Датчик парциального давления водяного пара

Предполагаемая полезная модель относится к измерительной технике. Цель полезной модели - создание датчика парциального давления водяного пара для измерения в диапазоне от 0 до 13,3 Па. В основу работы датчика положен электролитический метод измерений. Сущность этого метода заключается в поглощении молекул водяного пара, попадающих из атмосферного воздуха на рабочую поверхность датчика. Рабочая поверхность датчика состоит из стеклянной цилиндрической пробирки, двух платиновых электродов, 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. Новым для датчика парциального давления водяного пара является то, что массоперенос молекул водяного пара из атмосферного воздуха осуществляется на внешнюю поверхность рабочей части датчика, а ток электролиза определяется величиной парциального давления водяного пара, температурой и геометрическими размерами рабочей части датчика. Предлагаемый датчик иллюстрируется чертежом. Технические характеристики подтверждаются двумя таблицами.

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^-1 до 1,07·10 ⁵ 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.

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 Р₂О₅. 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.

Р ₂O₅+Н₂O2НРО₃

2НРО₃Н₂+1/2O₂+Р ₂O₅

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

Датчик парциального давления водяного пара, состоящий из стеклянной цилиндрической пробирки, отличающийся тем, что на наружной поверхности расположены два платиновых электрода в виде геликоидальных несоприкасающихся спиралей, промежутки между ними заполнены пленкой сорбента из фосфорного ангидрида, а парциальное давление водяного пара при стабильной положительной температуре и выбранными геометрическими размерами определяется величиной тока электролиза молекул водяного пара, попадающих на рабочую поверхность датчика.