Термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ і датчик для його здійснення

1. Термоелектричний спосіб контролю вологості газового середовища, який полягає в тому, що в газове середовище поміщають термопару, створюють вздовж неї градієнт температури, вимірюють її термоЕРС, залежну від вологості, який від C2 2 (19) 1 3 того робочого кінця, визначають відхилення вологості відносно норми у за формулою:   (E  E2 X )(E3  E2  2E1)2 TK  WX   3X  1 2 WH  (E3  E2 )(E3 X  E2 X  2E1X ) TK ,   де WX - відхилення вологості від норми; WH - вологість, яка відповідає встановленій нормі;  - коефіцієнт, який задається кутом нахилу лінійної ділянки залежності вологості газового середовища від його теплопровідності в межах норми і визначається при калібровці; E 1 , E 2 і E3 - термоЕРС, які були зафіксовані при калібровці у середовищі з відомою вологістю; TK - температура газового середовища, при якій здійснювалась калібровка. Недолік способу - в його великій трудомісткості, обумовленій значною кількістю операцій вимірювання та обчислення, довготривалість виміру одного значення вологості (як наслідок значної часової інерційності явища теплопровідності). Задача винаходу - зменшення часу виміру вологості, зниження трудомісткості вимірів і забезпечення їх неперервності. Задача вирішується тим, що в термоелектричному способі контролю вологості газового середовища, який полягає в тому, що в газове середовище поміщають термопару, створюють вздовж неї градієнт температури, вимірюють її термоЕРС, залежну від вологості, згідно з винаходом, що заявляється, спочатку вимірюють первинну термоЕРС термопари в сухому газовому середовищі; потім вимірюють у вологому газовому середовищі вторинну термоЕРС, визначають приріст термоЕРС за рахунок адсорбції водяної пари електропровідним матеріалом, з якого виготовлена термопара; i по величині приросту термоЕРС визначають вологість за допомогою калібрувальної залежності приросту від вологості. Значення первинної термоЕРС термопари в сухому газовому середовищі вимірюється один раз на всю серію вимірів вологості одного і того ж газового середовища. Це дозволяє звести все до швидкого виміру вторинної термоЕРС і забезпечити неперервну реєстрацію змін вологості впродовж тривалого часу, якщо цього вимагає технологія виробництва. Цим вирішується задача винаходу: зменшення часу виміру вологості, зниження трудомісткості вимірів, забезпечення їх неперервності. Відомі термоелектричні датчики вологості, що містять термопару, один спай якої знаходиться у вологому субстраті і має меншу температуру, а другий спай - в газовому середовищі, має температуру середовища [3]. Ці датчики мають велику інерційність, обумовлену інерційністю явища теплопровідності. Винайдено датчик вологості, інерційність якого зменшена шляхом використання мікроскопічної термопари [4]. Цей датчик необхідно часто зволожувати, що ускладнює його конструкцію. 95856 4 Найбільш близьким аналогом датчика вологості, що заявляється, є термоелектричний датчик вологості [5]. Диференціальна термопара, згідно з винаходом, виконана з кремнію р-типу з питомим опором 0,02 Ом*см, а пористий змочуваний матеріал - з крохмалевидного полімеру (С6Н10O5)X. Недолік датчика в наявності змочуваного матеріалу, температура якого коливається за рахунок зміни кількості води в матеріалі при незмінній вологості середовища. Цим зменшується точність виміру вологості, збільшується трудомісткість обслуговування приладу та його інерційність (обумовлена інерційністю теплопровідності пористого змочуваного матеріалу). Задача винаходу датчика вологості - це зменшення часу одного виміру вологості, зниження трудомісткості вимірів, забезпечення їх неперервності. Задача вирішується тим, що в датчику для здійснення термоелектричного способу контролю вологості газового середовища, що містить термопару, вихідні кінці якої приєднані через мідні холодні клеми до входу потенціометра, а спай термопари затиснутий в гарячому блоці, згідно з винаходом, що заявляється, одна гілка термопари виконана з монолітного графіту, а друга - з механічно подрібненого в порошок графіту, засипаного в фторопластову трубку з отворами в боковій стінці для газообміну порошку: з газовим середовищем та для електричного контакту порошку з холодною клемою і гілкою з монолітного графіту. Виконання одної гілки термопари з монолітного графіту необхідне для того, щоб ця гілка не адсорбувала вологу. Виконання другої гілки з механічно подрібненого порошку графіту, засипаного в фторопластову трубку з отворами в боковій стінці, забезпечує адсорбцію графітовим порошком вологи з газового середовища, внаслідок чого генерується приріст термоЕРС адсорбційної природи Еа, величина якого залежить від вологості середовища . Механічне подрібнення графіту необхідне для посилення адсорбції внаслідок введення дислокацій. Явище адсорбції поверхневе, тому мало інерційне, особливо в тонких шарах порошку. В результаті зменшується інерційність датчика, знижується час виміру та трудомісткість вимірів. На фіг. 1 зображено датчик вологості, а на фіг. 2 приведено калібрувальну залежність приросту термоЕРС Еа, що виникає внаслідок адсорбції, від вологості . Датчик вологості містить термопару 1,3-4, вихідні кінці якої приєднані через мідні клеми 5-6 до входу потенціометра 7. Клеми 5-6 електроізольовані одна від одної шайбою 8 з маслостійкої гуми та трансформаторним маслом 9, що має температуру TX і забезпечує конвекцією різницю температур між клемами 5 і 6 7~0,0001 °C. Цим зменшуються паразитні термоЕРС в контактах мідьграфіт. Гілка термопари 1 виконана з монолітного графіту і притиснута до клеми 5 пружиною 10, що електроізольована від клеми. Гілка 3-4 виконана з механічно подрібненого в порошок графіту 3, засипаного у фторопластову трубку 4 з овальними отворами А, В, С і D в боковій стінці для газообмі 5 ну порошку (отвори В, С) з газовим середовищем та для електричного контакту (отвори А, D) порошка 3 з холодною клемою 6 (отвір А) та віткою 1 (отвір D). Так, в отворі D утворено електроконтакт, умовно названий спаєм термопари, який затиснутий гарячим блоком 2, що електроізольований від спаю і має температуру TГ. Термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ за допомогою датчика вологості (фіг. 1) здійснюють наступним чином. В газове середовище, наприклад сухе повітря, поміщають термопару, створюють вздовж гілок 1 і 3-4 градієнт T  TX T  Г x , вимірюють потенціотемператури метром 7 первинну термоЕРС ЕС = 20 мкВ/К. Потім термопару поміщають у вологе повітря. Внаслідок адсорбції водяної пари порошком 3 термоЕРС змінюється протягом t~1-2 хв і досягає стабільного значення, що відповідає рівновазі між адсорбцією і десорбцією пари. Тоді і вимірюють вторинну термоЕРС: Ев. Обчислюють приріст Eа=Eв-Ес. За Комп’ютерна верстка І. Скворцова 95856 6 калібрувальною залежністю (фіг. 2) Eа=f() визначають вологість . Калібрувальну залежність одержують окремо, один раз при запуску приладу, вводячи термопару у повітря з відомою вологістю і вимірюючи Ев та обчислюючи Еа. Залежність будують в одиницях мкВ/К (термоЕРС) і відсотках відносної вологості . Такі одиниці дозволяють визначати вологість (р по одному графіку для різних вибраних значень градієнта T . Інерційність датчика вологості, параметри якого наведені вище, мала і дозволяє вимірювати вологість, яка змінюється в інтервалі =0-100 % впродовж 10-12 хвилин. При цьому одержуємо не менше 6 значень вологості. Таким чином, задачу винаходу вирішено. Процес вимірювання вологості піддається автоматизації шляхом використання автоматичного потенціометра 7, в пам'ять якого вводять градуювальну характеристику (фіг. 2). Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601