§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ГИГРОМЕТРЫ

В промышленной и лабораторной практике часто возникает необходимость определения количества влаги в воздухе или различных газах. Было предложено много приборов для измерения влажности, среди которых наибольшее распространение получили психрометры, волосяные гигрометры и гигрометры, основанные на измерении температуры точки росы. Измерение влажности психрометром возможно лишь при положительных температурах, а волосяные гигрометры обладают незначительной точностью и малой надежностью измерений. Наиболее

удовлетворяют требованиям эксплуатации гигрометру, основанные на фиксации температуры образования конденсата — точки росы. Гигрометры этого типа получили название конденсационных.

Зная температуру точки росы, можно вычислить абсолютное содержание влаги в исследуемом газе. Бесспорным достоинством конденсационных гигрометров является возможность автоматизировать процесс измерения, т. е. создать приборы непрерывного действия. Охлаждение поверхности конденсации в конденсационных гигрометрах осуществляется различными криостатическими смесями, твердой углекислотой, жидким азотом или посредством дросселирования сжатого газа.

Рис. 123. Разрез визуального гигрометра.

Эти методы охлаждения обладают рядом недостатков, основным из которых является необходимость периодического пополнения хладоагента, что резко снижает эксплуатационные возможности прибора.

Использование термоэлектрического метода охлаждения поверхности конденсации позволило создать несколько типов простых по конструкции и надежных в эксплуатации гигрометров.

Визуальный гигрометр.

Наиболее простым по конструкции является гигрометр, в котором момент выпадения росы фиксируется визуально по запотеванию рабочей поверхности прибора. По идее этот прибор представляет собой гигрометр Лембрехта, у которого для охлаждения поверхности конденсации вместо эфира применено термоэлектрическое охлаждение. Гигрометр представляет собой самостоятельный прибор, к которому только требуется подключить питание от соответствующего выпрямителя.

Основным конструктивным элементом гигрометра (рис. 123) является термоэлемент 1, к холодному спаю которого припаян медный диск 2, являющийся поверхностью конденсации. Для более точного определения момента выпадения росы на поверхности конденсации последняя окружена полированным эбонитовым кольцом 3, вокруг которого располагается контрольная поверхность сравнения 4.

Термоэлемент и блок конденсации закрыть слоем теплоизоляции 5, выполненной из пенопласта. Горячий спай термоэлемента припаян к коллектору 7, снабженному системой радиаторных пластин 6. Измерение температуры, при которой выпала роса, производится по спиртовому термометру, который помещается в канал 8. Головка прибора смонтирована в металлическом корпусе 9 и установлена на стойке 10.

Рис. 124. Блок-схема гигрометра периодического действия.

Термоэлектрическая пара гигрометра позволяет понизить температуру поверхности конденсации на 30° относительно температуры окружающего воздуха. При рабочем токе 20 а потребляемая элементом мощность равна

Габаритные размеры гигрометра: диаметр высота Вес прибора

Гигрометр периодического действия. В гигрометре этого типа, блок-схема которого показана на рис. 124, точка росы фиксируется по изменению поверхностной проводимости стекла, охлаждаемого термоэлектрической парой. Гигрометр имеет следующие основные узлы: систему охлаждения, индикатор росы, электрометрический мост, двухкаскадный магнитный усилитель, выпрямитель для питания моста, микротермисторы для измерения температуры, вентилятор с заводным механизмом для прососа испытуемого газа.

Система охлаждения содержит термоэлектрическую пару и радиатор для отвода тепла с горячих спаев термоэлемента в окружающий воздух. С целью уменьшения температурного перепада между горячим спаем термоэлемента и окружающим воздухом площадь радиатора по сравнению с теоретическим расчетом несколько увеличена и составляет Это обеспечивает

уменьшение паразитного температурного перепада между радиатором и окружающей средой на В стационарных условиях при оптимальном питающем токе 10 а и температуре окружающего воздуха 20° на холодном спае через 50—60 сек. достигается температура —11°. При просасывании исследуемого газа тепловая нагрузка на холодный спай увеличивается и уменьшается максимально достижимый перепад температур. При выбранной скорости потока воздуха на холодном спае устанавливается температура —10°.

Индикатором росы служит стекло (ширина длина толщина на которое катодным распылением нанесен слой платины 1 и сделан разрыв шириной К серебряным контактам, нанесенным вжиганием, припаяны сплавом Вуда электроды для соединения пластинки с электрической схемой гигрометра. Стекло с нанесенными слоями приклеено эпоксидным клеем к холодному спаю термоэлемента. С целью теплоизоляции от окружающей среды полупроводниковая батарея и поверхность конденсации закрыты теплоизоляционным чехлом. Испытуемый газ засасывается через специальный штуцер.

Гигрометр питается от сети 220 в. Принцип действия электрической схемы прибора заключается в следующем: в результате выпадения росы изменяется баланс электрометрического моста, и сигнал в поступает на магнитный усилитель; сигнал разбаланса, усиленный до размыкает реле при этом рвется цепь питания термоэлемента и происходит испарение сконденсированной влаги. исчезновении росы реле включает термоэлемент и процесс повторяется. Температуру выпадения росы измеряет термистор смонтированный непосредственно под охлаждаемым стеклом. Температура окружающей среды измеряется другим термистором, помещенным в потоке исследуемого газа. Схема позволяет до начала измерений сбалансировать электрометрический мост, а также установить требуемое напряжение питания термисторов.

Следует отметить, что в зависимости от ширины разрыва слоя платины, нанесенной на стекло, изменяется чувствительность прибора. Оказалось, что при расстоянии между электродами (сопротивление промежутка прибор фиксирует выпадение росы на несколько секунд раньше, чем ее удается заметить в микроскоп ( Было установлено, что чувствительность гигрометра в основном определяется временем срабатывания усилителя в реле, поэтому применение пленок с очень малым зазором в данной конструкции нецелесообразно. Цикл

одного измерения (конденсация—испарение) занимает 20— 30 сек.

Испытания прибора показали, что температура точки росы определяется с точностью ±1°, разброс значений при измерении не превышает 0.5°. Гигрометр позволяет измерять влажность газов с температурой точки росы от до —10°.

Рис. 125. Общин вид гигрометра периодического действия.

Измерение влажности более сухих газов ограничено тем обстоятельством что при этом конденсация влаги происходит в виде твердой фазы и поверхностная проводимость стекла изменяется недостаточно для получения необходимого сигнала.

Общий вид гигрометра периодического действия приведен на рис. 125.

Гигрометр непрерывного действия. Автоматический гигрометр непрерывного действия основан на изменении отражательной способности зеркала при выпадении на нем росы.

В 1958 г. был разработан промышленный образец термоэлектрического конденсационного автоматического гигрометра непрерывного действия, позволяющего измерять температуру

точки росы воздуха или любых промышленных газов от до —50°. Принципиальная блок-схема гигрометра изображена на рис. 126. На холодном спае термоэлектрической батареи помещено зеркало 1, которое в процессе измерения обдувается струей газа, влажность которого требуется определить. Зеркало освещается пучком света от осветителя 2, питаемого источником 3. Отразившись от зеркала, свет попадает на фотосопротивление Электронная схема управления настроена таким образом, что при изменении количества света, падающего на фотосопротивление, что имеет место при выпадении на зеркале росы, усилитель фототока 5 подает сигнал на регулирующее устройство 6, которое имеет выход на электронный самописец 11 типа и исполнительный механизм 7, посредством которого может быть изменен режим увлажнения или осушки воздуха или газа и включено соответствующее сигнальное устройство.

Рис. 126. Блок-схема гигрометра непрерывного действия.

Температура, при которой на зеркале выпала роса, фиксируется микротермистором 10, сигнал от которого поступает на регулирующее устройство и самописец. После фиксации температуры выпадения росы регулирующее устройство подает сигнал на схему реверсирования тока 8, питающего термобатарею от выпрямителя 9. Термобатарея переводится из режима охлаждения в режим нагрева; роса, выпавшая на зеркале, испаряется, после чего схема реверсирования подает на термобатарею ток прямой полярности, и весь процесс повторяется. Гигрометр позволяет автоматически производить измерение влажности со скоростью 30 циклов в час.

Как указывалось выше, гигрометр позволяет измерять влажность вплоть до температуры точки росы —50°. Столь низкая

температура достигается благодаря использованию двухкаскадной высокоэффективной термобатареи, разрез которой показан на рис. 127.

Рис. 127. Разрез термобатареи гигрометра непрерывного действия.

Термоэлементы первого каскада 2 и 9 в количестве пяти пар припаяны к системе отвода тепла, состоящей из электрически изолированных друг от друга шести латунных брусков

11, внутри которых имеются каналы для прохождения воды, подаваемой к термобатарее через штуцера 1. Система теплоотвода залита в эпоксидную смолу 10, благодаря чему образуется единый, конструктивно законченный узел. Один термоэлемент второго каскада 4 припаян к двойным коммутационным пластинам 6 и 8, склеенным между собой эпоксидным клеем. На коллектор холодных спаев второго каскада 5 в дальнейшем припаивается металлическое зеркало. Для уменьшения паразитных теплопритоков термоэлементы закрыты слоем пенопласта 3 и защитным плексигласовым колпаком 7. Электрическое питание термобатареи подключается через две токоведущие шины, закрепленные на штуцерах водяного охлаждения. Описанная термоэлектрическая батарея обладает значительной холодопроизводительность то за счет последовательного цитания первого и второго каскадов. Это достигается соответствующим выбором конструкции коммутационных пластин, количества и геометрии полупроводников и рядом других факторов. Общий вид термоэлектрического гигрометра приведен на рис. 128.

Основные паспортные данные гигрометра непрерывного действия следующие.

Рис. 128. Общин вид гигрометра непрерывного действия (без блока питания и регулирования).

(см. скан)

В 1964 г. был разработан еще один вариант конденсационного гигрометра непрерывного действия с термоэлектрическим охлаждением поверхности конденсации.

В основу этого прибора был положен автоматический фотоэлектронный индикатор влажности серийно выпускаемый промышленностью. В приборе охлаждение поверхности конденсации — зеркала — осуществлялось посредством дросселирования сжатого воздуха. Момент выпадения росы фиксировался по изменению отражательной способности зеркала специальной фотоэлектронной схемой. При этом температура зеркала измерялась платиновым термометром сопротивления. Эксплуатация прибора сопряжена с рядом неудобств, основным из которых является необходимость иметь воздух высокого давления атм) для охлаждения поверхности конденсации. В то же время основные узлы прибора — фотоэлектронный конденсатор и измеритель температуры обладают достаточной точностью и надежностью в работе. В связи с этим была разработана конструкция термоэлектрического охладителя для прибора Конструктивно термоэлектрический охладитель был выполнен таким образом, чтобы при минимальной переделке им можно было заменить охладитель прибора

Термоэлектрический охладитель собран на трехкаскадной термобатарее с последовательным питанием всех каскадов. В первом каскаде термобатареи — 15 термоэлементов, во втором — 3, в третьем — 1. Теплосъем с горячих спаев термобатареи осуществляется проточной водой. Для питания термобатареи служит двухполупериодный выпрямитель с вентилями

Для сглаживания пульсации выпрямленного тока служит дроссель фильтра. На шасси прибора вместо некоторых узлов и деталей, обеспечивающих охлаждение посредством дросселирования сжатого воздуха, размещены термоэлектрический охладитель и выпрямитель для его питания. На коллектор холодного спая термоэлемента третьего каскада припаивается хромированное зеркало, по изменению отражательной способности которого судят о моменте выпадения росы. Поскольку прибор предназначен для непрерывной работы, после каждого цикла

охлаждения необходимо убрать выпавшую на зеркале росу. Это обеспечивается нагревом зеркала до температуры 30—40°.

Нагрев зеркала можно было бы осуществить посредством переключения полярности питающего термобатарею тока, но это приводило к нежелательным температурным раскачкам всей батареи. В связи с этим на коллектор холодного спая термоэлемента третьего каскада была намотана печка, которая включалась автоматически при необходимости испарения выпавшей на зеркале росы. При этом термобатарея не выключалась, а положительная температура на зеркале достигалась благодаря превалированию нагрева печкой над холодопроизводительностыо третьего каскада термобатареи. На коллектор холодного спая термоэлемента третьего каскада намотан платиновый термометр сопротивления, являющийся датчиком для автоматической схемы измерения точки росы. При скорости обдува зеркала исследуемым газом в температура зеркала может быть понижена до —70°.

Некоторые данные, характеризующие термоэлектрическую батарею охладителя для прибора приведены ниже.

(см. скан)