ОПТИЧЕСКИЙ ГИГРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОЙ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

ОПТИЧЕСКИЙ ГИГРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТИОЙ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ
Полезная модель относится к области физико-химических измерений определение состава газовых смесей. Принцип действия оптического гигрометра - фотометрическиеизмерениядолипоглощенной
электромагнитной энергии - позволяет также отнести устройство к фотометрическим измерениям в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, известном в литературе как вакуумная ультрафиолетовая область спектра. Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов может быть использован в медицине, промышленности, газовом хозяйстве, науке и в различных службах охраны труда для измерения влагосодержания газов.
Пзвестны влагомеры 1-3, относящиеся к инфракрасной контрольноизмерительной технике, в частности к устройствам измерения влажности материалов и газов в различных отраслях промышленности. Как правило, эти влагомеры содержат два источника модулированного инфракрасного (ИК) излучения с длинами волн, соответствующими полосам поглощения и пропускания воды, два фотоприемника ПК-излучения, блок измерения отношения, подключенный к выходам приемников ПК-излучения. Пндикация значений влажности осуществляется после блока функционального преобразования отношения коэффициентов отражения контролируемого газа или материала.
Такие влагомеры характеризуются сложной конструкцией, высокой погрешностью проводимых измерений. Проведение измерений влажности в ПК области спектра может быть недостоверным, вследствие возможного влияния излучателей (характерным для которых является присутствие наряду с видимым ПК-излучения) на результаты проводимых измерений.
в измерительной технике существуют устройства, позволяющие измерять содержание компонентов в газовых смесях на основе эффектов взаимодействия вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с веществом. Анализ классов изобретений GO 1 N9/36 и GO 1 N21/81 показал, что это приборы измерения влажности под общим названием «гигрометры мгновенного действия. Принцип действия таких приборов основан на явлении люминесценции, которую вызывает ВУФ излучение.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является гигрометр на поглощении вакуумного ультрафиолетового излучения парами воды 4, содержащий в оптическом блоке источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки сигнала, выход которого соединен с входом индикаторного устройства.
В качестве источника ВУФ излучения использовалась водородная лампа с излучением на длине волны 121,6 нм. В качестве фотоприемника использовался счетчик фотонов - герметичный сосуд с окнами из фтористого лития, заполненный окисью азота. Излучение источника фокусировалось системой зеркал на фотоприемник, сигнал с которого служил аналитическим.
Основным недостатком являются существенные искажения выходного аналитического сигнала вследствие фомоздкости конструкции. Как следствие этого прибор нуждается в тщательной градуировке, не позволяет работать при низких концентрациях, дает большие погрешности в измерениях, особенно в крайних частях диапазона относительной влажности - вблизи О % RH и вблизи к 100 % RH. Существенными недостатками такого гигрометра является малый срок службы (3-4 часа) и невозможность создания на его основе малогабаритного, надежного и пригодного к практической эксплуатации прибора.
Задачей заявляемой полезной модели является создание оптического гигрометра для определения абсолютной влажности газов, позволяющего достичь технический результат, заключающийся в повышении точности
измерений, линеаризации аналитического сигнала, расширения диапазона измеряемых концентраций, упрощенной схемы калибровочных процедур.
Для достижения этого технического результата в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов, содержащем в оптическом блоке источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки сигнала, выход которого соединен с входом индикаторного устройства, оптический блок выполнен в виде герметичного узла, в котором источник линейчатого излучения и солнечно-слепой фотоприемник расположены на точно известном расстоянии друг от друга; блок обработки сигнала соединен с входом микроконтроллера, выход которого соединен с входом индикаторного устройства.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели от указанной выще известной, наиболее близкой к ней, являются наличие герметичного узла, в котором источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник расположены на точно известном расстоянии друг от друга с целью измерения характеристик влажности в реальном масщтабе времени и повышения точности измерений, и использование микроконтроллера, в память которого введены значения упругости насыщенного водяного пара, что позволяет вычислять и выводить на индикаторное устройство основные величины влагосодержания и Благосостояния.
Заявляемая полезная модель поясняется следующей фигурой: Фигура 1 - функциональная схема заявляемой полезной модели оптического гигрометра для определения абсолютной влажности газов.
Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов (фиг. 1) содержит оптический блок 1, блок обработки сигнала 2, микроконтроллер 3 и индикаторное устройство 4.
слепой фотоприемник 7 расположенные на точно известном расстоянии / друг от друга.
В качестве источника 6 используется водородная лампа, излучающая линейчатый спектр в ВУФ. Регистрация ведется фотоприемником 7 на длине волны излучения лампы. Исследуемый газ подается в герметичный узел 5 в полость с длиной / находящуюся между источником и приемником. После чего сигнал с фотоприемника 7 усиливается и фильтруется в блоке обработки 2. После обработки сигнал поступает на микроконтроллер 3, в память которого введены значения упругости насыщенного водяного пара, что позволяет вычислять и выводить на индикатор 4 основные величины влагосодержания и влагосостояния. Вся конструкция полезной модели выполнена с целью измерения характеристик влажности в реальном масштабе времени и повышения точности измерений.
Принцип измерения, реализованный в заявляемой полезной модели, основан на фундаментальном законе физики - законе поглощения электромагнитного излучения однородным столбом газа, известном как закон Ламберта-Бугера-Бера. Этот закон связывает концентрацию поглощающих атомов А с интенсивностями электромагнитного излучения, падающего на поглощающую среду I и излучения, прошедшего через поглощающий слой
1,1,-е ,(1)
где Л - концентрация - число поглощающих атомов в одном кубическом сантиметре; / - длина поглощающего столба; а - сечение поглощения атомная или молекулярная константа поглощающего вещества по физическому смыслу равная площади тени в квадратных сантиметрах от одного атома. Согласно закону Ламберта-Бугера-Бера натуральный логарифм отношения IQ /д зависит от числа атомов в единице объема линейно, то есть:
Aln/-yi:-A,(3)
где k - коэффициент поглощения.
В соответствии с уравнением измерения (3) для измерения концентрации молекул водяного пара в газовой среде необходимо измерить интенсивности светового потока, падающего на столб газа, содержащего влагу, и интенсивность светового потока, прошедшего через этот столб. Необходимым условием применимости закона к реальным условиям является наличие линий или полос поглощения влаги на той длине волны излучения, на которой ведутся измерения.
Пары воды в видимом диапазоне длин волн полос поглощения не имеют. Хорошо известны инфракрасные полосы поглощения воды, соответствующие колебательно - вращательным степеням свободы молекулы воды. В коротковолновой области пары воды начинают поглощать, начиная с длины волны 185 нм. Это поглощение соответствует электронным переходам, а это значит, что сечение поглощения воды в этой области, называемой вакуумным ультрафиолетом, является молекулярной константой, то есть не зависит от внешних условий и определяется только структурой и индивидуальными свойствами молекулы воды.
В качестве рабочей длины волны в заявляемой полезной модели выбрана длина волны резонансного перехода водорода. Определяющих моментов для такого выбора можно указать два. Первый - на длине волны 121,6 нм у воды имеется мощная полоса поглощения с сечением во много раз превыщающим сечения большинства компонентов воздуха. Например, у кислорода - основного поглощающего компонента воздуха в вакуумном ультрафиолете - сечение поглощения в 20 раз меньще, чем у молекул воды. Второй - на длине волны 121,6нм имеются высокостабильные источники света - водородные лампы, что позволяет создать датчики абсолютной влажности на изделиях, выпускаемых отечественной оптической промышленностью.
Проблема регистрации аналитического сигнала на длине волны резонансной линии водорода решена в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов без использования диспергирующего элемента. Излучение с длинами волн большими 190 нм отрезается чувствительностью солнечно-слепого фотоприемника 7. Область спектра с длинами волн короче 110 нм отрезается прозрачностью окна из фтористого магния, которое имеется у водородной лампы 6 и у фотоприемника 7. В выделенном оптической системой диапазоне 110190 нм в спектре излучения водородной лампы имеется только одна линия резонансный переход водорода 121,6 нм.
Оптический датчик влажности, включающий в себя элементы 5-7 (см. фиг. 1), является безинерционным и, в принципе, не требует калибровки по стандартам влажности, так как аналитический сигнал однозначно связан с числом молекул воды в единице объема фундаментальным выражением закона Ламберта-Бугера-Бера (1). Поэтому токовый сигнал с фотоприемника 7, пропорциональный падающему излучению, можно записать в виде отношения:
i  i,(4)
где / - токовый сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности излучения //2/6 на длине волны Я  121,6 нм при фиксированном расстоянии / 7 О от водородной лампы 6 до фотоприемника 7 (см. фиг. 1); i - токовый сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности излучения /„ при фиксированном расстоянии /  0; a  сечение поглощения паров
воды на длине волны Я  121,6 нм, хорошо известное из литературы.
Важной особенностью заявляемой полезной модели является возможность изменения его чувствительности, т.е. изменения коэффициента поглощения k в формуле (3) за счет изменения длины поглощающего столба. Это легко достигается изменением расстояния / от водородной лампы 6 до фотоприемника 7 (см. фиг. 1).
Еще одной особенностью гигрометра является возможность его калибровки практически по одной, какой либо определенной концентрации парогазовой смеси, например, по осушенному воздуху, для которого концентрация может считаться равной нулю. Определив аналитический сигнал в одной точке, вся шкала прибора может быть построена на основании закона Ламберта-Бугера-Бера (1, 2) и выражения (4).
Датчик влажности представляет собой пару водородная лампа фотоприемник, выполненную в вакуумно-чистом конструктиве из фторопласта - герметичном узле 5. Водородная лампа питается от источника постоянного напряжения 350 Вольт. Цепь питания имеет стабилизатор тока, который может регулироваться в пределах 20 %. Фотоприемник имеет блок питания с постоянным напряжением в 50 Вольт.
Для измерения влажности газа в общепринятых единицах сигнал с фотоприемника 7 после блока обработки сигнала 2 вводится в микроконтроллер 3, в память которого записаны характеристики водяного пара (уравнение упругости паров воды при различных температурах). Микроконтроллер по программе проводит вычисления по формуле (2), для чего предварительно при калибровке заявляемой полезной модели определяется коэффициент поглощения k из формулы (3). Это сделано потому, что для прецизионных измерений необходимо не только точно знать сечение поглощения, но и точно установить расстояние / между водородной лампой 6 и фотоприемником 7. Поскольку это расстояние составляет миллиметры или доли миллиметров, неточности в установке расстояния между лампой и фотоприемником могут сильно исказить результат.
Использование микроконтроллера 3 в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов позволяет проводить прямые измерения абсолютной влажности, вычислять относительную влажность по совместным измерениям температуры и определять точку росы, опираясь на уравнение упругости воды, введенное в память.
Возможности микроконтроллера позволяют также минимизировать случайную ногрешность измерений набором статистики и усреднением результата но большому числу независимых измерений.
Использованные источники
1.Патент RU 98108381, МПК GO 1 N21/28. Инфракрасный влагомер. /Шестов А.Н./ Опубл. 10.02.2000 г.
2.Патент RU 2059227, МПК G01N21/28. Влагомер (варианты). /Мухамедяров Р.Д., Харисов Р.И./ Опубл. 27.04.1996 г.
3.Патент RU 94012655, МПК GO 1 N21/28. Способ контроля влажности анализируемого материала и инфракрасный влагомер для его осуществления. /Гордеев Н.Н., Денисюк В.А., Забудский И.П., Костенко В.И., Лимонт Ю.Б., Синицын В.А./ Опубл. 10.12.1995 г.
4.Tillman J.E. Water vapor density measurement utilizing the absoфtion of vacuum ultraviolet and infrared radiation. Измерение концентрации водяного пара с использованием поглощения вакуумного ультрафиолета и ИК излучения. // Humidity and Moisture, Vol. 1, pp. 428 - 443. North Carolina. Instrument Society of America. 1965.
(прототип)