Методи вимірювання вологості повітря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вологість повітря

При дослідженні вологості повітря, як відомо, слід розрізняти наступні поняття:

Абсолютна вологість F_abs показує, яка кількість води міститься в 1мі повітря:

F_abs = маса води / об'єм повітря (г/мі).

Вологість насичення F_sat характеризує максимальну кількість води, яка може міститись в 1мі повітря при певній температурі і атмосферному тиску без створення конденсату:

F_sat(T) = максимальна кількість води / об'єм повітря (г/мі)

Залежність вологості насичення від температури (Т) представлена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Залежність вологості насичення від температури

Відносна вологість F_rel - це виражене в відсотках відношення абсолютної вологості до вологості насичення:

По цій причині відносна вологість також залежить від температури, як це показано на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Сімейство характеристик абсолютної і відносної вологості повітря при різних температурах

До основних методів вимірювання вологості належать наступні методи:

Психрометричний метод

Для вимірювання психрометричного ефекту психрометр має два однакові термометри, в одного з яких (мокрого) теплосприймаюча частина весь час залишається вологою, оскільки стикається з гігроскопічним тілом, яке всмоктує воду з посудини. При випаровуванні вологи зі зволоженої поверхні мокрого термометра його температура знижується. В результаті між сухим і мокрим термометрами створюється різниця температур, названа психрометричною різницею. Залежність відносної вологості ц від психрометричної різниці t_{C -} t_B має вигляд:

,

де р_в - тиск насиченої пари піддослідного середовища при температурі t_B вологого термометра; р_с - тиск насиченої пари піддослідного середовища при температурі t_c сухого термометра; А - психрометричний коефіцієнт, який залежить від конструкції психрометра, швидкості обдування вологого термометра газом і тиску газу.

Коефіцієнт А визначають за психрометричними таблицями, складеними для психрометрів певних конструкцій. Найбільше впливає на величину А швидкість обдування вологого термометра. Із зростанням швидкості газового потоку А швидко зменшується і при швидкості більше 2,5…3 м/с практично залишається постійним. У промислових психрометрах передбачені пристрої, що забезпечують постійну швидкість газового потоку не менше 3…4 м/с. В електричних психрометрах застосовують термометри термоелектричні, напівпровідникові і металеві термометри опору.

Термоелектричні давачі виготовляють у вигляді термобатарей, розділених на дві групи, одна з яких змочується. ЕРС, виміряна на виводах термобатарей, пропорційна психрометричній різниці температур.

Електричні психрометри забезпечують стандартними термометрами опору.

На рис. 3 приведена принципова схема електричного психрометра з термометрами опору.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Схема електричного психрометра

Вимірювальна частина приладу складається з двох мостів І і ІІ. Обидва мости живляться змінним струмом від обмотки силового трансформатора електронного підсилювача і мають два загальні плеча R₁ і R₃. Сухий термометр опору R_TC включений в плече моста І, мокрий R_TM - в плече моста ІІ.

Міст І утворений постійними резисторами R₁, R₂, R₃, R_ТС, а міст ІІ - резисторами R₁, R₃, R₄ і R_TM. Різниця потенціалів на вершинах а і b діагоналі моста І пропорційна температурі сухого термометра опору, а різниця потенціалів на вершинах а та с - температурі мокрого термометра опору.

Спад напруги між точками b і с діагоналі подвійного моста пропорційний різниці температур сухого і мокрого термометрів опору. Рівновага вимірювальної схеми встановлюється автоматично зміною положення повзунка R_p, що приводиться в рух реверсивним двигуном РД. Одночасно переміщується стрілка приладу.

Шкала приладу проградуйована в одиницях вимірювання відносної вологості (%). При від'ємних температурах (не дуже низьких) для змочування мокрого термометра застосовують 3% водний розчин формальдегіду.

Переваги психрометричного методу - достатня точність при додатних температурах і незначна інерційність; недоліки - залежність результатів вимірювання від швидкості руху газів і коливань атмосферного тиску, зменшення чутливості і зростання похибки з пониженням температури.

Метод точки роси передбачає охолодження піддослідного газу до настання насичення, тобто до точки роси. Цим методом можна вимірювати вологість газу при будь-якому тиску.

При постійному тиску точка роси не залежить від температури піддослідного газу. Для визначення моменту настання точки роси використовують охолоджене металеве дзеркало, температуру якого у момент випадання на ньому конденсату фіксують як точку роси. Робоча поверхня дзеркала повинна бути знежирена. За наявності в піддослідному газі пилу, масел, важких вуглеводнів й інших забруднень необхідно передбачити автоматичне очищення поверхні дзеркала перед кожним вимірюванням.

У автоматичних приладах поява точки роси на дзеркальній поверхні визначається за ослабленням світлового потоку, відбитого від дзеркала і сприйнятого фотоприймачем.

На рис. 4 показана принципова схема конденсаційного гігрометра точки роси. Охолоджувачем є напівпровідникова термоелектрична батарея 4, що працює за принципом ефекту Пельтьє. Цей ефект полягає в підвищенні температури одного спаю і пониженні температури іншого спаю при проходженні струму в термоелектричному колі. До холодного спаю напівпровідникового термоелемента припаяне металеве дзеркало 5; сила струму, що проходить через термоелемент, регулюється реостатом R. До його поверхні припаяний малоінерційний термоелектричний перетворювач 6, підключений до вторинного приладу 7, шкала якого проградуйована в одиницях вимірювання вологості. Промені світла від джерела 1 через лінзу 2 прямують на дзеркало і, відбившись від його поверхні, потрапляють на фотоелемент 8. Фотоелемент включений в електронний блок 9, до виходу якого включене поляризоване реле 10.

За відсутності конденсату на поверхні дзеркала падаючий на нього світловий потік майже повністю відбивається й освітлює фотоелемент. При цьому спрацьовує реле, замикається контакт 11, що включає живлення напівпровідникової батареї. Остання охолоджує дзеркало до появи на його поверхні конденсату. При температурі точки роси зростає розсіяння світлового потоку, що різко знижує освітленість фотоелемента. Струм в реле змінює свій напрям, і контакт його вимикає живлення батареї 4. Поверхня дзеркала обдувається вентилятором 3, внаслідок чого конденсат випаровується, а світловий потік, падаючий на фотоелемент, зростає. Розглянутий цикл повторюється.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Принципова схема конденсаційного гігрометра точки роси

Існують вологоміри з дещо зміненим принципом дії. У них температура дзеркала підтримується постійною, а конденсат випадає на поверхні дзеркала при зміні тиску газу.

Сорбційні методи

Сорбційно-електролітичні вологоміри вологість газу визначають за електричною провідністю ненасичених водних розчинів електролітів, що містяться у вологочутливому елементі (електролітичні гігрометри).

У електролітичному гігрометрі (рис. 5) як вологочутливий елемент використовується хлористий літій.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Принципова схема електролітичного гігрометра

Насичений розчин хлористого літію нагрівається до температури, при якій парціальний тиск водяної пари над розчином рівний парціальному тиску пари в атмосфері. Отже, за принципом дії електролітичні гігрометри з підігрівним перетворювачем аналогічні гігрометрам точки роси, але мають ту перевагу, що нагрівати перетворювач значно легше і простіше, ніж охолодити дзеркало в приладах точки роси.

Чутливий елемент 1 приладу є тонкостінною трубкою з корозійностійкої сталі, яка покрита шаром скляної вати 2, що просочена розчином хлористого літію. На скляну вату намотані ізольовані одна від одної спіралі 3 (електроди) з срібного дроту. Зверху на елемент надіта металева трубка з сітчастою вставкою, яка затримує сильні газові потоки. Усередині трубки 1 розміщений малоінерційний термометр опору 4, до якого підключений вимірювальний прилад 5. Срібні спіралі живляться напругою 25…30 В змінного струму (щоб уникнути поляризації) через резистор R.

Температура хлористого літію безперервно і автоматично встановлюється на точці роси. Це досягається так. При подачі напруги на срібні спіралі через розчин хлористого літію проходить електричний струм, нагріваючи розчин до температури кристалізації хлористого літію; утворення твердої солі призводить до різкого збільшення опору простору між електродами, сила струму зменшується і температура перетворювача знижується. Пониження температури продовжується до тих пір, доки, внаслідок поглинання вологи з навколишнього середовища, провідність розчину між електродами знов не підвищиться, що викличе збільшення сили струму і підвищення температури перетворювача. Таким чином температура в перетворювачі автоматично підтримується зрівноваженою і відповідає вологості газового середовища, що оточує перетворювач.

Для точного вимірювання вологості температура піддослідного газу повинна бути нижчою зрівноваженої температури чутливого елемента, але вищою за точку роси.

Вторинний прилад, підключений до термометра опору (зрівноважений міст або логометр), градуюють в одиницях абсолютної вологості. За наявності другого термометра опору, що вимірює температуру навколишнього середовища, можна вимірювати відносну вологість.

Електролітичні гігрометри застосовують для будь-яких газів, що не впливають на розчин хлористого літію. Градуювання перетворювачів стійке в часі; перетворювачі взаємозамінні. Покази приладів не залежать від тиску. Основний недолік вологомірів з підігрівними перетворювачами - вузькі межі їх застосування.

Сорбційно-кулонометричні вологоміри. Принципова схема кулонометричного вологоміра наведена на рис. 5.53, а. У внутрішньому каналі циліндричного пластмасового корпусу 1 розміщені два металеві електроди 2, виконані у вигляді спіралей гелікоїдів, що не доторкуються одна до одної. Між електродами нанесена плівка 3 частково гідратованого п'ятиоксиду фосфору, що володіє дуже хорошою висушувальною здатністю. Через чутливий елемент в напрямку, вказаному стрілками, неперервно проходить піддослідний газ із постійною витратою. Геометричні розміри чутливого елемента і витрату піддослідного газу підбирають так, щоб волога практично повністю витягувалася з газу. Зазвичай довжина каналу чутливого елемента декілька десятків сантиметрів, діаметр 0,5…2 мм; діаметр електродів (платинових, родієвих) не більше 0,2 мм.

Поглинена волога, з'єднуючись з речовиною плівки 3, утворює концентрований розчин фосфорної кислоти з високою питомою електричною провідністю.

До електродів підключене джерело постійної напруги, яке повинне перевищувати потенціал розкладання води; тому одночасно з поглинанням вологи відбувається її електроліз. Отримані в процесі електролізу кисень і водень виносяться потоком піддослідного газу. У сталому режимі кількість поглиненої і розкладеної за одиницю часу води однакова і, отже, відповідно до закону Фарадея сила струму, що вимірюється мікроамперметром, включеним послідовно з джерелом живлення, є мірою концентрації вологи в піддослідному газі. При цьому припускають, що сила струму, обумовлена побічними явищами провідності, незначна і нею можна знехтувати.

Вологість, (г/см³):

,

де І - сила струму електролізу, A; Q - витрата газу, см³/с; Е - електрохімічний еквівалент.

Переваги кулонометричних вологомірів - незалежність показників від напруги джерела живлення і складу газу. Часткове забруднення плівки сорбенту і навіть віднесення частини плівки істотно не впливають на покази приладу. Метод є абсолютним і не вимагає градуювання приладу на еталонних газових сумішах.

Серйозне обмеження - вимога відсутності в піддослідних газах слідів компонентів, що мають лужну реакцію. Навіть невеликі домішки аміаку або амінів призводять до швидкого виходу з ладу чутливих елементів приладу. Домішки пари спиртів у газі можуть значно спотворити покази приладу, оскільки спирти гідролізуються на п'ятиоксиді фосфору з утворенням води. Небажані компоненти газу можна видалити за допомогою відповідних фільтрів.

Сорбційно-кулонометричні вологоміри застосовують для вимірювання мікроконцентрації вологи в газах.

На рис. 6, б наведена принципова схема дифузійного кулонометричного вологоміра. На центральному циліндричному стержні 1 з електроізоляційного матеріалу розміщені два спіральні металеві електроди 2. Між електродами нанесений шар 3 частково гідратованого п'ятиоксиду фосфору. Міліамперметр підключений безпосередньо до торцевих металевих вставок 4. Поряд із стержнем розташована вологопроникаюча перегородка 5 (з полімерних плівок, металокераміки і т. п.), що створює дифузійний бар'єр. Перетворювач розміщують безпосередньо в технологічному апараті або трубопроводі, через який протікає піддослідний газ.

Кількість вологи, що надходить до активної плівки чутливого елемента за одиницю часу, визначається дифузійним опором бар'єру і концентрацією вологи в газі. Конструктивні параметри чутливого елементу підбирають так, щоб вся волога, що надходить до активної плівки, поглиналася і піддавалася електролізу. В цьому випадку сила струму електролізу, виміряна мікроамперметром, визначається вологовмістом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис. 6. Принципові схеми кулонометричного (а) і дифузійного кулонометричного (б) вологомірів

Відмінність описаного приладу від чутливого елемента звичайного кулонометричного вологоміра полягає в тому, що з потоку піддослідного газу витягується не вся волога, а тільки та частина, яка проникає через дифузійний бар'єр.

Дифузійні кулонометричні вологоміри порівняно зі звичайними кулонометричними мають ряд переваг. Відпадає необхідність у пристрої для підтримки точної витрати газу. По суті, функцію регулятора витрати в цьому приладі виконує дифузійний бар'єр. Можливість розташування перетворювача безпосередньо в піддослідному середовищі дозволяє значно покращити динамічні характеристики приладу, оскільки виключаються транспортні запізнення, пов'язані з наявністю комунікацій. Діапазон вимірювання можна розширити у бік великих концентрацій.

П'єзосорбційні гігрометри. Чутливий елемент п'єзосорбційних гігрометрів є пластиною кварцового резонатора, на поверхню якої нанесена плівка гігроскопічного матеріалу.

У результаті процесів сорбції або десорбції водяної пари плівкою збільшується або зменшується маса гігроскопічного покриття і, як наслідок цього, змінюється частота коливань п'єзосорбційного чутливого елемента. У сталому режимі частота коливань є мірою вологості навколишнього середовища.

Зміни маси речовини на кварцовій пластині і власної частоти коливань зв'язані рівнянням

де ?f - зміна власної частоти коливань; f - власна частота коливань; N - частотний коефіцієнт; с - густина кварцу; s - площа пластини; ?m - зміна маси сорбованої водяної пари.

Відношення визначається властивостями п'єзоелектричного матеріалу, тому рівняння приймає вид

?f =k?m.

Конструктивно п'єзосорбційний чутливий елемент доволі простий. Метрологічні характеристики п'єзосорбційних чутливих елементів визначаються, головним чином, правильним вибором матеріалу сорбенту і технології його нанесення на поверхню п'єзоелемента.

За допомогою кварцового резонатора, який коливається на частоті 15 МГц, можна визначити зміну ?m на рівні 10^-11, що свідчить про надзвичайно високу чутливість п'єзокварцових елементів. Крім того, до їх переваг слід віднести можливість визначення вологості в широкому діапазоні, швидкодію, легкість перетворення частотного виходу в цифрову форму.

При використанні високоефективних сорбентів, таких, як цеоліти, силікагель, сульфований полістирол, п'єзосорбційний метод може бути застосований для вимірювання мікроконцентрацій вологи в газах. У цьому випадку за чутливістю він співрозмірний з сорбційно-кулонометричним методом, але на відміну від нього може бути застосовний для аналізу середовищ, які містять компоненти, що реагують з п'ятиоксидом фосфору.

Теоретично визначити ізотерми сорбції води сорбентами досить складно, тому статичні характеристики п'єзосорбційних гігрометрів, як правило, отримують з використанням експериментальних даних.

До недоліків п'єзосорбційних гігрометрів слід віднести необхідність їх градуювання на газових сумішах з відомою вологістю, збільшення похибки вимірювання за наявності в піддослідному середовищі домішок, що реагують з чутливим елементом.

Давачі вологості

вологість повітря гігрометр електролітичний

Конденсаційний гігрометр на основі хлориду літію. Принцип вимірювання конденсаційним гігрометром на основі хлориду літію (LiCl) досить простий (рис. 7). У даному випадку використовують дві властивості гідрата хлориду літію. По-перше, він є гігроскопічною речовиною, а тому поглинає молекули води. По-друге, виникаючий при цьому водний розчин LiCl є електролітом, здатним проводити електричний струм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Конструкція давача вологості на основі LiCl

Коли LiCl, розміщений в давачі (в капсулі із склотканини 2), поглинає водяні пари, що є в атмосфері, провідність між витками спіралі 3 збільшується. В результаті між ними виникає струм, внаслідок чого нагрівається весь давач, і завдяки чому встановлюється зрівноважений стан між фазою водяного пару і рідкою фазою. Температура, яка встановлюється автоматично стає мірою концентрації водяних парів у навколишньому повітрі.

Температура вимірюється давачем типу Pt-100, який є конструктивним елементом давача вологості. Оскільки ця температура перехідного стану (температура переходу) майже лінійно зв'язана з температурою точки роси, то вона є прямою мірою вмісту вологи в повітрі.

Ємнісні давачі вологості. Давачі вологості ємнісного типу складаються зі спеціальної плівки з напиленим із двох сторін шаром золота (рис. 8). Таким чином, плівка служить діелектриком плоского конденсатора. За допомогою відповідної вимірювальної схеми зміну ємності конденсатора можна перетворити в постійну напругу. Загальний пристрій такого давача (фірма Valvo) показаний на рис. 9, а в табл. 1 наведені його характеристики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8. Принцип побудови діелектричного давача вологості

Загальна ємність давача:

C_S =C₀+ДC,

де C₀ - ємність при нульовій вологості, ДС - зміна ємності через наявність вологи.

Ємність давача C_S мало залежить від вимірювальної частоти, тому незначна зміна вимірювальної частоти не вплине на покази давача.

Важливою характеристикою, що визначає призначення давача, є його час спрацювання чи стала часу. При різкій зміні вологості давачу необхідно приблизно 2 хвилини для досягнення 90% кінцевого показника, що відповідає значенню вологості, яка встановилась.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Конструкція промислового давача вологості фірми Valvo

Табл. 1. Технічні характеристики давача вологості фірми Valvo

Зміну ємності можна, як і опору, вимірювати за допомогою вимірювального моста (рис. 10).

Вимірювальна схема складається з моста для вимірювання ємності із активним елементом - давачем вологості. Міст живиться змінною напругою з частотою біля 100 кГц. За допомогою змінного конденсатора С_А, вихідна напруга U₀ встановлюється на нуль при ДС=0. При зміні ємності ДС вихідна напруга U₀ служить мірою цієї зміни і відповідно зміни вологості.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Вимірювальна схема давача вологості з вимірювальним мостом

Для простих конструкцій давачів розповсюджені також схеми, що працюють з різними імпульсами (рис. 11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11. Схема ємнісного давача вологості з двома мультивібраторами

Принципова схема складається з двох мультивібраторів (М1 і М2), причому М1 синхронізує М2. При ДС=0 тривалість імпульсів обох мультивібраторів однакова (t₁=t₂). Якщо ж ємність давача зміниться (ДС?0), то між двома виходами 1 і 2 виникне імпульс тривалістю t₃=t₂-t₁. Якщо період прямокутного імпульсу напруги дорівнює Т=2t₁, а амплітуда імпульсів дорівнює U_В, то для середнього арифметичного значення вихідної напруги U₀ отримаємо рівність

За умови, що мультивібратори М1 і М2 однакові (наприклад, мультивібратори типу HEF 4001B, виконані на одному кристалі по технології LOCMOS), а ємність давача має такий же температурний коефіцієнт, як і змінний конденсатор С_А, відношення t₃/T не залежить від зміни температури.

Напруга живлення має бути стабілізована, так як вона безпосередньо входить у результат вимірювань (U₀).

На рис. 12 зображена проста вимірювальна схема без стабілізації напруги і лінеаризації. Оскільки струм цієї схеми дуже малий (біля 100 мкА), три гальванічних елемента можуть забезпечити живлення приблизно протягом року.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12. Повна вимірювальна схема, що працює за різницею імпульсів (Н - давач вологості)

Лінеаризація вихідного сигналу схеми виконується наступним чином (рис. 13). Вихідні імпульси заряджають конденсатор С через D i R1 і одночасно струм заряду, пропорційний напрузі на конденсаторі, протікає через R2. У результаті цього більш повно зберігається пропорційність між вихідною напругою U₀ і середнім значенням напруги вихідного імпульсу U_0(АV). Відповідним підбором C, R1 i R2 можна досягнути лінеаризації вихідної напруги.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Схема лінеаризації вихідного сигналу давача

Нейтронні вологоміри. Нейтронний метод вимірювання вологості заснований на втраті енергії швидких нейтронів при їх зіткненні з атомами водню, що містяться в молекулі води.

При зіткненні нейтронів з ядрами інших елементів втрата енергії значно менша. У даному вологомірі (рис. 14) джерело нейтронного випромінювання (1) і блок детектування повільних нейтронів (2) поміщені в захисний кожух (3), біля якого неперервно проходить контрольований матеріал. Сигнал від блока детектування надходить на проміжний перетворювач (Пр) і далі на вимірювальний прилад (ВП).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 14. Схема нейтронного вологоміра

Маса контрольованого матеріалу в об'ємі повинна бути постійною. Дана вимога - основний недолік вологоміра.

Інфрачервоні вологоміри. Вони належать до групи оптичних аналізаторів. Принцип роботи заснований на здатності поглинання водою, що міститься в контрольованому матеріалі, енергії випромінювання з довжиною хвилі в інфрачервоній області (від 0,75 до 2,5 мкм).

Размещено на Allbest.ru