Изобретение относится к области приборостроению и предназначено для питания электролитического гигрометра.

При разработке источника питания для электролитического гигрометра была поставлена задача максимального упрощения его схемы при сохранении четкого выполнения всех рабочих функций.

Источник питания с балластным конденсатором и разделительным трансформатором завоевал популярность благодаря малым габаритам и тем, что он гальванически не связаны с сетью. Однако при разработке таких устройств необходимо учитывать ряд факторов, чтобы исключить аварийные ситуации, в результате которых могут выйти из строя не только источник питания, но и нагрузка. В практике широкое применение нашли источники с балластным конденсатором и разделительным трансформатором. Подобное решение позволяет конструировать малогабаритные источники питания.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства. Трансформатор Т1 выполняет функцию разделительного. Он работает при малом входном и выходном напряжении. Его конструкция весьма проста. Конденсатор С1 - балластный, а резистор R2 ограничивает импульс тока при включении. Напряжение на первичной обмотке трансформатора ограничивают стабилитроны VD1 и VD2.

В колебательном контуре, состоящем из конденсатора С1, индуктивности первичной обмотки трансформатора L и приведенного к первичной обмотке сопротивления нагрузки R_Н, возможен резонанс, который может привести к выходу из строя источника питания.

Допустим, что в нагруженном источнике на первичной обмотке напряжение равно 20 В (типичный случай). Это означает, что приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки R_Н примерно в 10 раз меньше емкостного сопротивления |X_С1| конденсатора С1 и образует с ним делитель напряжения 10: 1 (приближенно), т.е. |X_С1|=10 R_Н. При правильно рассчитанном трансформаторе индуктивное сопротивление первичной обмотки |X_L| должно примерно в 10 раз превышать приведенное к первичной обмотке сопротивление нагрузки R_Н поэтому добротность упомянутого контура крайне низка, никакого резонанса быть не может.

Совершенно иная ситуация возникает при отключенной нагрузке (на холостом ходу). Если выполняются указанные выше соотношения |X_С1|=10R_Н и |X_L|=10R_Н, то |X_С1|=|X_L| и возникает резонанс. Если на вход вместо сетевого подать напряжение 1.2 В, то на первичной обмотке ненагруженного трансформатора оно за счет резонанса увеличится в 10 и более раз - добротность получившегося контура достаточно большая, однако при подаче сетевого напряжения такого подъема не будет. С увеличением напряжения на обмотке сверх номинального (20 В) магнитопровод трансформатора входит в насыщение, его индуктивность уменьшается, и контур перестает быть настроенным в резонанс.

Однако, если трансформатор выполнен с хорошим запасом по допустимому входному напряжению, подъем может быть весьма значительным. Это вызовет увеличение напряжения на конденсаторе С1 по сравнению с работой в номинальном режиме, и если конденсатор выбран без запаса - может произойти пробой. Возможны и другие не менее тяжелые последствия. Поэтому, как и для бестрансформаторного источника питания с балластным конденсатором, недопустима работа без номинальной нагрузки.

Наше решение - подключение стабилитрона к выходу источника.

В момент подключения (или отключения) источника питания к сети в его цепях происходит переходный процесс, который через некоторое время сменяется установившимся режимом. Не вдаваясь в теоретические основы переходных процессов, отметим два закона коммутации:

1. Ток в дросселе (приборе с индуктивным сопротивлением) не может изменяться скачком, или, иначе, ток после коммутации имеет то же значение, которое он имел в момент, непосредственно предшествующий коммутации.

электролитический гигрометр приборостроение стабилитрон

2. Напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, или, иначе, напряжение после коммутации имеет то же значение, что и непосредственно до коммутации.

При подключении источника питания к сети конденсатор еще не заряжен и падение напряжения на нем равно нулю. Ток в индуктивности не может возникнуть мгновенно, поэтому напряжение на резисторе равно нулю и сетевое напряжение полностью приложено к первичной обмотке трансформатора, которая рассчитана на существенно меньшее значение. Именно при включении возникает высокая опасность межвиткового пробоя и исчезает преимущество в простоте исполнения трансформатора с намоткой "внавал", чем он и заслужил широкую популярность. Особенно опасно подключение источника питания к сети, в которой в этот момент действует амплитудное или близкое к нему напряжение. Актуальное значение приобретает задача ограничения напряжения на первичной обмотке в момент подключения. Токоограничительный резистор не спасает в такой ситуации. Это заставляет искать иное решение, позволяющее предупредить возможность межвиткового пробоя в трансформаторе и защитить элементы источника питания от повышенного в десятки раз напряжения.

Ограничитель напряжения на двух встречно-последовательно включенных параллельно первичной обмотке стабилитронах позволяет решить эту задачу. Для каждого полупериода ограничитель работает как параметрический стабилизатор напряжения на первичной обмотке трансформатора. Балластную функцию выполняет при этом в основном токоограничительный резистор R2. Резистор должен быть рассчитан на кратковременный ток перегрузки, а стабилитроны, как правило, обеспечивают его.

Если в номинальном режиме стабилитроны открываются и работают как стабилизаторы, может возникнуть разность амплитуд импульсов выпрямленного тока положительной и отрицательной полуволн. Такой эффект объясняется тем, что положительные полуволны стабилизирует один стабилитрон, а отрицательные - другой. Известно, что напряжение стабилизации двух экземпляров стабилитронов даже одной партии может значительно различаться. Это порождает дополнительную составляющую пульсации частоты 50 Гц, которую труднее подавить сглаживающим фильтром, чем 100 Гц.

Для уменьшения дополнительной составляющей пульсации, возникающей из-за различия напряжения стабилизации, можно рекомендовать вместо встречно-последовательного соединения двух стабилитронов включить один стабилитрон в диагональ диодного моста параллельно первичной обмотке. Это позволит сохранить надежность блока питания.

Если не предъявляются повышенные требования к стабильности выходного напряжения, можно рекомендовать подборку стабилитронов с минимальным напряжением стабилизации на 1.3 В больше максимального амплитудного напряжения на первичной обмотке в установившемся режиме. Параметрический стабилизатор в этом случае будет выполнять функции только ограничителя напряжения в момент включения и на холостом ходу. А после выхода блока питания на установившийся режим он автоматически отключается, значительно повышая экономичность источника.

Датчик электролитический гигрометр (марка Байкал-5), который подключается к источнику питания с балластным конденсатором и разделительным трансформатором позволяет определить объемные доли влаги и абсолютной влажности в азоте и воздухе. Используется в технологических процессах, связанных с получением и осушкой воздуха и азота, а также для научных исследований.

Принцип действия гигрометра основан на непрерывном поглощении влаги из точно дозируемого потока газа влагосорбирующей пленкой чувствительного элемента и одновременно электролитическом разложении поглощенной влаги на водород и кислород. В установившемся режиме работы чувствительного элемента количество электричества, затраченное на электролиз влаги, является мерой объемной доли влаги в анализируемом газе.

На фиг.2 приведена конструктивная схема электролитического датчика, состоящая из тефлоновой оболочки (1), трубки для пропускания воздуха (2), электродов (3), корпуса из нержавеющей стали (4) и соединительных зажимов (5).

Чувствительный элемент такого гигрометра состоит из трубки длиной 10 см, в котором размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (P₂O₅) между ними. Исследуемый газ циркулирует в измерительной трубке, а содержащийся в нем водяной пар поглощается фосфорным ангидридом, который превращается при этом в фосфорную кислоту. Между электродами создается постоянное напряжение около 70В, вызывающее электролиз воды с выделением кислорода и водорода и регенерацию фосфорного ангидрида.

Гигрометр по устойчивости к воздействию окружающей и анализируемой сред имеет обыкновенное исполнение и устанавливается во взрывобезопасных помещениях.

Гигрометр Байкал-5 имеет следующие устройства:

1) автоматическое устройство сигнализации о неисправности чувствительного элемента;

2) устройство сигнализации о перегрузке по влажности;

3) устройство сигнализации о достижении заданного значения объемной доли влаги в анализируемом газе;

4) автоматическое устройство обработки и представления измерительной информации;

5) устройство защиты чувствительного элемента от перегрузки по влажности и при аварийном отключении электрической сети.

Технические характеристики:

1) унифицированные выходные сигналы постоянного тока 0.5, 4.20 мА, напряжением 0.10 мB;

2) диапазоны измерений объемной доли влаги 0.200 ррм, абсолютной влажности 0.150 мг/м3;

3) предел основной приведенной погрешности плюс/минус 4%;

4) общий расход анализируемого газа при входном давлении 200 кПа не более 1000 см3/мин;

5) Параметры анализируемой среды температура +5. +50 ^оС, давление 200.1000 кПа;

6) рабочие условия применения температура +5. +400С, атмосферное давление 96.104 кПа;

7) питание 220 В/50 Гц;

8) габаритные размеры и масса измерительного прибора 320 x 200 x 185 мм; 6,5 кг

Формула изобретения