СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF GASEOUS MEDIUM AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и средствам определения параметров газовой среды (температура, влажность, давление, расход, вакуум и т.п.), и может быть использовано, например в различных областях промышленности (в частности, на предприятиях электронной, текстильной, кожевенной, пищевой промышленностей), медицины, сельского хозяйства, а также в системах контроля потока в трубопроводах, при мониторинге окружающей среды, для контроля параметров окружающей среды в складских помещениях, предназначенных для хранения промышленных изделий и продуктов питания, в музеях, архивах и т.п.
Уровень техники
Известен способ определения параметров газовых сред, при котором определяют временной интервал с момента отключения тока разогрева термочувствительного элемента до установления значения его температуры согласно авторскому свидетельству СССР №637676, МПК G01P 5/12. В указанном способе так же, как и в заявляемом, в исследуемую среду помещают термочувствительный элемент, через который пропускают импульсный электрический ток.
Известный способ имеет недостаток, поскольку он предполагает принятие решения о моменте равенства напряжений при малой скорости изменения напряжения на датчике. При изменении измеряемых параметров изменяется не только постоянная времени процесса остывания термочувствительного элемента, но и величина его начального перегрева, что, особенно при вариациях температуры среды, приводит к погрешности определения временного интервала остывания. При нагреве могут изменяться параметры окружающей среды, время восстановления исходных значений которых может превышать время остывания термочувствительного элемента, что приведет к дополнительной погрешности определения значений параметров.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является известный способ определения влажности среды (А.С. №1696984, МПК G01N 25/56), заключающийся в том, что термоимпульсный датчик приводят в контакт с исследуемой средой, подают на него постоянный ток и измеряют время подачи тока, по которому определяют влажность. При этом в момент подачи тока измеряют начальное значение напряжения, после чего продолжают подачу тока до момента времени, при котором падение напряжения на датчике будет равно сумме начального значения напряжения и величины напряжения, определяемой с помощью математической формулы, выражающей зависимость величины напряжения от температурного коэффициента сопротивления датчика, тока разогрева датчика, сопротивления датчика при температуре 0°С, теплового сопротивления поверхности тела датчика относительно исследуемой среды и напряжения питания источника постоянного тока.
В известном способе так же, как и в заявляемом, датчик, выполненный из проводящего электрический ток материала, сопротивление которого зависит от температуры, приводят в контакт с контролируемой средой, подают через него постоянный ток и измеряют временной интервал от начала подачи постоянного тока до момента равенства приращения падения напряжения на датчике заданному значению напряжения, используя значение измеренного временного интервала, определяют исследуемый параметр контролируемой среды.
Однако описанный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, он предназначен только для определения влажности окружающей среды, что ограничивает его функциональные возможности, во-вторых, точность определения искомого значения зависит от точности измерения начального значения напряжения, в-третьих, способ не предусматривает измерение температуры датчика, что также снижает точность определения искомого параметра.
Известен детектор влажности (патент РФ на изобретение №2346256, МПК G01N 1/00), содержащий первый датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, второй датчик температуры для определения температуры объекта наблюдения, средство нагрева второго датчика температуры, вычислительное средство для получения информации, касающейся процента влажности объекта наблюдения, на основании сигнала, поступающего от первого датчика температуры, и сигнала, поступающего от второго датчика температуры, нагреваемого нагревательным средством.
В состав заявляемого устройства так же, как и в состав известного устройства, входит датчик температуры, функцию которого выполняет датчик, одновременно предназначенный и для определения других параметров.
Известный детектор предназначен только для измерения влажности окружающей среды и не используется для определения других параметров. В конструкции детектора используется два датчика, что усложняет и удорожает устройство, а также снижает точность измерений, т.к. датчики до начала измерений могут иметь различную температуру.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является известный анализатор влажности воздуха, содержащий выполненный из нагреваемой электрическим током металлической проволоки датчик влажности, который помещен в полость термостатируемой измерительной ячейки и подключен к высокостабилизированному источнику тока, датчик и высокостабилизированный источник напряжения через делитель напряжения - соединены с входами дифференциального усилителя, в цепь обратной связи которого включен регулируемый резистор, а к выходу усилителя подключен регистрирующий прибор, прокалиброванный в единицах влажности; кроме того, к высокостабилизированному источнику напряжения подключены второй и третий делители напряжения, которые соединены соответственно с первыми входами двух компараторов, вторые входы компараторов соединены с выходом усилителя, а на выходах компараторов включены индикаторы, например светодиоды, причем регистрирующий прибор соединен с переключателем, отключающим его от усилителя и соединяющим со вторым или с третьим делителем; и, кроме того, анализатор дополнительно содержит две калибровочные ячейки, соединяемые поочередно с измерительной термостатируемой ячейкой так, что их полости образуют с полостью измерительной ячейки единое замкнутое пространство, причем первая ячейка снабжена нагревателем и заполнена осушителем воздуха, например силикагелем, а вторая ячейка выполнена термостатируемой и заполнена водой.
В состав заявляемого устройства так же, как и в состав описанного устройства, входит датчик, чувствительный элемент которого выполнен из проводящего электрический ток материала, сопротивление которого зависит от температуры, подключенный к высокостабилизированному источнику тока и схеме измерения.
К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость обеспечения температурной стабилизации, что приводит к усложнению конструкции, а также его функциональную ограниченность, т.к. описанный анализатор предназначен исключительно для измерения влажности, что обусловлено калибровкой регистрирующего прибора в единицах влажности.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высокоточного способа измерения параметров газовой среды и устройства для его реализации, имеющего простую конструкцию.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении точности и расширении области использования и функциональных возможностей способа и устройства, а также в упрощении конструкции устройства.
Указанная задача решается и указанный технический результат достигается благодаря тому, что в способе определения параметров газовой среды, включающем размещение в газовой среде электрического измерительного преобразователя, чувствительный элемент которого выполнен из проводящего электрический ток материала, сопротивление которого зависит от температуры, пропускание через датчик постоянного электрического тока и измерение временного интервала, используют электрический измерительный преобразователь, содержащий по крайней мере один набор датчиков, включающий по крайней мере датчик влажности и/или датчик давления и вакуума и/или датчик расхода, чувствительный элемент каждого датчика выполнен из материала с высоким коэффициентом температурного сопротивления, перед пропусканием через датчик постоянного электрического тока через него пропускают импульсный ток, длительность импульса которого выбирают таким образом, чтобы температура упомянутого датчика не успела измениться за время прохождения импульса, а упомянутый временной интервал определяют как время от начала подачи постоянного электрического тока до момента равенства падения напряжения на датчике сумме напряжений: напряжения на датчике, установившегося при пропускании через датчик импульсного тока, и напряжения, величину которого и величину упомянутого постоянного электрического тока выбирают из условия обеспечения оптимальной или близкой к ней чувствительности датчика, определяют температуру упомянутого датчика в момент или после того, как температура датчика совпадет с температурой газовой среды, используя значение измеренного временного интервала и значение температуры газовой среды для каждого исследуемого параметра газовой среды определяют его значение по калибровочным графикам или таблицам.
Температуру датчика определяют следующим образом: заряжают конденсатор, подключенный параллельно упомянутому датчику, после чего разряжают конденсатор постоянным током и измеряют время разряда конденсатора, по времени разряда судят о температуре упомянутого датчика, равной температуре газовой среды.
Дополнительно фиксируют изменение значения по крайней мере одного из исследуемых параметров путем фиксации изменения значения упомянутого временного интервала.
Определение температуры того же самого датчика, который используется и для определения параметров контролируемой среды, позволяет повысить точность определения исследуемых параметров без использования термостабилизирующих элементов.
Определение приращения падения напряжения на датчике как разницу между заданным значением напряжения и значением падения напряжения на датчике, установившемся при пропускании импульсного тока, позволяет повысить точность измерения временного интервала и соответственно определения параметров газовой среды, т.к. при таком подходе измеряют изменение напряжения, а не значение падения напряжения на датчике.
Использование набора датчиков позволяет одновременно измерять несколько параметров газовой среды.
Возможность фиксации изменения временного интервала позволяет оперативно определять изменение параметров газовой среды.
Указанная задача решается и указанный технический результат достигается также благодаря тому, что устройство для определения параметров газовой среды, включающее электрический измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого выполнен из проводящего электрический ток материала, сопротивление которого зависит от температуры, подключенный к высокостабилизированному источнику тока и к измерительной схеме, содержит по крайней мере электрический измерительный преобразователь, содержащий один набор датчиков, включающий по крайней мере датчик влажности и/или датчик давления и вакуума и/или датчик расхода, чувствительный элемент каждого датчика выполнен из материала с высоким коэффициентом температурного сопротивления, а измерительная схема состоит из конденсатора, компаратора, первого ключа, второго ключа, третьего ключа, четвертого ключа, источника напряжения, счетчика, источника постоянного тока, при этом первая обкладка конденсатора соединена через первый ключ с первым выводом каждого датчика, а также через четвертый ключ подключена к источнику постоянного тока, вторая обкладка конденсатора соединена со вторым ключом и через третий ключ с источником постоянного напряжения, первый вход компаратора соединен с первым выводом каждого датчика и с первым ключом, второй вход компаратора соединен с первой обкладкой конденсатора, выход компаратора соединен со счетчиком.
Чувствительный элемент датчика может быть выполнен в виде спирали, биспирали, трибиспирали. Изготовление чувствительного элемента датчика в виде спирали, биспирали, трибиспирали позволяет уменьшить его размеры и снизить влияние механических воздействий (вибрация, натяжение и т.п.).
Схема измерения может быть дополнительно соединена с устройством, преобразовывающим измеренные значения в относительных единицах в абсолютные, при этом в качестве такого устройства может быть использован процессор, который для визуализации результатов соединен с дисплеем.
В случае использования двух и более датчиков, они соединяются с одной и той же измерительной схемой через устройство, обеспечивающее подключение к измерительной схеме в каждый момент времени только одного датчика, в качестве такого устройства может быть использован коммутатор.
Для обеспечения точности измерения чувствительный элемент датчика давления и вакуума помещают в герметичный корпус, при измерении влажности в движущемся потоке газовой среды чувствительный элемент датчика влажности размещают в корпусе с отверстием.
Простота конструкции заявляемого устройства определяется использованием общей измерительной схемы для всех датчиков, отсутствием термостатирующих элементов и простотой измерительной схемы.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства определения параметров газовой среды.
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема устройства определения параметров газовой среды на примере одного датчика.
На фиг.3 показана блок-схема способа определения параметров газовой среды.
Осуществление изобретения
Заявленное устройство, предназначенное для определения параметров газовой среды, согласно преимущественной реализации изобретения, состоит из высокостабилизированного источника тока 1, набора датчиков 2, измерительной схемы 3, устройства, обеспечивающего подключение к измерительной схеме в каждый момент времени только одного датчика, 4 регистрирующего блока 5, в качестве которого может использоваться процессор с дисплеем (Фиг.1). Высокостабилизированный источник тока 1 соединен с по крайней мере одним датчиком влажности 2, по крайней мере одним датчиком давления и вакуума 2, по крайней мере одним датчиком расхода 2. Каждый из датчиков 2 соединен через устройство 4, обеспечивающее подключение к измерительной схеме в каждый момент времени только одного датчика, с измерительной схемой 3, подключенной к процессору 5, соединенному с дисплеем (на Фиг.1 не показан). В качестве процессора 5 может использоваться любой компьютер, снабженный программным обеспечением, позволяющим проводить на основании калибровочных таблиц соответствие между значениями измеренной температуры датчика и временным интервалом и исследуемым параметром. В качестве устройства 4, обеспечивающего подключение к измерительной схеме в каждый момент времени только одного датчика, может быть использован коммутатор.
Чувствительный элемент датчиков изготовлен из тонкой металлической проволоки диаметром порядка 15 мкм или фольги (размеры чувствительного элемента выбирают таким образом, чтобы обеспечить его сопротивление в диапазоне от 8 Ом до 12 Ом, предпочтительно около 10 Ом) с большим коэффициентом зависимости сопротивления от температуры, навитой на сердечник, изготовленный из материала, инертного по отношению к материалу проволоки. В качестве такой проволоки или фольги может быть использована промышленно изготавливаемая платиновая проволока или фольга, или проволока или фольга из золоченного вольфрама.
Чувствительный элемент датчика, предназначенного для измерения давления и вакуума газовой среды, помещают в герметичный корпус.
В случае измерения влажности в движущемся потоке газовой среды для устранения влияния потока на измеряемые значения чувствительный элемент датчика влажности размещают в корпусе с щелевыми отверстиями.
Измерительная схема (Фиг.2) состоит из конденсатора 6, первого ключа 7, второго ключа 8, третьего ключа 9, источника напряжения 10, компаратора 11, счетчика 12, четвертого ключа 13, источник постоянного тока 14.
Датчик 2 первым выводом подключен к высокостабилизированному источнику тока 1, второй вывод датчика 2 заземлен, первая обкладка конденсатора 6 соединена с первым входом компаратора 11 и подключена через первый ключ 7 к первому выводу датчика 2 и ко второму входу компаратора 11, а вторая обкладка конденсатора 6 через второй ключ 8 заземлена, а через третий ключ 9 соединена с источником постоянного напряжения 10, выход компаратора 11 соединен со счетчиком 12. Первая обкладка конденсатора 6 через четвертый ключ 13 подключена к источнику постоянного тока 14.
Заявленный способ может быть реализован с использованием заявленного устройства следующим образом (Фиг.3).
Предварительно для каждого типа датчика определяют значение напряжения, задаваемого источником напряжения, и величину постоянного тока, пропускаемого через датчик (15), длительность импульса, при которой не происходит нагревание датчика (16), и величину пропускаемого через датчик импульсного тока (17).
Значение напряжения, задаваемого источником напряжения, и величину постоянного тока, пропускаемого через датчик, определяют следующим образом. Проводят измерения контролируемого параметра в газовой среде при различных значениях постоянного тока, пропускаемого через датчик, и напряжения, задаваемого источником напряжения. Сравнивают чувствительность датчика при разных значениях напряжения, задаваемого источником напряжения, и постоянного тока, пропускаемого через датчик, и выбирают те значения постоянного тока и напряжения, которые обеспечивают оптимальную или близкую к ней чувствительность датчика. Значение падения напряжения на датчике обычно составляет около 100 мВ, величина тока - около 100 мА. Выбранное значение постоянного электрического тока используют и при определении температуры газовой среды.
Длительность импульса, при которой не происходит нагревание чувствительного элемента датчика, определяют по зависимости падения напряжения на датчике при постоянном токе от времени подачи тока. Длительность импульса выбирают при условии, что падение напряжения на датчике не изменилось. Обычно длительность импульса составляет 1 мс, амплитуда тока 100 мА.
Осуществляют калибровку датчика (18) в отношении исследуемого параметра. Калибровку осуществляют стандартным образом. Проводят измерения в газовой среде с известными параметрами и устанавливают связь между измеренными температурой датчика и временным интервалом, и известным значением исследуемого параметра. На основании полученных данных заполняют калибровочные таблицы.
Непосредственно измерения параметров газовой среды осуществляют следующим образом.
Датчик 1 помещают в контролируемую газовую среду (19). Для каждого датчика, входящего в набор датчиков, определяют значение температуры и временного интервала (20).
Значение температуры контролируемой газовой среды, которая соответствует температуре датчика 2 до или после пропускания через него постоянного тока, определяют следующим образом. Первый 7 и второй 8 ключи включают, а третий ключ 9 выключают. Через датчик 2 пропускают импульс постоянного тока, длительность которого предварительно подобрали таким образом, чтобы температура датчика 2 не изменилась, например 1 мс. Таким образом устанавливают на конденсаторе 6 определенное значение напряжения, затем первый 7 и третий 9 ключи выключают, второй 8 и четвертый 13 ключи включают, разряжают конденсатор 6 постоянным током и измеряют время разряда конденсатора 6 постоянным током. Время разряда конденсатора 6 соответствует температуре датчика 2, значение которой определяют с помощью процессора 5, в памяти которого хранятся соответствующие калибровочные зависимости.
Временной интервал определяют следующим образом. Через датчик 2 пропускают импульсный ток определенной ранее амплитуды. При этом первый ключ 7 и второй ключ 8 включены, третий ключ 9 отключен, четвертый ключ 13 отключен. На датчике 2 повышается напряжение, конденсатор 6 заряжается, на его обкладках устанавливается напряжение, равное падению напряжения на датчике 2. Затем первый и второй ключи 7 и 8 соответственно отключают, третий ключ 9 включают. При этом напряжение на первой обкладке конденсатора 6 поднимается на величину напряжения источника напряжения 10, значение которого определяют предварительно, описанным выше способом. Через датчик 2 начинают пропускать постоянный ток, величину которого предварительно также определили описанным выше способом. Фиксируют момент начала подачи тока через датчик 2. Датчик 2 нагревается, его сопротивление увеличивается и соответственно увеличивается падение напряжения на нем. Часть тепла нагрева датчика 2 расходуется на нагревание окружающей газовой среды вблизи датчика, при этом скорость нагревания датчика до определенной температуры зависит от значения параметров газовой среды. Значение напряжения на первой обкладке конденсатора 6 соответственно также растет. Напряжение с первой обкладки конденсатора 6 подается на второй вход компаратора 11, а на первый вход компаратора 11 подается напряжение с первого вывода датчика 2, которое увеличивается из-за нагрева датчика 2 постоянным током, проходящим через него. При равенстве напряжений на входах компаратора 11 выходное напряжение компаратора 11 изменяется, и соответствующий сигнал поступает на вход счетчика 12. Определяют временной интервал между моментом начала подачи тока на датчик 2 и моментом равенства напряжений на первом и втором входах компаратора 11.
В случае использования двух и более датчиков измерительная схема подключается к каждому датчику через коммутатор, который обеспечивает поочередное подключение каждого датчика к измерительной схеме. Последовательность подключения датчиков к измерительной схеме может задаваться с помощью процессора (на Фиг.2 не показан).
Зная температуру контролируемой среды и временной интервал между моментом начала подачи тока на датчик 2 и моментом равенства напряжений на первом и втором входах компаратора 11, с помощью процессора 5, в памяти которого хранятся соответствующие калибровочные таблицы, определяют значение искомого параметра (21).
При необходимости мониторинга изменения значения исследуемого параметра фиксируют значения измеряемого с помощью соответствующего датчика временного интервала и с помощью процессора осуществляют сравнение каждого последующего значения с предыдущим. В случае обнаружения изменения значения временного интервала делают вывод об изменении значения исследуемого параметра газовой среды.