ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА


RU (11) 2251129 (13) C2

(51) 7 G01W1/11 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2005.04.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2002118678/28 
(22) Дата подачи заявки: 2002.07.11 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.07.11 
(43) Дата публикации заявки: 2004.03.20 
(45) Опубликовано: 2005.04.27 
(56) Аналоги изобретения: RU 99110964 А, 27.02.2001. SU 989432 А1, 15.01.1983. US 5878529 А, 09.03.1999. ЕР 0382414 А2, 16.08.1990. 
(72) Имя изобретателя: Алейников Н.М. (RU); Алейников А.Н. (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Воронежский государственный университет (RU) 
(98) Адрес для переписки: 394006, г.Воронеж, Университетская пл., 1 Воронежский государственный университет 

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Измеритель содержит устройство, преобразующее абсолютную влажность в электрический сигнал, и регистрирующее устройство. В преобразователе используется многозвенный усилитель, состоящий из N, не менее двух, усилителей, включенных так, что общий коэффициент усиления преобразователя k=k1... kN. В цепи обратной связи усилителей включены полупроводниковые термисторы. Подбором термисторов достигается определенное значение величины B=B 1+... +BN, где В1,... BN - параметры термисторов, которыми определяются температурные зависимости их сопротивлений Ri=R iexp(Bi/T). Для повышения точности преобразования многозвенный усилитель дополнен корректирующим усилителем, в цепь обратной связи которого включен резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Техническим результатом изобретения является возможность определения относительной влажности по измерению абсолютной влажности независимо от температуры воздуха. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Устройство относится к электроизмерительной технике, преобразует электрический сигнал, пропорциональный абсолютной влажности воздуха, в электрический сигнал, пропорциональный относительной влажности независимо от температуры воздуха, и может быть использовано для измерения относительной влажности воздуха в метеорологии, на промышленных предприятиях, в складских помещениях хранения промышленных изделий или продуктов питания, бытовых помещениях, системе здравоохранения и др.

Во многих практических случаях необходимо измерять относительную влажность. Для определения относительной влажности по известному значению абсолютной влажности Dабc пользуются психрометрическими таблицами, в которых для различных температур приведены значения абсолютной влажности воздуха при насыщении Dнac(t). Относительная влажность определяется как и часто выражается в процентах. Таким образом, для определения относительной влажности необходимо измерять абсолютную влажность и температуру воздуха и использовать психрометрические таблицы (Белянкин А.Г. Физический практикум 1955 г.).

Известны электроизмерительные приборы для измерения абсолютной влажности воздуха Dабс, которая определяется как количество воды в единице объема воздуха. Например, в анализаторе влажности воздуха (заявка RU №99110964, МКИ G 01 N 27/02) вырабатывается электрический сигнал, пропорциональный абсолютной влажности воздуха независимо от температуры воздуха.

Сложность создания анализатора, автоматически регистрирующего относительную влажность независимо от температуры воздуха, определяется тем, что между относительной и абсолютной влажностями существует достаточно сильная нелинейная температурная зависимость. Например, при t=0° С и абсолютной влажности воздуха Daбc=4,84 г/м3 относительная влажность =100%. При t=20° C и той же абсолютной влажности относительная влажность =28%. При t=40° C и том же значении Dабс=4,84 г/м3 величина уменьшится до значения =9,45%.

Проведенный нами регрессионно-корреляционный анализ известным при статистической обработке методом наименьших квадратов показал, что табличные значения Dнас(t) в интервале температур от 0° до 40° С достаточно хорошо подчиняются регрессионной зависимости 

где T=273+t - абсолютная температура, D0=4,89· 108 г/м3, В0=5028,9 К. Полученный при анализе коэффициент корреляции r=0,99998, близкий к единице, говорит о хорошем соответствии табличных данных уравнению регрессии. В таблице 1 для сравнения приведены известные табличные зачения Dнас(t) и результаты вычислений Dнаc(t) по формуле (1).

Таблица 1 
t° C 0 5 10 15 20 25 30 35 40 
Dнас(t), г/м3 4,84 6,84 9,40 12,8 17,3 23,0 30,3 39,6 51,2 
D нас(t), г/м3 4,89 6,81 9,38 12,8 17,2 22,9 30,3 39,7 51,5 


Рассмотрим сущность предлагаемого изобретения. Пусть напряжение на входе усилителя Uвх=аDабc, а на выходе Uвых=kUвх, где k - коэффициент усиления, а - некоторая постоянная, определяемая чувствительностью используемого анализатора абсолютной влажности. Т.к. , получим



Из соотношения (2) следует, что между напряжением U вых и относительной влажностью будет существовать линейная связь Uвых=K , если k при B=B0 подчиняется зависимости 



Подобными зависимостями обладают полупроводниковые термисторы, сопротивления которых изменяются с температурой по закону , где R i и Вi - параметры некоторого i-термистора. Параметр Вi зависит от вида и концентрации примеси в материале, из которого изготовлен термистор, и определяется энергией активации примеси в полупроводнике. Изготовить термистор с параметром Вi, равным значению В0, практически невозможно. Однако при наличии различных термисторов возможно подобрать комбинацию из N (двух или более) термисторов, сумма параметров B1+... +ВN которых может быть достаточно близкой к величине В0. Включив каждый из этих N термисторов в цепь обратной связи отдельного i-усилителя, например, инвертирующего операционного усилителя, коэффициент усиления которого , где Ri - постоянное сопротивление резистора на входе i-усилителя, и соединив последовательно N усилителей так, что общий коэффициент усиления N-каскадного усилителя равен k=k 1... kN, получим усилитель, коэффициент усиления которого пропорционален . Действительно



На фиг.1 приведена принципиальная схема измерителя. К источнику 1 напряжения, изменяющегося пропорционально абсолютной влажности анализируемого воздуха, например к анализатору абсолютной влажности (заявка RU №99110964), подключен многокаскадный усилитель, состоящий из N последовательно соединенных инвертирующих операционных усилителей У1,... ,УN, на входах которых включены термостабильные резисторы R1,... ,RN , а между входами и выходами усилителей включены термисторы Rt1,... RtN. Известно, что при таком включении резисторов коэффициент усиления каждого из усилителей , а общий коэффициент усиления образованного усилителя k=k 1... kN. Для регулирования общего коэффициента усиления k один из резисторов, например R1 - регулируемый. К выходу последнего усилителя УN подключен регистрирующий прибор 2, например вольтметр или самописец, по показаниям которого судят об относительной влажности воздуха. 

Работает преобразователь следующим образом. Для калибровки преобразователя по показаниям анализатора абсолютной влажности при известной температуре воздуха, например при t=20° C, измеряют абсолютную влажность Dабс, а по психрометрическим таблицам определяют соответствующую этой температуре величину Dнac(t)=17,3 г/м3. Вычисляют относительную влажность =Dабс/Dнас(t) и, регулируя резистор R 1, добиваются соответствующего показания регистрирующего прибора. После этого измеритель готов к работе. Регистрирующий прибор, прокалиброванный в единицах относительной влажности, например в процентах, будет в дальнейшем показывать относительную влажность воздуха независимо от его температуры.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда не удается подобрать комбинацию термисторов, для которых В=В0 , но все таки величина отклонения B=В-В0 достаточно мала по сравнению с В0 . Из (3) следует



Если рассмотренный усилитель дополнить корректирующим усилителем Ук с коэффициентом усиления kк , напряжение Uк на выходе Ук будет U к=Uвыхkк= Очевидно, что uк будет пропорционально , если . Возможны два случая:

1) В>0, т.е. B=| В|. Используя формулу Эйлера, которая для малых x имеет вид e x=1+x, получим , откуда следует, что uк=K , если .

2) B<0, т.е. B=-| В|. Представляя формулу Эйлера в виде , получим , откуда следует, что Uк=K , если .

В обоих случаях ( В>0 и B<0) добиться пропорциональности Uк=К можно, если в цепях обратной связи операционных усилителей включить резисторы, сопротивления которых пропорциональны абсолютной температуре, например металлические резисторы, сопротивления которых изменяются по закону rt=rt0(1+аt), а температурный коэффициент сопротивления а=1/273 K-1. Чистых металлов с а=1/273 K-1 не существует. Однако, если подобрать постоянный резистор r с сопротивлением r=rt0(273а-1), то общее сопротивление последовательно соединенных резисиоров r и rt будет пропорционально абсолютной температуре, т.е.



На фиг.2 приведена схема преобразователя с корректирующим усилителем Ук для случая В>0. Усилитель Ук - инвертирующий операционный усилитель, на входе которого включен резистор r0, а между выходом и инвертирующим входом включены последовательно соединенные резисторы r и rt, шунтируемые резистором rо.с.. Общее сопротивление между входом и выходом усилителя Ук с учетом (7) , а коэффициент усиления (при условии . Очевидно, что условие (5) выполняется при rо.с.=r t0а B.

На фиг.3 приведена схема измерителя с корректирующим усилителем Ук для случая В<0. Усилитель Ук - неинвертирующий операционный усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого включен резистор rо.с., а между инвертирующим входом и общим проводом включены последовательно соединенные резисторы r и r t. Коэффициент усиления kк такого усилителя с учетом (7)

.

Также как и в предыдущем случае, условие (6) выполняется при rо.с=rtоа| B|.

Таким образом, в обоих случаях ( B>0 и B<0) постоянные резисторы r и rо.с. определяются одинаково, а именно:





Заметим, что при расчетах не учитывалось инвертирование выходного напряжения инвертирующими усилителями, т.к. полярность выходного сигнала не имеет принципиального значения.

Рассмотрим примеры возможной реализации измерителя. Пусть, например, анализатор абсолютной влажности воздуха 1 имеет чувствительность а= UBx/ Daбc=1 мВ/г· м3, а в качестве регистрирующего прибора 2 используется вольтметр со шкалой, кратной 100, и пределами измерений от 0 до 1 вольта, т.е. чувствительность преобразователя Uвых/ · 100%=10-2 В/%.

Пример 1. Предположим, что удалось подобрать комбинацию из двух термисторов, для которых В В0. Пусть, например, B1=2340 K, B2 =2700 К или В=B1+B2=5040 К. Сопротивления термисторов при t=20° С, например Rt1=2400 Ом, а Rt2=1500 Ом, достаточно произвольны и влияют в основном на выбор постоянных резисторов R1 и R2, определяющих коэффициент усиления k. В качестве R2 выберем резистор с сопротивлением R2=150 Ом. Пусть напряжение на входе усилителя Uвх=13 мВ, т.е. при заданной чувствительности анализатора абсолютной влажности а=1 мВ/г· м3, абсолютная влажность при t=20° С равна Daбc=13 г/м3, что согласно психрометрическим таблицам для Dнас(20° )=17,3 г/м3 соответствует 75,14% относительной влажности или =0,7514.

Чтобы вольтметр показал Uвых=0,7514 B, коэффициент усиления k усилителя, который устанавливается резистором R1, при t=20° С должен быть .

Зная k, вычислим k0 по формуле =1,96· 10-6. Можно оценить также значение сопротивления переменного резистора R1 по формуле R1=(R t1· Rt2)/(k· R 2)=(2400· 1500)/(57,8· 150) 415 Ом.

В таблице 2 приведены вычисленные показания вольтметра для некоторых температур при различных относительных влажностях воздуха. Напряжение uвых вычислялось по формуле u вых=uвх· 1,96· 10- · 6exp[5040/(273+t)].

Таблица 2. Показания вольтметра (в вольтах) для измерителя без корректирующего усилителя (фиг.1) для некоторых значений относительной влажости воздуха в интервале температур от 0° С до 40° С ( В=11К)

0° · 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 
=0,2 0,198 0,200 0,200 0,200 0,200 0,200 0,198 0,198 0,198 
=0,4 0,395 0,401 0,400 0,400 0,401 0,399 0,398 0,397 0,395 
=0,6 0,593 0,601 0,600 0,599 0,601 0,599 0,597 0,595 0,593 
=0,8 0,791 0,802 0,800 0,799 0,801 0,798 0,796 0,794 0,790 


Пример 2. Предположим, что не удалось подобрать термисторы с значением В, равным В0, и пусть, например, величина В=B-B0=100 К. Для упрощения рассмотрим измеритель, состоящий из двухкаскадного усилителя, рассмотренного в примере 1 и отличающегося от него величиной В. В качестве корректирующего усилителя Ук применим инвертирующий операционный усилитель фиг.2. Пусть, например, резистор rt0 выполнен из вольфрамовой проволоки (а=4.8· 10-3 K-1) и при t=0° C rt0=1200 Ом. Вычислим сопротивления r и rо.с по формулам (8а) и (8б). Получим r=373 Ом, rо.с=576 Ом. Сопротивления резисторов R1 и r0 подберем так, чтобы при t=20° С и напряжении на входе преобразователя Uвх=13 мВ напряжение на выходе корректирующего усилителя было равно Uк=0,7514 В, т.е. соответствовало бы 75,14% влажности. В таблице 3 приведены результаты вычислений показаний вольтметра Uк, рассчитанные по формуле .

Таблица 3. Показания вольтметра (в вольтах) для измерителя с корректирующим усилителем (фиг.2) для некоторых значений относительной влажности воздуха в интервале температур от 0° С до 40° С ( В=100 К)



Анализ схемы (фиг.3) с корректирующим усилителем для B<0, подобный анализу, рассмотренному в примере 2 для схемы (фиг.2) при B>0, показал, что ошибки / , вносимые измерителем, не превышают 0,005-0,006 от табличных значений относительной влажности воздуха =0-100% в интервале температур 0<t<+40° С, если величина отклонения | В| не превышает 100 К. Точность преобразования может быть еще более высокой, если сузить температурный интервал, например при измерениях влажности в бытовых помещениях.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Измеритель относительной влажности воздуха, содержащий устройство, преобразующее абсолютную влажность воздуха в электрический сигнал, и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что к источнику напряжения, пропорционального абсолютной влажности воздуха, подключен усилитель, состоящий из N не менее двух последовательно соединенных операционных усилителей так, что коэффициент усиления k усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных усилителей k=k1... kN и пропорционален величине ехр(В/Т), где В - величина, приблизительно равная значению В0=5029 К, а Т - абсолютная температура анализируемого воздуха, для чего в цепь обратной связи отдельных усилителей включены полупроводниковые термисторы, сопротивления которых подчиняются зависимостям Ri=R iexp(Bi/T), где i - номер отдельного усилителя; Ri и Bi - параметры i-термистора, причем термисторы подобраны так, что сумма параметров Bi+... BN=B B0.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования в случае В=В-В0 0, в цепь многокаскадного усилителя включен дополнительный корректирующий операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен резистор rt, сопротивление которого подчиняется температурной зависимости rt=rt0 (1+ t), где rt0 - сопротивление резистора при t=0° С, - температурный коэффициент сопротивления, а также второй r и третий rо.с - термостабильные резисторы, сопротивления которых определяются формулами r=rt0(273 -1) и rо.с.=rt0 В, причем при В=В-В0>0, дополнительный усилитель включен как инвертирующий, между инвертирующим входом и выходом которого включены последовательно соединенные резисторы rt и r, шунтированные резистором rо.с., а при В=В-В0<0 дополнительный усилитель включен как неинвертирующий, между инвертирующим входом и выходом которого включен резистор rо.с., а последовательно соединенные резисторы r t и r подключены к инвертирующему входу.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru