ДАТЧИК ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА

-1
5
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения парциального давления водяного пара в диапазоне от 0 до 13,3 Па в атмосферном воздухе при давлениях от 1,33·10 до 1,07·10 Па.
Известны датчики влажности резистивного типа (патент РФ №2109778 6 C 08 L 79/08), сорбционно-частотного типа (технические условия 5К0.155.010 ТУ) и сорбционно-емкостного типа (http://www.miczofor.ru/public/tezis_iva9.htm)
Датчики резистивного и сорбционно-частотного типа имеют невысокую чувствительность и применяются при измерении относительной влажности воздуха в диапазоне от 0 до 100%.
Датчики сорбционно-емкостного типа измеряют ультранизкие концентрации водяного пара в диапазоне от -100°Ст.р. до -60°Ст.р., но работают в проточной среде анализируемого газа.
2
5
Наиболее близкой к заявленному датчику является кулонометрическая ячейка (а.с. СССР №1357814, G 01 №27/02), состоящая из расположенных во внутреннем канале диэлектрического корпуса проволочных платиновых геликоидальных электродов, покрытых пленкой сорбента. В качестве пленки сорбента применяется, например, пленка частично гидратированного фосфорного ангидрида РО. К электродам через выводы на наружной поверхности корпуса подводится электрическое напряжение постоянного тока.
Анализируемый газ пропускается по внутреннему каналу корпуса со стороны рабочей части. В ячейке непрерывно происходят два процесса: практически полное поглощение влаги пленкой гигроскопического вещества с образованием фосфорной кислоты и электролиз воды на кислород и водород с регенерацией фосфорного ангидрида.
2
5
2
3
РO+НO→2НРО
3
2
2
2
5
2НРО→Н+1/2O+РO
При постоянном расходе газа согласно закону Фарадея ток электролиза пропорционален объемной доле влаги, содержащейся в анализируемом газе.
Датчик с использованием кулонометрической ячейки позволяет измерять ультрамалые концентрации влаги, но при этом анализируемый газ должен с постоянным расходом поступать во внутренний канал кулонометрической ячейки.
Сущность полезной модели состоит в том, что датчик парциального давления водяного пара, состоящий из стеклянной цилиндрической пробирки, на наружной поверхности которой расположены две геликоидальные несоприкасающиеся спирали, а промежутки между ними заполнены пленкой сорбента, отличается от прототипа тем, что массоперенос молекул водяного пара из атмосферного воздуха осуществляется на внешнюю поверхность рабочей части датчика, а ток электролиза определяется парциальным давлением водяного пара, температурой и геометрическими размерами рабочей части датчика.
где I - ток электролиза, А;
- средняя арифметическая скорость молекул водяного пара, ;
R - молярная (универсальная) газовая постоянная, ;
Т - температура поверхности рабочей части датчика, К;
М - молярная масса водяного пара, ;
- парциальное давление водяного пара в атмосферном воздухе, Па;
D - диаметр цилиндра пробирки рабочей части датчика, м;
L - длина рабочей части датчика, м;
е - заряд электрона, Кл;
n - количество электрохимически разложенных молекул водяного пара в единицу времени, ;
N - масса молекул водяного пара, приходящихся на активную поверхность рабочей части датчика в единицу времени, ;
m - относительная молекулярная масса одной электрохимически разложенной молекулы водяного пара.
На фигуре приведен чертеж датчика парциального давления водяного пара, в основу работы которого положен электролитический метод измерений, сущность которого заключается в поглощении молекул водяного пара, попадающих из
атмосферного воздуха на рабочую поверхность датчика. Он состоит из стеклянной цилиндрической пробирки 1, двух платиновых электродов 2, выполненных в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей, промежуток между которыми заполнен пленкой сорбента из фосфорного ангидрида. Под воздействием напряжения постоянного тока, приложенного к электродам, происходит электролитическое разложение водяного пара на водород и кислород. Внутри пробирки находится нагреватель 3, который вместе с датчиком температуры на терморезисторе 4 и термометром сопротивления 5 термостатируют датчик при положительных температурах. Выводы всех элементов датчика запаяны на контакты 6, запрессованные в фторопластовую втулку сложной формы 7, которая фиксирует стеклянную пробирку относительно корпуса 8 с помощью винтов 9 и ступенчатой шайбы 10.
Для подтверждения промышленной применимости полезной модели датчика парциального давления водяного пара проведены следующие испытания:
1. Определение основной приведенной погрешности (табл.1)
2. Определение постоянной времени (табл. 2)
Проведенные испытания подтверждают возможность измерения парциального давления водяного пара в диапазоне от 0 до 13,3 Па с основной приведенной погрешностью ±10%.
Таблицы
Таблица 1
Номер датчика
Диапазон измерений, Па
Парциальное давление водяного пара, Па
Основная приведенная погрешность, %
Действительное
Измеренное
1
4,6·10<sup>-2</sup>
4,51
2
0...1,33·10<sup>-1</sup>
4·10<sup>-2</sup>
5,05·10<sup>-2</sup>
7,89
3
5,3·10<sup>-2</sup>
9,78
1
3,1·10<sup>-1</sup>
5,26
2
0...1,33
2,4·10<sup>-1</sup>
3,4·10<sup>-1</sup>
7,52
3
3,1·10<sup>-1</sup>
7,52
1
4,2
6,02
2
0...13,3
3,4
3,7
2,26
3
4,2
6,02
Таблица 2
Номер датчика
Диапазон измерений, Па
Постоянная времени, с
При увеличении парциального давления водяного пара
При уменьшении парциального давления водяного пара
1
0...1,33·10<sup>-1</sup>
2,5
1,0