Методы и средства измерения влажности

Неспецифические методы измерения  влажности газов основаны на непосредственном измерении тех или иных физических свойств этих газов. Количество предложенных, опробованных, но применяемых лишь в редких случаях неспецифичных  методов измерения влажности  газов весьма значительно. Некоторый  интерес представляют методы поглощения влажным газом ИК радиации; поглощения энергии электромагнитных волн ВЧ и  СВЧ диапазонов; поглощения энергии β-излучений; методы измерения теплопроводности, плотности, скорости диффузии сквозь полупроницаемые перегородки и др. Большинство этих методов поддается автоматизации, что, однако, не компенсирует их ограниченную избирательность к воде, являющуюся причиной многих не учитываемых погрешностей и помех. 

 

 

 

АППАРАТУРА  ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Приборы, предназначенные  для измерения влажности воздуха, в том числе и датчики, объединяются под общим названием гигрометры. Их можно разделить на две группы:

а) гигрометры, основанные на физическом законе, позволяющем непосредственно  определять влажность; это - конденсационные  гигрометры, психрометры, электролитические  и сорбционные гигрометры,

б) гигрометры, принцип действия которых основан на измерении  свойств тела, связанных с влажностью, например, импедансные гигрометры.

Перечисленные две группы гигрометров позволяют в соответствии с принципами, положенными в их основу, определить один из параметров влажного воздуха, описанных выше. Вот  эти параметры и гигрометры, обеспечивающие их измерение:

а) температура точки росы Т_d (°С), определяемая конденсационными, сорбционными и электролитическими гигрометрами, а также гигрометрами на основе оксида алюминия;

б) температура влажного термометра T_h (°С), измеряемая психрометрами;

в) относительная влажность φ (%), определяемая с помощью гигрометров на основе изменения сопротивления и емкости.

Сопоставление различных  типов гигрометров затруднено, поскольку  они предназначаются для определения  различных параметров влажного воздуха. При сопоставлении результатов  измерения двумя гигрометрами различных  типов может потребоваться перейти  от одной характеристики влажного воздуха  к другой. Например, при сопоставлении  показаний резистивного и конденсационного гигрометров нужно сравнивать относительную  влажность, которую показывает датчик первого типа, и значение, рассчитываемое из температуры точки росы и температуры  сухого термометра, которые получают с помощью второго гигрометра.

Чтобы оценить точность сопоставления, необходимо учитывать, что ошибка в  измерении температуры точки  росы DТ_d приведет к ошибке в величине относительной влажности Dφ, изменяющейся в зависимости от значений Т_d и φ в соответствии с линией насыщения. Действительно, погрешности в определении этих двух величин связаны .между собой множителем, равным тангенсу угла наклона кривой (dφ/dT_d)_T=const; так, например, при показании сухого термометра 10 °С ошибка определения T_d в 1 °С приводит к ошибке в величине φ 3% при Т_d = –5 °С и 5% при T_d =+5 °С.

Поэтому перед выбором  типа гигрометра важно выделить параметр, который хотят измерить, и, исходя из этого, следует подбирать прибор, который позволит измерять этот параметр с минимальной погрешностью. 

 

 

 

Конденсационный гигрометр

Принцип действия и конструкция гигрометра

Тело, температуру которого в любой момент времени можно  измерить, постепенно охлаждают до появления росы или инея на его  поверхности. Затем процесс стабилизируют  таким образом, чтобы между воздухом и каплями росы поддерживалось равновесное  состояние. Измеряемая температура  представляет собой, следовательно, «точку росы», T_d (индекс d соответствует английскому dew point) или «точку инея», T_f (f от английского frost point). Начиная именно от этой точки росы, определяют давление пара во влажном воздухе.

Гигрометры на основе точки  росы приобрели достаточную точность и стали конкурентоспособными после  их автоматизации. На рис.1.3 изображены принципиальная, конструктивная и электрическая  схемы автоматического конденсационного гигрометра.

Рис. 1.3. Конденсационный гигрометр (материалы фирмы Sereg–Schlum–berger). 
а –принципиальная схема; б – конструкция измерительной головки:

1–источник света; 2–фоточувствительные  детектор; 3–регулятор; 
4–охлаждение–нагрев; 5–датчик температуры; 6–зеркало; 7–питание; 8–оптических блок; 9–термистор; 10–фоторезистор; 11–окно; 12–зеркало; 13–газ; 14–измерение температуры; 15–охлаждение; 
16 – терморезистор. 

 

Основными элементами гигрометра являются зеркало и система регулирования  его температуры, датчик для измерения  температуры зеркала (платиновый термометр  сопротивления или термопара), источник светового пучка и оптический детектор.

Источник света освещает металлическое зеркало таким  образом, чтобы в отсутствие конденсата свет на детектор не попадал. Затем  производится охлаждение зеркала (эффект Пельтье, блок охлаждения, сухой лед, жидкий азот и т.п.) вплоть до появления конденсации. При появлении слоя росы или инея рассеянный свет попадает на детектор, который через систему подстройки дает команду на подогрев зеркала. При повышении температуры роса исчезает и исчезает также рассеянный свет, что вновь приводит к охлаждению зеркала. С помощью надлежащей настройки можно получить слой конденсата определенной толщины и достичь, таким образом, равновесного состояния между паром и его конденсатом. Датчик температуры, прикрепляемый к обратной стороне зеркала, позволяет измерить его температуру.

Влияющие  факторы

Градиенты температуры, утечки тепла. Согласно теоретическому определению, температура точки росы относится к границе раздела воздух - вода. В материале между этой поверхностью и датчиком температуры, закрепленным с обратной стороны зеркала, существует градиент температуры. Дополнительная погрешность вносится теплопроводностью проводов датчика и саморазогревом датчика при использовании платинового термометра сопротивления. Следует, однако, отметить, что все это – систематические погрешности, которые можно учесть при градуировке гигрометра.

Точка росы и  точка инея. При точке росы ниже 0 °С вода может находиться в виде льда либо переохлажденной жидкости. Таким образом, для одинаковых массовых отношений влаги возможны два равновесных состояния, соответствующие различным равновесным парциальным давлениям. Поэтому при данном массовом отношении влаги температура точки росы и температура появления инея могут быть различными, и этим различием нельзя пренебречь.

Парадоксально, что если осажденный слой содержит примеси, то этот эффект не проявляется. Его можно  избежать различными способами, например, вибрацией зеркала или охлаждением  до очень низких температур, чтобы  наверняка попасть в твердофазную область, с последующим повышением температуры до точки инея.

Фазовый переход вода –  лед не обязательно происходит вблизи 0 °С. Некоторые приборы могут функционировать в воде, переохлажденной до температур ниже –10 °С. Некоторые гигрометры снабжены средствами оптического наблюдения зеркала, какой бы ни была температура точки росы.

Снос характеристики системы детектирования. Детектор и связанный с ним блок электроники имеют очень высокую чувствительность. Необходимо регулярно производить градуировку гигрометров для компенсации:

–       дрейфа системы детектирования;

–       влияния загрязнений на поверхности зеркала, рассеивающих свет;

–       появления дефектов на поверхности зеркала (царапин в результате чистки).

Для градуировки испаряют всю росу или иней и производят автоматическую компенсацию изменения  отражающей способности зеркала (обусловленного главным образом загрязнением зеркала).

Метрологические характеристики

Конденсационный гигрометр  – единственный прибор, рабочий  диапазон измерений которого достаточно широк: от –70 °С до +100 °С (в ряде случаев даже выше). Некоторые гигрометры этого типа предусматривают возможность функционирования при температурах вплоть до 180 °С для измерения точки росы кислот или для проведения измерений под давлением.

Точность определения  точки росы зависит, с одной стороны, от точности измерения температуры, а с другой – от различных систематических  погрешностей. Некоторые модели приборов имеют паспортную погрешность не более ± 0,2 °С. Такая точность требует, при температурах ниже 0 °С, знания состава конденсата.

Время запаздывания самого прибора обычно мало по сравнению  с постоянной времени системы  отбора проб и составляет несколько  минут для температуры точки  росы выше примерно +20 °С. При –80 °С и расходе воздуха 10 л/ч для образования слоя льда толщиной 0,3 мкм требуется 3 ч, что дает порядок величины постоянной времени запаздывания. Важным достоинством гигрометров этого типа является их способность работать в коррозионной среде (продукты сгорания).

Сложность конструкции и  хрупкость конденсационных гигрометров, их высокая стоимость и необходимость  частой регулировки ограничивают применение этих приборов лабораторными исследованиями.

Сорбционный гигрометр

Принцип действия

Измерение влажности с  помощью гигрометра этого типа основано на двух явлениях:

1.     Давление пара над насыщенным раствором солей ниже давления пара над чистой водой при той же температуре (рис.4).

Рис. 1.4. Кривые зависимости давления пара от температуры для воды и насыщенных растворов солей.

Возьмем на диаграмме точку А, которой соответствует определенное давление пара. Массу воды нужно охладить до температуры Т_d (точка росы), чтобы над ней установилось давление насыщенного пара p_н (вода, Т_d), равное p_п (A). Напротив, насыщенный раствор хлорида лития потребуется нагреть до равновесной температуры T_e, чтобы над ним установилось давление насыщенного пара p_н (LiCl, Т_e), равное p_п (A): 

 

2. Электропроводность кристаллической  соли ниже электропроводности  раствора этой же соли в  10³ ÷ 10⁴ раз. Это явление позволяет достаточно простым способом осуществить нагревание раствора и регулировку мощности нагрева.

Принцип действия сорбционного гигрометра состоит в нагревании насыщенного солевого раствора до тех  пор, пока в растворе не установится  давление пара, равное давлению пара в  окружающем воздухе. Зная эту температуру, можно определить давление пара и  следовательно, температуру точки  росы.

Таблица 1.1

Температура раствора, ºС	Давление пара над водой pн (вода, T), Па	Давление пара надLiCl pн, (LiCl, T), Па	Относительная влажность
5	872,469	119,2	13,7
10	1227,94	157,6	12,8
15	1705,32	203,6	11,9
20	2338,54	260,6	11,8
25	3168,74	353,2	11,8
30	4245,20	473,9	11,2
35	5626,45	628,7	11,2
40	7381,27	823,6	11,2
45	9589,84	1066,1	11,1
50	12344,78	1364,6	11,1
55	15752,26	1727,5	11,0
60	19933,09	2163,4	10,9
65	25023,74	2681,1	10,7

 

 

Поэтому при измерениях влажности  используют насыщенные растворы солей, для которых давление пара было бы при данной температуре минимальным. На практике наиболее удобен хлорид лития. Линия давления его паров приближенно  соответствует линии относительной  влажности 12% (табл.1.1). Используемая область  на диаграмме, соответствующая влажному воздуху, заключается между этой линией и линией насыщения. Таким  образом, из рис.1.4 видно преимущество использования хлорида лития  по сравнению с другими солями.

Пример. При давлении пара 2163 Па температура точки росы составляет +18,8 °С (равновесие над водой), но температура равновесия насыщенного раствора хлорида лития с этим же самым паром составляет +60 °С. По этим данным с помощью табл.1.1 можно установить соответствие между точкой росы и равновесной температурой раствора.

Конструкция и  функционирование сорбционного датчика  на основе хлорида лития

Датчик состоит из трубки, обернутой тканью, которая пропитана  раствором хлорида лития; на трубку намотаны два электрода, изготовленные  из коррозионно-стойкого металла. На электроды  подается переменное напряжение, создающее  в растворе ток, который нагревает  его и вызывает испарение воды.

После испарения воды ток, проходящий между электродами, резко  уменьшается, поскольку проводимость кристаллического хлорида лития  значительно ниже проводимости раствора, и соответственно снижается температура  датчика. Одновременно хлорид лития, гидрофильность которого очень высока, снова адсорбирует  водяной пар, что приводит к увеличению силы тока и температуры датчика. Таким образом, обеспечивается равновесие между твердым хлоридом лития  и его раствором. В соответствии с указанным принципом это  равновесие наступает при температуре, непосредственно связанней с  давлением пара и, следовательно, также  с точкой росы, так что определяется именно эта температура. В данной системе регулировка осуществляется с помощью самого хлорида лития. Пример конструкции датчика этого  типа приведен на рис.1.5.

Рис. 1.5. Сорбционный датчик на основе хлорида лития. 
а –схематическое изображение в разрезе (фирма Siemens); б –внешний вид (фирма Kichard et Pckly):

1–источник переменного  тока; 2–индикатор температуры; 3–платиновый  термометр сопротивления; 4–стекловолокно; 5–электроды; 
6–изолированная металлическая трубка.

Некоторые гигрометры на основе LiCl снабжены источником питания постоянного тока, позволяющим перевести сигнал изменения омического сопротивления датчика влажности в сигнал изменения напряжения, который усиливается и затем линеаризуется с помощью схемы формирования сигнала, выдающей значение абсолютной влажности (рис.1.6).