Термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ

Термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ, який полягає в тому, що робочий кінець термопари датчика вологості приводять у тепловий контакт з газовим середовищем, вимірюють термоелектрорушійну силу (термоЕРС) на вільних кінцях термопари, пропускають через електроди термопари постійний струм, змінюють напрям струму і вимірюють термоЕРС нагрітого та охолодженого робочого кінця термопари, який відрізняється тим, то після вимірювання термоЕРС Е-іх на вільних кінцях термопари датчика вологості визначають температуру Тх цього середовища, пропускають через електроди термопари постійний струм у напрямку, при якому робочий кінець термопари охолоджується, силу струму встановлюють ту ж, що була визначена при калібровці датчика по максимальному охолодженню робочого кінця термопари, вимірюють значення термоЕРС Егх охолодженого робочого кінця, змінюють напрям проходження встановленого струму через електроди термопари на протилежний, вимірюють термоЕРС Езх нагрітого робочого кінця, визначають відхилення вологості відносно норми у за формулою Винахід належить до аналізу складу газових середовищ за допомогою електро-теплових засобів і може бути використаним для контролю вологовмісту повітря та інших газових середовищ за допомогою підігрівного термоелектричного датчика Вимірювання вологості газових середовищ часто виконують за допомогою термоелектричного датчика, у якого чутливий елемент (робочий кінець термопари) нагрівається електричним струмом і при цьому виконує роль джерела тепла та датчика температури по значенню термоелектрорушійної сили (термо-ЕРС) Теплова рівновага робочого кінця в камері, через яку протікає досліджувана газова суміш, визначається, головним чином, теплопровідністю вологого газу В цих умовах значення термо-ЕРС несе інформацію про вологість газу При цьому необхідно мінімізувати конвективні та радіаційні збитки чутливості елементу датчика Відомий термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ (див Коротков П А , Лондон Г Е Динамические контактные измерения тепловых величин — Л Машиностроение, Ленингр отд-ние, 1974, с, 163 - 164), який полягає в тому, що пропускають через термопару датчика електричний струм, нагрівають або охолоджують її робочий кінець в залежності від полярності струму, який протікає, при цьому ступінь нагріву або охолодження визначається теплопровідністю навколишнього середовища, яке функціонально залежить від її вологості, а про значення вологості судять по термо-ЕРС, яка виміряна на вільних кінцях термопари датчика Але важкість забезпечення сталого припливу тепла до робочого спаю датчика або ВІДТІК тепла від нього не дозволяє забезпечити однозначність вимірювання вологості Крім того, термоелектричні датчики з металевими електродами мають низьку чутливість, то не за WL. 'к -1], •(Е3-Е2)(Езх+Е2Х-2Е1х)^Тк Де Д\Л/х- відхилення вологості від норми, WH - вологість, яка відповідає встановленій нормі ж - коефіцієнт, який задається кутом нахилу лінійної ділянки залежності вологості газового середовища від його теплопровідності в межах норми і визначається при калібровці, Е-і, Е.2 і Ез - термоЕРС, які були зафіксовані при калібровці у середовищі з відомою вологістю, Тк - температура газового середовища, при якій здійснювалась калібровка о> 47924 ті контролю вологості газових середовищ без стабілізації електричної потужності, яка розсіюється чутливим елементом, та лінеаризації характеристики датчика Поставлена задача вирішується тим, що в термоелектричний спосіб контролю вологості газових середовищ, який полягає в тому, що робочий кінець термопари датчика вологості приводять у тепловий контакт з газовим середовищем, вимірюють термо-ЕРС на вільних кінцях термопари, пропускають через електроди термопари постійний струм, змінюють напрям струму і вимірюють термо-ЕРС нагрітого та охолодженого робочого кінця термопари, згідно винаходу, після вимірювання термо-ЕРС Е-іх на вільних кінцях термопари датчика вологості визначають температуру Тх цього середовища, пропускають через електроди термопари постійний струм у напрямку, при якому Відомий також термоелектричний спосіб контробочий кінець термопари охолоджується, силу ролю вологості газових середовищ по патенту РФ струму встановлюють ту ж, що була визначена при № 2014590, Кп G 01 N 25/56, 1994, який полягає в калібровці датчика по максимальному охолоджентому, що робочий кінець термопари датчика волоню робочого кінця термопари, вимірюють значення гості приводять утепловий контакт з газовим сетермо-ЕРС Егх охолодженого робочого кінця, зміредовищем, вимірюють термо-ЕРС на вільних кіннюють напрям проходження встановленого струму цях термопари, пропускають через електроди через електроди термопари на протилежний, витермопари постійний струм, змінюють напрям мірюють термо-ЕРС Егх нагрітого робочого кінця, струму і вимірюють термо-ЕРС нагрітого та охоловизначають відхилення вологості відносно норми у дженого робочого кінця термопари за формулою Крім того, у відомому способі після визначення різниці термо-ЕРС змінюють її значення у число Д\Л/ раз, пропорційне різниці температури середовища, У = W, = ге яке досліджується, та температури, при якій прон водилася градуїровка, порівнюють одержану на(Езх-Е2Х)(Е3+Е2-2Е1)ІТ к пругу з частиною падіння напруги від струму, який -1 протікає через спай одного з термоперетворювачів (Ез-Е2)(ЕЗХ+Е2х-2Е1Х)'ТХ на каліброваному резисторі, а по різниці порівнюде Д\Л/х - відхилення вологості від норми, вальних напруг роблять висновок про відхилення WH - вологість, яка відповідає встановленій вологості від норми нормі, Зв'язок між різницевою напругою ДІЦ та відноге - коефіцієнт, який задається кутом нахилу сним відхиленням теплопровідності ДА, або вололінійної дільниці залежності вологості газового гості Д\Л/ від заданих значень Л,н та \Л/н визначаєтьсередовища від його теплопровідності в околицях ся виразом норми і визначається при калібровці, Е-і, Е.2 і Ез - термоЕРС, які були зафіксовані при калібровці у середовищі з відомою вологістю, Тк - температура газового середовища, при Тут коефіцієнт пропорційності К (залежить від якій здійснювалась калібровка термоелектричних коефіцієнтів датчика (П та S) Введення в термоелектричний спосіб калібро.. 2Б5П вочних операцій в середовищі з відомою вологістю К— , і температурою, зв'язаних з охолодженням і нагрівом термоелектричного датчика постійним струде S - коефіцієнт Зеєбека, мом, вимірянням термо-ЕРС, яка установилася П - коефіцієнт Пєльтьє, при проходженні через робочий кінець термопари 5 - товщина шару середи, датчика вологості оптимального струму в двох Л-н -теплопровідність вологого середовища, протилежних напрямах, повторення цих операцій в F - площа поверхні робочого кінця термопари, контрольованому середовищі при тому ж значенні R - електричний опір термопари струму охолодження і нагріву і визначення теплоСталість коефіцієнту Пєльтьє П забезпечити провідності, яка зв'язана функціональною залежніважко через залежність ефекту Пєльтьє від темстю з вологістю або відносних відхилень вологості ператури робочого кінця датчика, а отже від темвід норми по формулі, в яку входять тільки виміряператури контролюємого середовища Нелінійна ні величини і ВІДОМІ параметри калібровочного залежність чутливості S (коефіцієнту Зеєбека) від середовища і не входять несталі термоелектричні температури робочого кінця також обумовлює докоефіцієнти датчика, а також його геометричні падаткову похибку вимірювання вологості раметри, дозволяє підвищити точність контролю В основу винаходу покладена задача створенвологості газових середовищ без стабілізації елекня такого термоелектричного способу контролю тричної потужності, яка розсіюється чутливим елементом, і лінеаризації статичної характеристивологості газових середовищ, в якому введення ки датчика нових операцій забезпечило б підвищення точноебезпечує можливість вимірювання вологості в широких межах, особливо малих значень вологості ВІДОМІ різновиди термоелектричних способів контролю вологості газових середовищ, коли одна й та ж термопара датчика служить поперемінно то нагрівачем, то термоприймачем, а в деяких випадках одна термопара датчика служить нагрівачем, а друга термопара, яка знаходиться у тепловому контакті з першою, - приймачем (див Головко Д Б та інш Високоточні вимірювання багатофункціональними термосенсорами Навчальний посібник /Д Б Головко, В О Дубровний, Ю О Скрипник, Г І Хімічева, — К Либідь, 2000, с 235 - 237) Але нестабільність та не ЛІНІЙНІСТЬ характеристик підігрівних термоелектричних датчиків викликає великі похибки в ОЦІНЦІ вологості контролюємих середовищ Х 47924 6 Суть термоелеісгричного способу контролю F - площа поверхні робочого кінця датчика, м, вологості газових середовищ полягає в наступно5 - товщина шару середи, через яку проходить му теплопередача, м Робочий кінець термопари датчика вологості В термоелектричних датчиках на основі однопоміщається в газове середовище, вологість і теелементної термопари температура охолодження мпература якого ВІДОМІ (калібровочне середовивиходить невеликою (в межах кількох градусів) ще) ВІЛЬНІ КІНЦІ термопари розмішують поза каліТому можна вважати, що по термодинамічній шкабровочним середовищем при температурі лі ДТі « Тк і ак и а'к, а термо-ЕРС навколишнього середовища, В термоелектричних 2 P K I-KI R , датчиках, які виконані на основі напівпровідникоЕ2 = а к ( Т к —— 5 ) - а 0 Т 0 , (4) вих термоелектродів з електронною і дірчатою провідністю, коефіцієнт термо-ЕРС великий, але Силу струму вибирають із умови одержання дуже залежний від температури, тому номінальна максимального охолодження робочого кінця датстатична характеристика напівпровідникової терчика при одночасному поглинанні теплоти Пєльтьє мопари нелінійна Якщо температура калібровочі виділенні теплоти джоуля Мінімальне значення ного середовища Тк по термодинамічній шкалі, а термо-ЕРС при збільшенні струму досягається при температура оточуючого середовища То в градувиконанні умови сах кельвіна, то термо-ЕРС на вільних кінцях напівпровідникового датчика (5) ЕЇ = а к Т к - а 0 Т к , (1) де ак і а 0 коефіцієнти термо-ЕРС (коефіцієнти Зеєбека) робочого і вільних КІНЦІВ датчика при температурах Тк і То Вимірюють термо-ЕРС Еі на вільних кінцях датчика, яка пропорційна температурі Тк Після фіксації Еі пропускають через термоелектроди датчика постійний струм в напрямку, при якому в робочому КІНЦІ відбувається поглинення теплоти Пєльтье, і термо-ЕРС на вільних кінцях знижується через охолодження робочого кінця Одночасно з поглинанням теплоти Пєльтьє в робочому КІНЦІ відбувається і виділення теплоти джоуля впродовж термоелектродів Час проходження струму вибирають в 4 - 5 разів більшим його теплової сталої часу і контролюють значення термо-ЕРС, яке встановилося, силу струму поступово підвищують до значення, при якому встановлюється мінімальне значення термо-ЕРС Ег, що є свідоцтвом максимального охолодження робочого кінця термо-ЕРС на вільних кінцях датчика Е а Т 2 = ' к ( К - АТО - а о Т О і (2) де ДТі - температура охолодження робочого кінця датчика, а'к - коефіцієнт Зеєбека, який відповідає температурі Г К = Т К -АТ 1 , Температура охолодження ДТі визначається електричною потужністю, трансформуємою в теплоту Пєльтьє і Джоуля, і теплопровідністю навколишнього вологого середовища ДТн = P K I-KI 2 R XF (3) де Рк - коефіцієнт Пєльтьє матеріалів термоелектродів з електронною і дірчатою провідностями при температурі Тк, В, І - сила струму, який проходить через термоелектроди і робочий кінець датчика А, R - сумарний внутрішній електричний опір датчика, Ом, К - коефіцієнт, що ураховує долю тепла, яка виділяється в термоелектродах і поступає в робочий кінець датчика, Як - теплопровідність вологого середовища при температурі калібровки Тк, Вт/ (М • К), де Іо - оптимальний струм охолодження В термопарі теплота Джоуля, яка виділяється в об'ємі термоелектродів, рівними частками поступає до робочого кінця та вільних КІНЦІВ датчика Тому коефіцієнт К у виразі (5) можемо прийняти дорівнюючим 0,5 Тоді оптимальний струм Ри к R 2KR Коефіцієнт Пєльтьє в термоелектричному колі пропорційний термодинамічній температурі і зв'язаний з коефіцієнтом Зеєбека співвідношенням Томсона З урахуванням співвідношення (7) і при оптимальному значенні струму Іо термо-ЕРС (4) буде мати вигляд 5)-а 0 Т, (8) Вимірюють мінімальне значення термо-ЕРС Ег охолодженого датчика, яке установилося '=2min = а к ( ' К ' А І imax)" а о ' о> (") Далі змінюють напрям проходження оптимального струму через робочий кінець датчика на протилежний (змінюють полярність струму) Внаслідок реверсивності ефекту Пєльтьє в робочому КІНЦІ датчика починається виділення теплоти Пєльтьє і підсумовування и з теплотою джоуля, яка поступає із термоелектродів Після того, як мине час проходження струму, який обирають в 4 - 5 разів більшим теплової сталої часу датчика, робочий кінець датчика нагрівається до температури, яка установилася Т3=ТК+АТ2, (10) P K l o +0,5l 2 R 2 , де д т 2 = —-—5), - температура пе регріву відносно температури калібровий Тк При цьому термо-ЕРС з урахуванням (7) зростає до значення F ь _„ а Ґ Т ^KTKI0+Q,5I02R^ з - кі'к ~ г—р о)-а0 і 0 , (\ \) Вимірюють значення термо-ЕРС Ез нагрітого датчика, яке установилося 8 47924 По виміреним значенням термо-ЕРС Е-і, визначають різницю термо-ЕРС Е3-Е (12) і суму термо-ЕРС по формулі 2 ОІ— К О ^/А О\ Е І— 5, (13) 3-Е2-2Е-]= Якщо розділити різницю термо-ЕРС (12), на квадрат суми термо-ЕРС (13), то одержимо 2FT,, (14) (15) Із виразу (15) бачимо, що значення теплопровідності Як зв'язано з виміреними значеннями термо-ЕРС Е-і, Е.2 і Ез і не залежить від термоелектричних коефіцієнтів Зеєбека (ак) і Пєльтьє (Рк) Тому незалежно від не ЛІНІЙНОСТІ І нестабільності статичної характеристики термоелектричного датчика може бути обчислена теплопровідність середовища з іншою вологістю при будь-якій ІНШІЙ температурі В процесі контролю вологості робочий кінець термоелектричного датчика містять в середовище з невідомою вологістю Wx, яка визначає теплопровідність Я х і температурою Тх і здійснюють -, вимірювання трьох значень термо-ЕРС Е-іх, Егх і Езх При цьому струм охолодження та нагріву робочого кінця термоелектричного датчика задають таким, як і при калібровці датчика, тобто Іо Аналогічно до виразу (15) теплопровідність Хх контрольованого вологого середовища обчислюється за Формулою 2 2 (E3X-E2X)I R S (16) 2F(E3X+E2X-2E1X)'TX де Тх - температура контрольованого середовища, яка визначається по Е-іх Якщо вираз (16) поділити на (15), то отримаємо відношення Хх = _ (Е З Х -Е 2 Х )(Е 3 (17) Х (Е 3 -Е 2 )(Е З Х + Е 2 Х - 2 Е 1 Х ) 2 Т Х З відношення (17) отримують значення теплопровідності контрольованого середовища к Хх = (ЕЗХ-Е2Х)(Е3+Е2-2Е1)2ТІ к (Е3-Е2)(ЕЗХ+Е2Х-2Е1Х)^Т, вважати, що ВІДНОСНІ ЗМІНИ ВОЛОГОСТІ AWX / W H пропорційні відносним змінам теплопровідності, тобто AW X Теплопровідність вологого середовища, в якому проводиться калібровка датчика, визначають із виразу (14) Хк слюється теплопровідність Хх контролюємого середовища, яка функціонально зв'язана з вологовМІСТКІСТЮ Wx повітря та інших газових середовищ При цьому на отримане значення вологості Wx не впливає нелініиність та нестабільність характеристики підігрівного датчика, виконаного на основі напівпровідникової термопари При контролі вологості відносно встановленої норми WH В межах ±AWx (AWx « WH) МОЖЛИВО X к. (18) До виразу (18) входять відома теплопровідність калібровочного газового середовища Як та , відома температура Тк, а температуру контрольованого середовища Тх вимірюють термоелектричним датчиком за значенням термо-ЕРС Тхі аналогічним відношенню (1) Таким чином, за результатами попередніх (калібровочних) вимірювань термо-ЕРС Е-і, Ег, Ез і робочих вимірювань термо-ЕРС Е-іх, Егх, Езх обчи W, н = га АХ Хи (19) де ге - коефіцієнт пропорційності між вологістю та теплопровідністю газового середовища за функціональною залежністю, яка встановлюється експериментально Якщо AWx « WH, TO коефіцієнт ге - величина стала в широкому діапазоні значень AW Тому ВІДНОСНІ ЗМІНИ вологості у з урахуванням виразу (18) можна отримати за формулою AW X У = W, н = ге (Е3+Е2-2Е1)2(ЕЗХ-Е2Х)ТК (ЕЗХ+Е2Х-2Е1Х)^(Е3-Е2)ТХ -1 (20) контроль вологості газових середовищ здійснюється у наступній ПОСЛІДОВНОСТІ, Робочий кінець термоелектричного датчика, який попередньо відкалібрований, вводять в контакт з контрольованим середовищем Вимірюють термо-ЕРС Е-іх, за якою визначають температуру Тх вологого середовища Далі пропускають через термоелектроди датчика постійний струм у напрямку, при якому датчик охолоджується Встановлюють силу струму ту ж, яка була при калібровці датчика (Іо) Вимірюють стале значення зменшеної (Еі термо-ЕРС Змінюють напрямок протікання струму на протилежне і нагрівають датчик Вимірюють значення збільшеної термо-ЕРС Езх, яке встановилося (Е-іх < Езх) Обчислюють значення теплопровідності Хх вологого середовища по формулі (18) з урахуванням виміреної температури Тх та значень термо-ЕРС (Е-іх, Егх, Езх) і величин, виміренихта заданих при калібровці (Е-і, Ег, Ез, Тк, А,к) по функціональній залежності W = / (X) для виміреної температури Тх, визначають значення вологості Wx При контролі змін вологості відносно встановленої норми ВІДНОСНІ зміни вологості AWx / WH обчислюються за формулою (20) з урахуванням коефіцієнтів К, визначених для ЛІНІЙНИХ ДІЛЯНОК функціональної залежності W = / (X), звичайно залежність W = / (X) апроксимується трьома ЛІНІЙНИМИ ділянками в діапазоні малих, середніх та великих вологостей Для кожної з цих ЛІНІЙНИХ ділянок, які мають різний нахил, визначаються коефіцієнти аэ-i, З 2 і аэз Тому в залежності від норми Э WH обирають один з відомих коефіцієнтів, який використовується у подальшому для обчислення відносних змін вологості від норми Приклад Контролювалися ВІДНОСНІ ЗМІНИ ВОЛО 47924 гості повітря від норми у технологічному процесі формування верху взуття у камері радіаційновакуумної сушки Діапазон встановлення норми вологості відповідав 70 - 98% вологості при температурі від 60 до 110°С В якості датчика використано напівпровідниковий термоелемент стержневого типу зі сплавів SBZn і SBCd електронної та дірчатої провідності, які забезпечують чутливість до температури 550 - бООкВ/К, Охолодження та нагрів датчика здійснювалися постійним струмом 0,45 - 0,5А протягом 8 - 10с Термо-ЕРС та сила 10 струму вимірювалися універсальним цифровим приладом В7-21А з основною похибкою ±0,1, У якості калібровочного середовища використовувалася пароповітряна суміш над насиченим водним розчином солі КСІ при температурі 60°С, при якій створювалася рівноважна вологість 80 ± 0,2% Похибка визначення відносних змін вологості в межах ±15% за запропонованим способом не перевищила ±0,5% ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71