Известны способы определения температуры и влажности воздуха и устройства для их осуществления, заключающиеся в преобразовании измеряемой величины в частоту электрических сигналов путем, например, включения влагочувствительного элемента в частотозадающую цепь генератора с последующей обработкой результатов измерения частоты по определенному выражению. Известным техническим решениям присуща недостаточная точность измерения, обусловленная погрешностями, вносимыми нелинейностью характеристики чувствительного элемента, погрешностью "нуля", временной и температурной нестабильностью каналов преобразования и др. Это ограничивает возможности известных способов определения температуры и влажности воздуха с предварительным преобразованием измеряемого параметра в частоту. Известен способ определения температуры и влажности воздуха, заключающийся в том, что датчики температуры размещают с двух сторон от исследуемого материала, по одну из сторон которого устанавливают также и нагреватель, приводят всю систему в равновесное состояние и сообщают исследуемому материалу определенную порцию тепла, отличающийся тем. что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, измеряют температуру исследуемого материала с помощью датчика, установленного на противоположной стороне от нагревателя, в момент достижения определенной разности температур между датчиками, характеризующей градиент температуры в среде, и по подученному значению, пользуясь эмпирически установленной зависимостью, находят искомый параметр. Недостатком известного технического решения является невысокая точность определения температуры и влажности. При определении температуры среды неисключенной остается мультипликативная составляющая погрешности, а при определении влажности неисключенными являются погрешности всего измерительного канала. Все это ограничивает широкое использование известного технического решения. Целью изобретения является повышение точности определения температуры и влажности воздуха, а также повышение быстродействия измерений за счет исключения методических погрешностей, влияния начальной частоты релаксационного генератора, параметров вольт-амперной характеристики датчика (p-nперехода) и нестабильности параметров времязадающей цепи релаксационного генератора на результаты определения температуры и влажности воздуха, а также расширение функциональных возможностей. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для определения температуры и влажности воздуха; на фиг. 2 - структурная схема блока обработки сигналов; на фиг. 3 -стр уктурная схема цифрового отсчетного устройства. На фиг. 1-3 приняты следующие обозначения; 1 - источник напряжения; 2-5 - первый, второй, третий и четвертый резисторы; 6-транзисторный ключ; 7-интегрирующий конденсатор; 8 - операционный усилитель; 9 - формирователь счетных импульсов; 10-полупроводниковый датчик; 11 - источник тока; 12-15 первый, второй, третий и четвертый автоматические переключатели; 16-21 - с первого по шестой элементы ИЛИ; 22, 23 - первый и второй счетчики импульсов; 24 - реверсивный счетчик импульсов; 25 - счетчик тактов; 26 - задатчик числа; 27 - дешифратор; 28 - триггер; 29 - кварцованный генератор; 30 - формирователь импульсов сброса; 31, 32 - кнопки "Установка нуля" и "Режим индикации"; 33 - цифровое отсчетное устройство, - блок обработки сигналов; 25-37 - первый, второй и третий элементы И; 39-41 - первый, второй и третий управляемые делители частоты; 42, 43 - первый и второй реверсивные счетчики импульсов; 44 счетчик импульсов; 45 - блок семи элементов 2И; 46 - элемент ИЛИ; 47, 48 - первый и второй регистры; 49, 50 - первый и второй элементы 2-2И-ИЛИ-НЕ; 51 - генератор опорной частоты; 52 - постоянное программируемое запоминающее устройство; 53 -мультиплексор; 54, 55 - первый и второй одновибраторы; 56, 57 - первый и второй преобразователи кодов; 58 - блок светодиодов; 59 - блок цифровой индикации. При этом первый выход источника напряжения 1 соединен через последовательно включенные первый резистор 2 и транзисторный ключ 6 с выходом операционного усилителя 8, к которому подключен один из выводов конденсатора 7 и вход формирователя 9. Второй выход источника 1 напряжения соединен с входом формирователя импульсов сброса 30 и объединенными первыми выводами второго и третьего резисторов 3 и 4. Третий выход источника 1 напряжения подключен к цепи управления (базе) транзисторного ключа 6, вторым выводом конденсатора 7 и к инвертирующему входу операционного усилителя 8. Четвертый выход источника 1 напряжения соединен с входом источника тока 11. Один из выходов полупроводникового датчика 10 и входы кнопок "Установка нуля" 31 и "Режим индикации" 32 подключены к земляной шине. Выход кнопки 32 "Режим индикации" соединен с вторым выводом третьего резистора 4. Первый вход блока 34 обработки сигналов соединен со счетным входом первого и второго управляемых делителей 39 и 40 частоты. Установочные входы первого управляемого делителя 39 частоты подключены к выходам задатчика 38 числа, выход соединен с объединенными первыми входами первого и второго элементов И 35 и 36. Второй вход первого элемента И 35 соединен с входом установки нуля второго реверсивного счетчика 43 импульсов и с первым выходом блока 45 элементов 2И. Второй вход блока 45 элементов 2 И подключен к входу второго элемента И 36. Выходы первого и второго элементов И 35 и 36 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика 42 импульсов. Вход установки нуля первого реверсивного счетчика 42 импульсов подключен к выходу первого элемента ИЛИ 46, выходы соединены с установочными входами второго управляемого делителя 40 частоты. Выход первого управляемого делителя 40 частоты подключен к объединенным между собой первому и третьему входам первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-НЕ 49 и 50. Второй вход первого элемента 2-2ИИЛИ-НЕ 49 соединен с входом первого одновибратора 54 и подключен к четвертому выходу блока 45 элементов 2И, третий выход которого соединен с вторым входом второго элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ 50. Четвертый вход второго элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ 50 подключен к входу второго одновибратора 55 и шестому вы ходу блока 45 элементов 2И. Седьмой выход блока 45 элементов 2И соединен с вторыми входами элемента ИЛИ 46 и третьего элемента И 37. Пятый выход блока 45 элементов 2И подключен к четвертому входу первого элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ 49. Выходы первого и второго элементов 2-2И-ИЛЙ-НЕ 49 и 50 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика 43 импульсов. Выходы второго реверсивного счетчика 43 импульсов подключены к одноименным информационным входам первого и второго регистров 47 и 48, управляющие входы которых соединены с выходами первого и второго одновибраторов 54 и 55 соответственно. Выходы второго регистра 48 подключены к четвертым входам мультиплексора 53 и соединены с установочными входами третьего управляемого делителя 41 частоты. Счетный вход третьего управляемого делителя 41 частоты подключен к выходу генератора 51 опорной частоты. Управляющие входы R, V1, V2 трех управляемых делителей 39-41 частоты объединены и подключены к земляной шине. Выход третьего управляемого делителя 41 частоты соединен через третий элемент И 37 со счетным входом счетчика 44 импульсов. Вход установки нуля счетчика 44 импульсов соединен с выходом второго одновибратора 55. Выходы счетчика 44 импульсов подключены к третьим входам мультиплексора 53 и входам адреса столбца постоянного программируемого запоминающего устройства 52. Выходы постоянного программируемого запоминающего устройства 52 соединены с вторыми входами мультиплексора 53, Входы адреса строки постоянного программируемого устройства 52 подключены к первым входам мультиплексора 53 и к инверсным выходам первого регистра 47 числа. Цифровое отсчетное устройство 33 включает в себя первый и второй преобразователи кодов 56 и 57, блок светодиодов 58 и блок 59 цифровой индикации, входами соединенный с выходами второго преобразователя 57 кодов, входы которого являются входами цифрового отсчетного устройства 33. Входы блока 53 светодиодов соединены с выходами первого преобразователя 56 (дешифратора) кодов, входы которого являются управляющими входами цифрового отсчетного устройства 33. В основу предложенного способа положена зависимость теплообмена между нагретым объектом (датчиком) и окружающей средой (воздухом) от влажности последней. Теплообмен между объектом и средой характеризуется теплоотдачей. Количественно интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи a х в Вт/(м 2*ОС), который, согласно закону Ньютона-Рихмана, определяется выражением где Ρ - мощность теплового потока объекта (датчика), Вт; SA - площадь датчика, м ; Dt x = tn-t x - разность температур между объектом и средой. Для полупроводникового датчика величину a x в В · А/(м 2 · °С) можно записать как где V и I - напряжение и ток через р-п-переход датчика; Δt x - температура перегрева р-n-перехода. Для определения влажности воздуха необходимо измерить значения температуры окружающей среды (воздуха) Т х и температуры Τn перегрева полупроводникового датчика, а также определить значения коэффициента связи коэффициента теплоотдачи a х с влажностью Wx воздуха при известной температуре окружающей среды. Сущность предложенного способа определения температуры и влажности воздуха заключается в определении температуры по падению напряжения на р-п-переходе полупроводникового датчика и его коэффициента a х теплоотдачи при заданном значении тока нагрева p-n-перехода с последующим определением влажности по зависимости. При определении температуры и влажности воздуха до нагрева p-n-перехода датчика устанавливают первое и второе значения токов I1 и І2 = (1,01...1.1)I1 через p-n-переход по начальному участк у его вольтамперной характеристики, а третье значение тока І3 = nI1 ≤ I0 (где n = 102...103; Ιο - предельно допустимый ток) по конечному участк у вольт-амперной характеристики p-n-перехода. Последняя описывается выражением где I - ток через р-n-переход; - ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Тn перехода; Ι0 - ток насыщения при Тп ® ¥; В - коэффициент, зависящий от материала полупроводника и ширины зоны перехода; q - заряд электрона; k - постоянная Больцмана, Un - падение напряжения на p-n-переходе, связывающем ток через p-n-переход с падением напряжения на нем. Крутизна вольт-амперной характеристики (1) определяется значением ln(Io/l), а начальное значение параметром В. При изменении температуры Тn в диапазоне Тn >> 300 К значение отношения kTn/q>>26 мВ и уравнение (1) можно представить в виде Падение напряжения Un на р-п- переходе от тока I при температуре p-n-перехода, равной температуре окружающей среды, т.е. Т n = Т х, определится, с уче том формулы (2), выражением Учитывая, что ток насыщения р-n-перехода немного больше рабочего тока, т.е. I 0>>I, падение напряжения представляют выражением с положительным логарифмом: Из выражения (4) видно, что падение напряжения на р-n-переходе линейно уменьшается от температуры Тп = Т х. При малых значениях температуры р-n-перехода и тока через него получают малые значения падения напряжения на р-n-переходе, что не всегда обеспечивает заряд интегрирующего конденсатора релаксационного генератора, в частотозадающую цепь которого включается полупроводниковый датчик, до требуемого уровня в заданном частотном диапазоне. В этой связи падение напряжения усиливают или используют дополнительное опорное напряжение, обеспечивая тем самым увеличение тока заряда конденсатора. Усиление разности (или суммы) опорного напряжения и падения напряжения позволяет выбрать требуемый частотный диапазон преобразования температуры нагрева датчика в частоту и обеспечить необходимую чувстви тельность преобразования. Затем, согласно предложенному способу, выбирают образцовый резистор с сопротивлением R0, равным сопротивлению p-n-перехода датчика для средней температуры диапазона измерений, т.е. R0 = rд.ср. Пропускают ток I1, через образцовый резистор с сопротивлением. Формируют релаксационные колебания частоты f1 путем заряда интегрирующего конденсатора током lk1, пропорциональным заданной разности ΔU1 напряжений между опорным напряжением U0 и падением напряжения: где ΔΤ0 - нормированное значение температуры, задаваемое априори в пределах диапазона измерений температуры воздуха; Η - первое значение тока через образцовый резистор R0; В, q, k и I0 - параметры, которые определяются типом выбранного полупроводникового датчика, на образцовом резисторе Ro от тока I1 до момента равенства падения напряжения Uk1 на конденсаторе заданному значению При постоянной времени заряда конденсатора где С - емкость конденсатора; R - сопротивление цепи, обеспечивающей ток заряда Ik1 конденсатора, разность ΔU1 достигнет значения Uon за время С учетом выражений (5) и (6) значение частоты f1 релаксационных колебания определится выражением Измеряют и запоминают значение частоты f1 (7) релаксационных колебаний. Устанавливают через образцовый резистор R0 ток І2. В результате падение напряжения на образцовом резисторе R0 увеличится до значения Формируют релаксационные колебания частоты f2 при падении напряжения Un2 (8) на образцовом резисторе R0 от тока І2. В этом случае заряд интегрирующего конденсатора осуществляется током Ik2, пропорциональным разности напряжений U0 и Un2. т.е. DU2 = U0 - Un2. Частота f2 релаксационных колебаний описывается выражением Измеряют и запоминают установившееся значение частоты f2 (9). Пропускают ток I1 через р-n-переход датчика. Формируют релаксационное колебания частоты І3 путем заряда интегрирующего конденсатора током, пропорциональным разности DU3 между опорным напряжением U0 и падением напряжения Un3 = I1 rg1, где rg1 - сопротивление р-n-перехода при температуре окружающей среды (Тп = Т х), на р-n, переходе от тока I1. В этом случае С учетом выражения (10) частота f3 релаксационных колебаний определится выражением связывающим частоты f3 релаксационных колебаний с температурой Тп р-n-перехода, равной температуре Т х окружающей среды Τn = Τ x, параметрами RC-цепи и вольт-амперной характеристикой р-nперехода. Измеряют и запоминают значение частоты (11) релаксационных колебаний; соответствующее равенству температур р-n-перехода и окружающей среды (воздуха). Увеличивают ток через р-n-переход до значения І2 = (1,01...1,1) I1. Аналогичным образом формируют релаксационные колебания частоты f4 при протекании через р-n-переход тока І2. В результате падения напряжения на р-n-переходе определится выражением а частота f4 релаксационных колебаний -выражением Измеряют и запоминают установившееся значение частоты f4 (13) релаксационных колебаний, соответствующее температуре Тх р-n-перехода. Увеличивают ток через р-n-переход до значения І3 = n I1 ≤ I0, где n