RU37416U1

RU37416U1 - OPTICAL HYGROMETER FOR DETERMINING ABSOLUTE HUMIDITY OF GASES

Info

Publication number: RU37416U1
Application number: RU2003137918/20U
Authority: RU
Inventors: К.А. Томский; М.Г. Козлов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА"
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2004-04-20

Description

ОПТИЧЕСКИЙ ГИГРОМЕТР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТИОЙ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВOPTICAL HYGROMETER FOR DETERMINING ABSOLUTE HUMIDITY OF GASES

Полезная модель относится к области физико-химических измерений определение состава газовых смесей. Принцип действия оптического гигрометра - фотометрическиеизмерениядолипоглощеннойThe utility model relates to the field of physicochemical measurements, determining the composition of gas mixtures. The principle of operation of an optical hygrometer - photometric measurements

электромагнитной энергии - позволяет также отнести устройство к фотометрическим измерениям в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, известном в литературе как вакуумная ультрафиолетовая область спектра. Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов может быть использован в медицине, промышленности, газовом хозяйстве, науке и в различных службах охраны труда для измерения влагосодержания газов.electromagnetic energy - also allows you to attribute the device to photometric measurements in the extreme ultraviolet range, known in the literature as the vacuum ultraviolet region of the spectrum. An optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases can be used in medicine, industry, gas facilities, science and in various labor protection services to measure the moisture content of gases.

Пзвестны влагомеры 1-3, относящиеся к инфракрасной контрольноизмерительной технике, в частности к устройствам измерения влажности материалов и газов в различных отраслях промышленности. Как правило, эти влагомеры содержат два источника модулированного инфракрасного (ИК) излучения с длинами волн, соответствующими полосам поглощения и пропускания воды, два фотоприемника ПК-излучения, блок измерения отношения, подключенный к выходам приемников ПК-излучения. Пндикация значений влажности осуществляется после блока функционального преобразования отношения коэффициентов отражения контролируемого газа или материала.Moisture meters 1-3 are known, related to infrared measuring technology, in particular to devices for measuring the humidity of materials and gases in various industries. Typically, these moisture meters contain two sources of modulated infrared (IR) radiation with wavelengths corresponding to the absorption and transmission bands of water, two PC radiation photodetectors, and a ratio measuring unit connected to the outputs of the PC radiation receivers. The humidity values are displayed after the functional transformation block of the ratio of reflection coefficients of the gas or material being monitored.

Такие влагомеры характеризуются сложной конструкцией, высокой погрешностью проводимых измерений. Проведение измерений влажности в ПК области спектра может быть недостоверным, вследствие возможного влияния излучателей (характерным для которых является присутствие наряду с видимым ПК-излучения) на результаты проводимых измерений.Such moisture meters are characterized by a complex design, high measurement error. Conducting moisture measurements in the PC region of the spectrum may be unreliable, due to the possible influence of emitters (characteristic of which is the presence along with visible PC radiation) on the results of the measurements.

в измерительной технике существуют устройства, позволяющие измерять содержание компонентов в газовых смесях на основе эффектов взаимодействия вакуумного ультрафиолета (ВУФ) с веществом. Анализ классов изобретений GO 1 N9/36 и GO 1 N21/81 показал, что это приборы измерения влажности под общим названием «гигрометры мгновенного действия. Принцип действия таких приборов основан на явлении люминесценции, которую вызывает ВУФ излучение.In measurement technology, there are devices that can measure the content of components in gas mixtures based on the effects of the interaction of vacuum ultraviolet (VUV) with a substance. Analysis of the classes of inventions GO 1 N9 / 36 and GO 1 N21 / 81 showed that these are moisture measuring instruments under the general name "instantaneous hygrometers. The principle of operation of such devices is based on the phenomenon of luminescence caused by VUV radiation.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является гигрометр на поглощении вакуумного ультрафиолетового излучения парами воды 4, содержащий в оптическом блоке источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки сигнала, выход которого соединен с входом индикаторного устройства.Closest to the claimed utility model is a hygrometer for the absorption of vacuum ultraviolet radiation by water vapor 4, containing in the optical unit a source of linear VUV radiation and a sun-blind photodetector, the output of which is connected to a signal processing unit, the output of which is connected to the input of the indicator device.

В качестве источника ВУФ излучения использовалась водородная лампа с излучением на длине волны 121,6 нм. В качестве фотоприемника использовался счетчик фотонов - герметичный сосуд с окнами из фтористого лития, заполненный окисью азота. Излучение источника фокусировалось системой зеркал на фотоприемник, сигнал с которого служил аналитическим.A hydrogen lamp with radiation at a wavelength of 121.6 nm was used as a source of VUV radiation. A photon counter was used as a photodetector — a sealed vessel with lithium fluoride windows filled with nitric oxide. The source radiation was focused by a system of mirrors on a photodetector, the signal from which served as an analytical one.

Основным недостатком являются существенные искажения выходного аналитического сигнала вследствие фомоздкости конструкции. Как следствие этого прибор нуждается в тщательной градуировке, не позволяет работать при низких концентрациях, дает большие погрешности в измерениях, особенно в крайних частях диапазона относительной влажности - вблизи О % RH и вблизи к 100 % RH. Существенными недостатками такого гигрометра является малый срок службы (3-4 часа) и невозможность создания на его основе малогабаритного, надежного и пригодного к практической эксплуатации прибора.The main disadvantage is the significant distortion of the output analytical signal due to the complexity of the design. As a result of this, the device needs to be carefully calibrated, does not allow operation at low concentrations, and gives large measurement errors, especially in the extreme parts of the relative humidity range — near O% RH and close to 100% RH. Significant disadvantages of such a hygrometer are its short service life (3-4 hours) and the impossibility of creating a compact, reliable and suitable for practical use device on its basis.

Задачей заявляемой полезной модели является создание оптического гигрометра для определения абсолютной влажности газов, позволяющего достичь технический результат, заключающийся в повышении точностиThe objective of the claimed utility model is the creation of an optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases, which allows to achieve a technical result, which consists in increasing the accuracy

измерений, линеаризации аналитического сигнала, расширения диапазона измеряемых концентраций, упрощенной схемы калибровочных процедур.measurements, linearization of the analytical signal, expanding the range of measured concentrations, a simplified scheme of calibration procedures.

Для достижения этого технического результата в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов, содержащем в оптическом блоке источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник, выход которого соединен с блоком обработки сигнала, выход которого соединен с входом индикаторного устройства, оптический блок выполнен в виде герметичного узла, в котором источник линейчатого излучения и солнечно-слепой фотоприемник расположены на точно известном расстоянии друг от друга; блок обработки сигнала соединен с входом микроконтроллера, выход которого соединен с входом индикаторного устройства.To achieve this technical result in an optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases, containing in the optical unit a source of linear VUV radiation and a sun-blind photodetector, the output of which is connected to the signal processing unit, the output of which is connected to the input of the indicator device, the optical unit is made in the form of a sealed a node in which the line radiation source and the sun-blind photodetector are located at a known distance from each other; the signal processing unit is connected to the input of the microcontroller, the output of which is connected to the input of the indicator device.

Отличительными признаками заявляемой полезной модели от указанной выще известной, наиболее близкой к ней, являются наличие герметичного узла, в котором источник линейчатого ВУФ излучения и солнечно-слепой фотоприемник расположены на точно известном расстоянии друг от друга с целью измерения характеристик влажности в реальном масщтабе времени и повышения точности измерений, и использование микроконтроллера, в память которого введены значения упругости насыщенного водяного пара, что позволяет вычислять и выводить на индикаторное устройство основные величины влагосодержания и Благосостояния.The distinguishing features of the claimed utility model from the above known, closest to it, are the presence of a sealed unit in which the source of the linear VUV radiation and the sun-blind photodetector are located at a precisely known distance from each other in order to measure moisture characteristics in real time and increase accuracy of measurements, and the use of a microcontroller, in the memory of which the values of the elasticity of saturated water vapor are entered, which allows calculating and displaying on the indicator set oystvo basic quantities moisture and Welfare.

Заявляемая полезная модель поясняется следующей фигурой: Фигура 1 - функциональная схема заявляемой полезной модели оптического гигрометра для определения абсолютной влажности газов.The inventive utility model is illustrated by the following figure: Figure 1 is a functional diagram of the inventive utility model of an optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases.

Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов (фиг. 1) содержит оптический блок 1, блок обработки сигнала 2, микроконтроллер 3 и индикаторное устройство 4.An optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases (Fig. 1) contains an optical unit 1, a signal processing unit 2, a microcontroller 3 and an indicator device 4.

слепой фотоприемник 7 расположенные на точно известном расстоянии / друг от друга.blind photodetector 7 located at a precisely known distance / from each other.

В качестве источника 6 используется водородная лампа, излучающая линейчатый спектр в ВУФ. Регистрация ведется фотоприемником 7 на длине волны излучения лампы. Исследуемый газ подается в герметичный узел 5 в полость с длиной / находящуюся между источником и приемником. После чего сигнал с фотоприемника 7 усиливается и фильтруется в блоке обработки 2. После обработки сигнал поступает на микроконтроллер 3, в память которого введены значения упругости насыщенного водяного пара, что позволяет вычислять и выводить на индикатор 4 основные величины влагосодержания и влагосостояния. Вся конструкция полезной модели выполнена с целью измерения характеристик влажности в реальном масштабе времени и повышения точности измерений.As source 6, a hydrogen lamp is used that emits a line spectrum in the VUV. Registration is carried out by the photodetector 7 at the wavelength of the radiation of the lamp. The test gas is fed into the sealed unit 5 in a cavity with a length / located between the source and the receiver. After that, the signal from the photodetector 7 is amplified and filtered in the processing unit 2. After processing, the signal is transmitted to the microcontroller 3, in the memory of which the elasticity values of saturated water vapor are entered, which makes it possible to calculate and display the basic values of moisture content and moisture state on indicator 4. The entire design of the utility model is designed to measure moisture characteristics in real time and improve measurement accuracy.

Принцип измерения, реализованный в заявляемой полезной модели, основан на фундаментальном законе физики - законе поглощения электромагнитного излучения однородным столбом газа, известном как закон Ламберта-Бугера-Бера. Этот закон связывает концентрацию поглощающих атомов А с интенсивностями электромагнитного излучения, падающего на поглощающую среду I и излучения, прошедшего через поглощающий слойThe measurement principle, implemented in the claimed utility model, is based on the fundamental law of physics - the law of absorption of electromagnetic radiation by a homogeneous gas column, known as the Lambert-Bouguer-Beer law. This law relates the concentration of absorbing atoms A with the intensities of electromagnetic radiation incident on the absorbing medium I and radiation transmitted through the absorbing layer

1,1,-е ,(1)1,1th, (1)

где Л - концентрация - число поглощающих атомов в одном кубическом сантиметре; / - длина поглощающего столба; а - сечение поглощения атомная или молекулярная константа поглощающего вещества по физическому смыслу равная площади тени в квадратных сантиметрах от одного атома. Согласно закону Ламберта-Бугера-Бера натуральный логарифм отношения IQ /д зависит от числа атомов в единице объема линейно, то есть:where L is the concentration is the number of absorbing atoms in one cubic centimeter; / is the length of the absorbing column; and - absorption cross section the atomic or molecular constant of the absorbing substance in the physical sense is equal to the area of the shadow in square centimeters from one atom. According to the Lambert-Bouguer-Beer law, the natural logarithm of the ratio IQ / d depends linearly on the number of atoms in a unit volume, that is:

Aln/-yi:-A,(3)Aln / -yi: -A, (3)

где k - коэффициент поглощения.where k is the absorption coefficient.

В соответствии с уравнением измерения (3) для измерения концентрации молекул водяного пара в газовой среде необходимо измерить интенсивности светового потока, падающего на столб газа, содержащего влагу, и интенсивность светового потока, прошедшего через этот столб. Необходимым условием применимости закона к реальным условиям является наличие линий или полос поглощения влаги на той длине волны излучения, на которой ведутся измерения.In accordance with the measurement equation (3), to measure the concentration of water vapor molecules in a gaseous medium, it is necessary to measure the intensities of the light flux incident on a column of gas containing moisture and the intensity of the light flux passing through this column. A necessary condition for the applicability of the law to real conditions is the presence of lines or absorption bands of moisture at the radiation wavelength at which measurements are made.

Пары воды в видимом диапазоне длин волн полос поглощения не имеют. Хорошо известны инфракрасные полосы поглощения воды, соответствующие колебательно - вращательным степеням свободы молекулы воды. В коротковолновой области пары воды начинают поглощать, начиная с длины волны 185 нм. Это поглощение соответствует электронным переходам, а это значит, что сечение поглощения воды в этой области, называемой вакуумным ультрафиолетом, является молекулярной константой, то есть не зависит от внешних условий и определяется только структурой и индивидуальными свойствами молекулы воды.Water vapor in the visible wavelength range does not have absorption bands. The infrared absorption bands of water are well known, corresponding to vibrational - rotational degrees of freedom of a water molecule. In the short-wavelength region, water vapor begins to absorb, starting at a wavelength of 185 nm. This absorption corresponds to electronic transitions, which means that the absorption cross section of water in this region, called vacuum ultraviolet, is a molecular constant, that is, it does not depend on external conditions and is determined only by the structure and individual properties of the water molecule.

В качестве рабочей длины волны в заявляемой полезной модели выбрана длина волны резонансного перехода водорода. Определяющих моментов для такого выбора можно указать два. Первый - на длине волны 121,6 нм у воды имеется мощная полоса поглощения с сечением во много раз превыщающим сечения большинства компонентов воздуха. Например, у кислорода - основного поглощающего компонента воздуха в вакуумном ультрафиолете - сечение поглощения в 20 раз меньще, чем у молекул воды. Второй - на длине волны 121,6нм имеются высокостабильные источники света - водородные лампы, что позволяет создать датчики абсолютной влажности на изделиях, выпускаемых отечественной оптической промышленностью.As the working wavelength in the inventive utility model, the wavelength of the resonant transition of hydrogen is selected. The defining points for such a choice can be specified two. The first - at a wavelength of 121.6 nm, water has a powerful absorption band with a cross section many times greater than the cross section of most air components. For example, in oxygen - the main absorbing component of air in a vacuum ultraviolet - the absorption cross section is 20 times smaller than that of water molecules. The second - at a wavelength of 121.6 nm there are highly stable light sources - hydrogen lamps, which allows you to create absolute humidity sensors on products manufactured by the domestic optical industry.

Проблема регистрации аналитического сигнала на длине волны резонансной линии водорода решена в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов без использования диспергирующего элемента. Излучение с длинами волн большими 190 нм отрезается чувствительностью солнечно-слепого фотоприемника 7. Область спектра с длинами волн короче 110 нм отрезается прозрачностью окна из фтористого магния, которое имеется у водородной лампы 6 и у фотоприемника 7. В выделенном оптической системой диапазоне 110190 нм в спектре излучения водородной лампы имеется только одна линия резонансный переход водорода 121,6 нм.The problem of recording an analytical signal at a wavelength of the resonance line of hydrogen is solved in an optical hygrometer to determine the absolute humidity of gases without the use of a dispersing element. Radiation with wavelengths longer than 190 nm is cut off by the sensitivity of a sun-blind photodetector 7. The region of the spectrum with wavelengths shorter than 110 nm is cut off by the transparency of the magnesium fluoride window, which is present in the hydrogen lamp 6 and in the photodetector 7. In the spectrum allocated by the optical system, 110190 nm in the spectrum radiation of a hydrogen lamp there is only one line resonant transition of hydrogen 121.6 nm.

Оптический датчик влажности, включающий в себя элементы 5-7 (см. фиг. 1), является безинерционным и, в принципе, не требует калибровки по стандартам влажности, так как аналитический сигнал однозначно связан с числом молекул воды в единице объема фундаментальным выражением закона Ламберта-Бугера-Бера (1). Поэтому токовый сигнал с фотоприемника 7, пропорциональный падающему излучению, можно записать в виде отношения:The optical humidity sensor, which includes elements 5-7 (see Fig. 1), is inertia-free and, in principle, does not require calibration according to humidity standards, since the analytical signal is uniquely related to the number of water molecules in a unit volume by the fundamental expression of Lambert's law -Bouguer-Bera (1). Therefore, the current signal from the photodetector 7, proportional to the incident radiation, can be written in the form of a ratio:

i i,(4)i i, (4)

где / - токовый сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности излучения //2/6 на длине волны Я 121,6 нм при фиксированном расстоянии / 7 О от водородной лампы 6 до фотоприемника 7 (см. фиг. 1); i - токовый сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности излучения /„ при фиксированном расстоянии / 0; a сечение поглощения паровwhere / is the current signal from the photodetector proportional to the radiation intensity // 2/6 at a wavelength of I 121.6 nm at a fixed distance of / 7 O from the hydrogen lamp 6 to the photodetector 7 (see Fig. 1); i is the current signal from the photodetector proportional to the radiation intensity / „at a fixed distance / 0; a vapor absorption cross section

воды на длине волны Я 121,6 нм, хорошо известное из литературы.water at a wavelength of I 121.6 nm, well known from the literature.

Важной особенностью заявляемой полезной модели является возможность изменения его чувствительности, т.е. изменения коэффициента поглощения k в формуле (3) за счет изменения длины поглощающего столба. Это легко достигается изменением расстояния / от водородной лампы 6 до фотоприемника 7 (см. фиг. 1).An important feature of the claimed utility model is the possibility of changing its sensitivity, i.e. changes in the absorption coefficient k in formula (3) due to changes in the length of the absorbing column. This is easily achieved by changing the distance / from the hydrogen lamp 6 to the photodetector 7 (see Fig. 1).

Еще одной особенностью гигрометра является возможность его калибровки практически по одной, какой либо определенной концентрации парогазовой смеси, например, по осушенному воздуху, для которого концентрация может считаться равной нулю. Определив аналитический сигнал в одной точке, вся шкала прибора может быть построена на основании закона Ламберта-Бугера-Бера (1, 2) и выражения (4).Another feature of the hygrometer is the ability to calibrate it using almost any particular concentration of a vapor-gas mixture, for example, dried air, for which the concentration can be considered equal to zero. Having determined the analytical signal at one point, the entire scale of the device can be constructed on the basis of the Lambert-Bouguer-Beer law (1, 2) and expression (4).

Датчик влажности представляет собой пару водородная лампа фотоприемник, выполненную в вакуумно-чистом конструктиве из фторопласта - герметичном узле 5. Водородная лампа питается от источника постоянного напряжения 350 Вольт. Цепь питания имеет стабилизатор тока, который может регулироваться в пределах 20 %. Фотоприемник имеет блок питания с постоянным напряжением в 50 Вольт.The humidity sensor is a pair of a hydrogen lamp photodetector made in a vacuum-clean construct made of fluoroplastic - a sealed unit 5. The hydrogen lamp is powered by a 350 volt DC source. The power circuit has a current regulator, which can be regulated within 20%. The photodetector has a power supply with a constant voltage of 50 volts.

Для измерения влажности газа в общепринятых единицах сигнал с фотоприемника 7 после блока обработки сигнала 2 вводится в микроконтроллер 3, в память которого записаны характеристики водяного пара (уравнение упругости паров воды при различных температурах). Микроконтроллер по программе проводит вычисления по формуле (2), для чего предварительно при калибровке заявляемой полезной модели определяется коэффициент поглощения k из формулы (3). Это сделано потому, что для прецизионных измерений необходимо не только точно знать сечение поглощения, но и точно установить расстояние / между водородной лампой 6 и фотоприемником 7. Поскольку это расстояние составляет миллиметры или доли миллиметров, неточности в установке расстояния между лампой и фотоприемником могут сильно исказить результат.To measure the humidity of the gas in conventional units, the signal from the photodetector 7 after the signal processing unit 2 is input into the microcontroller 3, in the memory of which the characteristics of water vapor (the equation of vapor pressure of water at different temperatures) are recorded. According to the program, the microcontroller performs calculations according to the formula (2), for which purpose, when calibrating the claimed utility model, the absorption coefficient k is determined from formula (3). This is done because for precision measurements it is necessary not only to know the absorption cross-section accurately, but also to accurately determine the distance / between the hydrogen lamp 6 and the photodetector 7. Since this distance is millimeters or fractions of millimeters, inaccuracies in setting the distance between the lamp and photodetector can greatly distort result.

Использование микроконтроллера 3 в оптическом гигрометре для определения абсолютной влажности газов позволяет проводить прямые измерения абсолютной влажности, вычислять относительную влажность по совместным измерениям температуры и определять точку росы, опираясь на уравнение упругости воды, введенное в память.The use of microcontroller 3 in an optical hygrometer to determine the absolute humidity of gases allows direct measurements of absolute humidity, calculation of relative humidity from joint temperature measurements, and determination of the dew point based on the equation of elasticity of water entered into memory.

Возможности микроконтроллера позволяют также минимизировать случайную ногрешность измерений набором статистики и усреднением результата но большому числу независимых измерений.The capabilities of the microcontroller also make it possible to minimize random measurement error by a set of statistics and averaging the result, but a large number of independent measurements.

Использованные источникиUsed sources

1.Патент RU 98108381, МПК GO 1 N21/28. Инфракрасный влагомер. /Шестов А.Н./ Опубл. 10.02.2000 г.1. Patent RU 98108381, IPC GO 1 N21 / 28. Infrared moisture meter. / Shestov A.N. / Publ. 02/10/2000

2.Патент RU 2059227, МПК G01N21/28. Влагомер (варианты). /Мухамедяров Р.Д., Харисов Р.И./ Опубл. 27.04.1996 г.2. Patent RU 2059227, IPC G01N21 / 28. Hygrometer (options). / Mukhamedyarov R.D., Kharisov R.I. / Publ. 04/27/1996

3.Патент RU 94012655, МПК GO 1 N21/28. Способ контроля влажности анализируемого материала и инфракрасный влагомер для его осуществления. /Гордеев Н.Н., Денисюк В.А., Забудский И.П., Костенко В.И., Лимонт Ю.Б., Синицын В.А./ Опубл. 10.12.1995 г.3. Patent RU 94012655, IPC GO 1 N21 / 28. A method of controlling the humidity of the analyzed material and an infrared hygrometer for its implementation. / Gordeev N.N., Denisyuk V.A., Zabudsky I.P., Kostenko V.I., Limont Yu.B., Sinitsyn V.A. / Publ. 12/10/1995

4.Tillman J.E. Water vapor density measurement utilizing the absoфtion of vacuum ultraviolet and infrared radiation. Измерение концентрации водяного пара с использованием поглощения вакуумного ультрафиолета и ИК излучения. // Humidity and Moisture, Vol. 1, pp. 428 - 443. North Carolina. Instrument Society of America. 1965.4.Tillman J.E. Water vapor density measurement utilizing the absoction of vacuum ultraviolet and infrared radiation. Measurement of the concentration of water vapor using the absorption of vacuum ultraviolet and infrared radiation. // Humidity and Moisture, Vol. 1, pp. 428 - 443. North Carolina. Instrument Society of America. 1965.

(прототип)(prototype)

Claims

An optical hygrometer for determining the absolute humidity of gases, containing in the optical unit a source of linear VUV radiation and a sun-blind photodetector, the output of which is connected to a signal processing unit, the output of which is connected to the input of an indicator device, characterized in that the optical unit is made in the form of a sealed unit, in which the line radiation source and the sun-blind photodetector are located at a precisely known distance from each other, the signal processing unit is connected to the input of the microcontroller, d is connected to an input of the display device.