НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГИГРОМЕТР
LOW-TEMPERATURE HUMIDITY METRE

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к конструкции цифрового волоконно-оптического низкотемпературного гигрометра (ЦВНТГ), предназначенного для определения величины так называемой точки росы (ТР), т.е. температуры, при которой абсолютная влажность водяного пара в окружающей прибор атмосфере достигает уровня насыщения.
Из уровня техники известен гигрометр конденсационного типа, который по принципу действия подобен заявляемому анализатору влажности атмосферы (кн. Е.А.Штрауф, Молекулярная физика, Гос.издат.техн.-теор. лит.1949, стр.371). Основным элементом известного гигрометра является латунный барабан с никелированной торцевой поверхностью. Барабан заполняется эфиром и в процессе определения ТР атмосферы охлаждается благодаря продуванию сквозь него воздуха. Для регистрации момента достижения барабаном температуры, совпадающей со значением ТР, в специальное гнездо в нем вставляется термометр. При охлаждении зеркального (никелированного) торца барабана до ТР на нем начнет конденсироваться пар из прилегающего к нему слоя атмосферы. В результате чего зеркальный торец барабана становится матовым. Температура барабана в этот момент как раз совпадает с ТР окружающей гигрометр атмосферы.
Для облегчения регистрации момента затуманивания зеркальной поверхности торца барабана он окружен никелированным кольцом, сохраняющим температуру окружающего прибор слоя атмосферы и потому остающимся зеркальным.
Известен также гигрометр конденсационного типа, который принят за прототип заявляемого анализатора влажности атмосферы, который состоит из полированной внутри металлической трубки, закрытой с одного торца матовым стеклом, а с другого - лупой окуляра. Трубка помещена в металлический сосуд, снабженный термометром и заполняемый эфиром, когда определение ТР ведется при температурах выше -40°С и жидким воздухом (кислородом), когда определение ТР ведется при температурах в диапазоне (-40…-80)°С. Воздух в сосуде также принудительно циркулирует. Точность измерения ТР таким гигрометром составляет (0,1…0,2)°С, а при очень низких температурах - не более 1° (кн. С А.Г.Шереметьев, Волоконно-оптический гигрометр, М., Радио и связь, 1987 и кн. Г.Н.Горбунов (перевод с японского), Волоконно-оптические датчики, Л., Энергоатомиздат, 1991 г.)
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение диапазона рабочих температур и повышение точности определения значения точки росы и уменьшения габаритов.
Для достижения технического результата низкотемпературный гигрометр содержит генератор света для формирования светового потока, два зеркала, одно из которых оборудовано системой охлаждения с термометром для охлаждения поверхности зеркала в процессе определения значения точки росы, при этом температура другого зеркала поддерживается стабильной и равной температуре слоев, окружающих его, атмосферы, в качестве генератора света применен или полупроводниковый лазер, или лазерный диод, или светодиод, или люминесцентный диод, формирующий световой поток, на пути которого расположена плосковыпуклая линза, световой поток после которой взаимодействует с делителем с возможностью расщепления на два луча равной интенсивности, направляемых через плосковыпуклые и стержневые линзы на соответствующие зеркала, на пути отраженных от поверхности зеркал световых потоков установлены последовательно плосковыпуклые линзы и фотодетекторы, вырабатывающие сигналы, пропорциональные интенсивности световых потоков, указанные фотодетекторы своими выходами связаны с соответствующими двумя входами блока обработки информации, третий вход которого подсоединен к выходу полупроводникового термометра, а выходы упомянутого блока подключены к информационному табло и к системе охлаждения, при этом световой поток на своем пути от генератора света до фотодетекторов заключен в световоды.
Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы
- в качестве блока обработки информации был бы применен мультиметр, выполненный с кодерами, установленными на его входе с возможностью преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы;
- система охлаждения была бы оборудована элементом Пельтье.
- термометр был бы выполнен полупроводниковым с аналоговым выходом, измеряющим температуру в °С охлаждаемого зеркала;
- делитель светового потока был бы выполнен в виде полупрозрачного зеркала.
- световоды выполнены двухслойными.
- мультиметр своим выходом связан с дисплеем с возможностью формирования в случае равенства преобразованных в цифровой вид выходных сигналов фотодетекторов, светового и цифрового сигналов, указывающих на то, что в данный момент времени температура термометра равна значению точки росы атмосферы.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, а именно расширение диапазона рабочих температур и повышение точности определения значения точки росы и уменьшения габаритов.
Существенно, что при более низкой температуре чем ТР, на поверхности, соприкасающейся с паром, выделяются капли росы, которые при дальнейшем понижении температуры обращаются в лед. ЦВНТГ применяется, в частности, при проектировании и конструировании технических устройств, машин и механизмов, функционирующих при температурах (-40÷-100)°С, к таковым, например, относятся космические объекты, в конструкцию которых входят такие элементы, как управляющие клапаны. Очевидно, что из-за обледенения такого рода устройств, возможное при охлаждении их ниже ТР, управляющие элементы начнут давать сбои в их функционировании, поэтому знание ТР совершенно необходимо при проектировании указанных устройств.
Сущность изобретения более полно представлена на чертеже, где на чертеже изображен общий вид гигрометра.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Согласно изобретению цифровой волоконно-оптический низкотемпературный гигрометр включает в себя генератор 1 света для формирования светового потока, два зеркала 2, 3, первое из которых - зеркало 2, оборудовано системой охлаждения 4 с термометром 5, выполненным предпочтительно полупроводниковым с аналоговым выходом, для осуществления охлаждения поверхности зеркала 2 в процессе определения значения точки росы, измеряющим температуру в °С охлаждаемого зеркала. Температура другого зеркала 3 поддерживается стабильной и равной температуре слоев окружающих его атмосферы. Предпочтительно оборудование системы охлаждения 4 элементом Пельтье.
В качестве генератора света 1 может быть применен или полупроводниковый лазер, или лазерный диод, или светодиод, или люминесцентный диод, формирующий световой поток, на пути которого расположена плосковыпуклая линза 6, световой поток после которой взаимодействует с делителем 7, предпочтительно выполнен в виде полупрозрачного зеркала с возможностью расщепления на два луча равной интенсивности, направляемых через плосковыпуклые и стержневые линзы 8 и 9 соответственно. На зеркала 2 и 3 соответственно на пути отраженных от поверхности этих зеркал световых потоков установлены последовательно плосковыпуклые линзы 10, 11 и фотодетекторы 12, 13, вырабатывающие сигналы, пропорциональные интенсивности световых потоков, указанные фотодетекторы 12 и 13 своими выходами 14 и 15 связаны с соответствующими двумя входами 16 и 17 блока 18 обработки информации. В качестве блока 18 обработки информации может быть применен мультиметр, выполненный с кодерами, установленными на его входе с возможностью преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы.
Третий вход 19 блока 18 подсоединен к выходу 20 полупроводникового термометра 5, а выходы 21 и 22 упомянутого блока 18 подключены к информационному табло 23 и к системе охлаждения 4 соответственно.
Световой поток на своем пути от генератора света 1 до фотодетекторов 12 и 13 заключен в световоды 24, которые предпочтительно выполняются двухслойными.
В случае выполнения блока 18 в виде мультиметра, последний согласно описанной выше схеме, своим выходом связан с дисплеем - информационным табло 23, с возможностью формирования в случае равенства преобразованных в цифровой вид выходных сигналов фотодетекторов, светового и цифрового сигналов, указывающих на то, что в данный момент времени температура термометра равна значению точки росы атмосферы.
Следует отметить, что базовыми элементами структуры ЦВНТГ являются зеркала 2 и 3, на которые под некоторым углом падают лучи светового потока, выходящие из торцов световода 24. Сигнальный контур гигрометра запитывается от генератора света 1, от которого с помощью плосковыпуклой линзы 6 свет направляется на торец двухслойного световода 24, состоящего из световедущего сердечника малого диаметра и окружающей его оболочки. Распространяясь по сердечнику участка световода 24, свет попадает на поверхность делителя света 7, который представляет собой полупрозрачное зеркало, расщепляющее поток света на два луча приблизительно равной интенсивности (мощности). С помощью линз 8 и 9 свет внедряется в сердечники 25 участков световода 24. Следует отметить, что выходные торцы этих участков световода 24 представляют собой либо фолконы, либо стержневые линзы, которые фактически являются плосковыпуклыми линзами, фокусирующими свет на поверхностях зеркал 2 и 3. Отраженные от поверхностей зеркал 2 и 3 лучи света собираются плосковыпуклыми линзами 10, 11 и внедряются в сердечники световодов 24, а затем уже падают на входы фотодетекторов 12 и 13. Фотодетекторы 12,13 на своих выходах 14, 15 формируют аналоговые сигналы, пропорциональные интенсивностям лучей света, выходящим из торцов световодов 24 соответственно. В качестве фотодетекторов 12, 13 могут быть использованы обладающие высокой чувствительностью и стабильностью зеркала 2, 3, которые также высвечиваются на дисплее блока 23 в этот момент времени, и есть ТР слоев атмосферы, окружающих прибор.
Суть принципа действия прибора ЦВНТГ заключается в следующем. В исходный момент времени температуры зеркал 2, 3 и слоев атмосферы, окружающих прибор, равны между собой. Когда же прибор начнет работать, благодаря действию элемента Пельтье, температура зеркала 2 начнет плавно понижаться и достигнет значения ТР, на его поверхности появляются капли росы, которые частично поглощают, а частично рассеивают энергию светового потока, падающего на поверхность зеркала 2. В результате чего интенсивность света, попадающего на вход фотодетектора 12, оказывается меньше, чем интенсивность света, попадающего на вход фотодетектора 13. Вследствие этого на дисплее блока 23 возникает яркостная метка, выделяющая значение температуры, высвечиваемое на дисплее в тот же момент времени. Метка указывает на то, что температура зеркала 2, в данный момент времени, равна значению ТР окружающей прибор атмосферы.
Применение на практике заявляемого прибора ЦВНТГ позволяет достигнуть следующих целей:
- расширить диапазон вариаций температур атмосферы, в которой может функционировать прибор;
- повысить точность определения ТР;
- уменьшить габариты анализатора влажности;
- автоматизировать процесс определения ТР.
Определение точки росы с помощью ЦВНТГ может осуществляться без участия оператора, причем, в случае необходимости, получаемая информация относительно значения точки росы по той или иной линии связи может быть передана потребителю, находящемуся на значительном удалении от места измерения.
Изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», поскольку его реализация возможна при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций и материалов.