Методы измерения влажности воздуха – 5. ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Методы измерения влажности воздуха и газа
В настоящее время наибольшее распространение в промышленных приборах получили следующие методы измерения влажности газов и воздуха: психрометрический, точки росы, сорбционный и оптический.
Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрической разности температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный фитиль водой. Испарение, а следовательно, и охлаждение с поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разность температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.
Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным находящейся в нем влагой. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара
на зеркальной поверхности, температура которой может устанавливаться любой в интервале температур работы влагомера.
Сорбционный метод основан на связи физических свойств гигроскопических веществ с количеством поглощенной ими влаги, зависящей от влажности анализируемого газа.
Оптический метод основан на измерении ослабления инфракрасного (ИК) излучения за счет его поглощения парами воды.
Психрометрический метод. В психрометрическом методе используется зависимость между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:
рн.м – р = Арб(tc – tm) (1)
где р — парциальное давление пара в парогазовой смеси; рн.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра tm; рб — барометрическое давление; А — психрометрическая постоянная; tc — температура сухого термометра.
Относительная влажность φ может быть определена из (1) следующим образом:
φ = р/рн.с100 = 100[рн.м — Арб(tc – tm
)]/ рн.с (2)где рн.с , рн.м — парциальное давление насыщенного пара при температурах tc и tm.
В связи с тем, что рн.с и рн.м, однозначно определяются tc и tm, то при А = const, можно получить зависимость
φ = f(tc – tm,tc) (3)
По этой зависимости можно составить психрометрические таблицы. Таблицы могут быть различными для разных конструкций мокрого термометра. Психрометрическая постоянная А определяется условиями теплоотвода от термометра через фитиль в окружающую среду (размерами и формой резервуара или гильзы термометра, теплопроводностью гильзы и ткани фитиля, смоченностью ткани и другими факторами), поэтому практически для каждой новой конструкции А будет отличным от других. Для обеспечения постоянства А для каждой конструкции обеспечивают такой режим обдува мокрого термометра (как правило, V ≥ 3 м/с), при котором А = const. Зависимость (3) может быть аппроксимирована семейством прямых φ = const в координатах t
φ = f(tm – ta)/(tc — tb) (4)
Рис. 1. Зависимость относительной влажности от температур «мокрого» и «сухого» термометров:
1 — 5 — φ = 100 %; 80; 60; 40; 20
Рис. 2. Принципиальная схема психрометра с термопреобразователями сопротивления
Принципиальная измерительная схема психрометра с преобразователями сопротивления представлена на рис. 2. При соответствующем подборе плеч мостов можно считать, что Uab = k1(tm – ta) и Ucd = k2
(tc — tb). В момент компенсации Uab = Uef = mUcd, где m — относительное положение движка реохорда, тогдаm = k1 (tm – ta)/ [k2(tc — tb)] (5)
Шкала психрометра градуируется в процентах относительной влажности. Возможны различные модификации этой схемы, но, как правило, принцип действия остается неизменным.
Преимущества психрометрического метода — достаточно высокая точность и чувствительность при температурах выше 0 °С. К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с непостоянством психрометрической постоянной А.
Метод точки росы. По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод один из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров, основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало, обдуваемое анализируемым газом. Зеркало необходимо охлаждать, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся
в анализируемом газе. Одновременно фиксируется температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).
Для технических измерений разработаны автоматические влагомеры точки росы. Одна из схем такого влагомера представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема влагомера точки росы:
1 — канал; 2 — камера; 3 — зеркальная поверхность; 4 — источник измерения; 5 — оптрон; 6 — термобатарея; 7 — термопара
Газ, очищенный от примесей и пыли, по каналу 1 поступает в камеру 2, где соприкасается с зеркальной поверхностью оптического канала 3, по которому световой поток от источника 4 попадает на оптрон 5. Поверхность 3 охлаждается термобатареей 6, работающей на эффекте Пельтье. Принцип ее работы состоит в том, что при прохождении тока через соприкасающиеся поверхности разнородных проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. Так, снижение температуры на 50 °С может быть получено при пропускании тока в 6 А при напряжении питания 15 В через термоэлектронную батарею размером 40 х 40 х 40 мм, содержащую 127 элементов. При достижении точки росы на поверхность 3 выпадает роса, оптрон запирается и ток через термобатарею 6 прекращается. Термопара 7 фиксирует температуру выпадения росы. Преобразователь точки росы прибора «КОНГ-Прима» измеряет точку росы в диапазоне -30…30 °С, погрешность составляет ±0,25 и ±1 %.
При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации (выпадения росы) зависит от метода фиксации (оптический, кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы может зависеть от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. Например, наличие жира или нефтепродуктов на поверхности конденсации существенно занижает температуру точки росы. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы вызывают коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.
Сорбционные влагомеры. В сорбционных влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике технических измерений
получили распространение следующие разновидности сорбционных преобразователей: электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные.
В электролитических гигрометрах измерительный преобразователь включает влагочувствительный элемент, содержащий электролит. Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что приводит к изменению концентрации электролита во влагочувствительном элементе и соответствующему изменению его сопротивления или емкости. В качестве электролита чаще всего применяют хлористый литий. Измерительные схемы электролитических гигрометров представляют собой различные варианты мостовых измерительных схем. К недостаткам электролитических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества на их показания.
Электролитические преобразователи с подогревом по своему устройству близки к электролитическим преобразователям. Однако их принцип действия отличается. Изменение электропроводности преобразователя вследствие изменения влажности газа вызывает изменение температуры преобразователя. Если влажность газа увеличивается, то электропроводность преобразователя увеличивается, что приводит к возрастанию тока, увеличению температуры преобразователя и испарению влаги из преобразователя. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению электропроводности, тока и температуры преобразователя.
Таким образом, автоматически поддерживается режим, соответствующий равновесному состоянию между парциальным давлением паров воды в анализируемом газе и парциальным давлением пара над насыщенным раствором электролита. Температура, соответствующая этому равновесию, измеряется каким-либо термопреобразователем. Электролитические гигрометры с подогревом относительно просты и надежны. Их характеристики практически не зависят от запыленности или загрязнения, скорости измеряемого газа, его давления и напряжения питания.
В кулонометрических преобразователях влажность газа определяют по количеству электричества, затраченного на электролиз влаги, которая поглощается частично гидротированным пентаоксидом фосфора. Измерительный преобразователь в этих приборах состоит из пластмассового корпуса, во внутреннем канале которого расположены два электрода в виде несоприкасающихся спиралей. Пространство между электродами заполнено частично гидратированным пентаоксидом фосфора, являющимся хорошим осушителем. Влага газа, соединяясь с гигроскопическим веществом, образует раствор фосфорной кислоты с большой удельной проводимостью. Подключенное к электродам постоянное напряжение вызывает электролиз поглощенной влаги. Количество поглощенной и разложенной воды при постоянном расходе газа одинаково и определяется концентрацией влаги в анализируемом газе.
Преимуществом кулонометрических гигрометров является независимость их показаний от напряжения питания и состава газа. Загрязнения сорбента практически не влияют на показания прибора, метод не требует градуировки на эталонных смесях и хорош для измерения микроконцентраций влаги в газах.
К недостаткам метода относится необходимость исключения паров и газов, имеющих щелочную реакцию (аммиак, амины). Их присутствие выводит из строя чувствительный элемент. На показания существенно влияют пары спиртов, которые гидролизуются на пентаоксиде фосфора с образованием воды.
В пьезосорбционных гигрометрах используется зависимость частоты собственных колебаний кварцевого резонатора от массы влаги, поглощенной сорбентом, нанесенным на поверхность кварцевой пластины.
Метрологические характеристики пьезосорбционных гигрометров определяются материалом сорбента и технологией его нанесения на поверхность кварцевой пластины. Применение в качестве сорбентов силикагеля, цеолитов, сульфированного полистирола позволяет использовать пьезосорбционный метод для измерения микроконцентраций влаги в газах. Конструкция чувствительного элемента прибора достаточно проста.
Пьезосорбционные гигрометры требуют градуировки по газовым смесям с известной влажностью. Возможны дополнительные погрешности за счет сорбирования помимо влаги других примесей анализируемого газа. Пьезосорбционные гигрометры применяются в химической промышленности и при испытаниях материалов и изделий в термобарокамерах.?
Гигрометры для измерения влажности газов производятся отечественными фирмами: ИПТВ 056 (ф. «Элемер»), зарубежными фирмами: мод. 340, серия 800 (ф. Rosemount), мод. 4112 (ф. Honeywell), Dewcel (ф. Foxboro), мод. 70 (20—23, 31, 32, 51) (ф. Jumo) и др.
www.eti.su
Методы определения влажности воздуха
Психрометрический метод
Психрометрический метод заключается в оценке характеристик показаний сухого и мокрого термометров (психрометрической разности) с помощью психрометрических таблиц. Наибольшее распространение получили два типа психрометров: Августа и Ассмана.
Психрометр Августа состоит из двух термометров. Сухой термометр показывает температуру окружающего воздуха; термочувствительный элемент второго термометра обёрнут гигроскопической тканью, конец которой опущен в сосуд с водой. Вследствие испарения влаги с поверхности ткани температура последней понижается, достигая в установившемся состоянии при реально 100%-й влажности температуры по мокрому термометру tм. Этот процесс отвечает условию i = const, поскольку для воздуха количество тепла, внесенного с испарившейся влагой, точно равно затратам теплоты на её испарение. Температура поверхности испарения будет зависеть от относительной влажности воздуха φ: чем ниже значение φ, тем интенсивнее идёт процесс испарения влаги и тем ниже будет значение tм. Разность показаний сухого (tc) и мокрого (tм) термометров называют психрометрической разностью. При tм = tc относительная влажность воздуха равна 100%. Зная психрометрическую разность и температуру воздуха, можно с помощью i-d диаграммы или прикладываемых к прибору психрометрических таблиц определить φ.
Психрометр Ассмана относится к аспирационному типу вследствие создания искусственной вентиляции термометров для гарантированного выполнения условия равенства температур датчиков значениям tм и tc. Экранирование ртутных капсул металлическими трубками и продувании через них воздуха с помощью специального вентилятора с завозным или электрическим приводом повышают точность измерений (устраняются внешние тепловые излучения на прибор и улучшается теплообмен воздуха с чувствительными элементами термометров). Относительную влажность φ определяют с точностью 1…2%.
Гигрометрический метод
Гигрометрический метод основан на эффекте изменения длины нити из того или иного гигроскопического материала (обезжиренные волосы, капроновая нить и др.) при изменении влажности окружающего воздуха. Приборы, реализующие этот метод, получили название гигрометров. Чем суше воздух, тем короче становится чувствительный элемент прибора (нить, связанная системой рычагов со стрелкой, указывающей текущее значение относительной влажности φ на градуированной шкале). Распространение получили волосные гигрометры типа МВ-1 и МВК, пленочные М-39 и др.
Психрометрический и гигрометрический – это практические методы определения влажности воздуха. Также существует ещё два метода определения влажности воздуха – это дистанционное измерение и массовый метод, рассмотрим их подробнее.
Дистанционное измерение
Дистанционное измерение относительной влажности воздуха позволяет контролировать её без разгерметизации помещения грузовой камеры. Для этого применяется дистанционный гигрометр, который состоит из: гигроскопической нити, индукционной катушки, магнитного сердечника и измерительного прибора.
Для автоматической регистрации относительной влажности воздуха в течение заданного отрезка времени применяют прибор под названием гигрограф. В нём вместо стрелки помешено перо, на которое непрерывно подаются чернила. Регистрация осуществляется с помощью бумаги на барабане с часовым или суточным заводом. Таким образом, вычерчивается непрерывная кривая линия проходимых значений φ. В других приборах реализован также принцип измерения электрического сопротивления нити при колебаниях влажности воздуха.
Массовый метод
Этот метод основан на точном замере содержания влаги в воздухе. Исследуемый воздух, объем которого контролируется специальным счётчиком, прогоняют через трубки, заполненные поглотителем влаги (силикагель, хлористый кальций и др.). Разность масс трубок с адсорбентом до и после пропускания воздуха показывает количество поглощенной влаги. Разделив массу влаги на объём пропущенного воздуха, получают плотность ρп, то есть абсолютную влажность воздуха. Зная температуру tc, по таблице насыщенного воздуха определяют плотность его в состоянии насыщения ρп. н и относительную влажность: φ = ρп/ρп. н.
Управление влажностью в грузовом помещении рефрижераторного вагона осуществляется укрупнённо – путём введения ограничений в режим вентилирования наружным воздухом
Контроль и организация регулирования влажности воздуха на железнодорожном транспорте
Регулирование влажности воздуха осуществляется лишь в пассажирских вагонах путем применения увлажнителей – аппаратов с форсунками для распыления воды. Такие аппараты включаются от датчиков, расположенных в вагонах. Управление влажностью в грузовом помещении рефрижераторного вагона осуществляется организационными методами – путем введения ограничений на маршруте и соответствующей технологии разгрузки СПГ (скоропортящиеся грузы).
Влажностный режим при перевозках СПГ в изотермических вагонах не контролируется и не регулируется, а потому не нормируется правилами. Это вызвано отсутствием на изотермическом подвижном составе надежных приборов дистанционного контроля относительной влажности воздуха и технических средств воздействия на нее грузовых помещениях вагонов.
vse-lekcii.ru
Методы определения влажности воздуха
Для определения влажности воздуха используются следующие методы: психрометрический, гигроскопический, точки росы, массовый. При наладочных и исследовательских работах систем вентиляции и кондиционирования воздуха методы точки росы и массовый широкого применения не имеют.
Психрометрический метод. Этот метод основан на измерении психрометрической разности температур с помощью “сухого” и “мокрого” термометров (рис.1), т.е. на определении двух точек практически адиабатного процесса увлажнения воздуха.
Рис. 1. Схема психрометра аспирационного (Ассмана):
1 — “сухой” термометр, 2 — “мокрый” термометр,
3 — чехол из гигроскопичной ткани, 4 — трубка,
5 – вентилятор.
Рис. 2. Психрометр аспирационный типа М-34 (с электромотором) | Для снижения погрешностей шарики термометров защищены от потоков лучистого тепла и подвергаются принудительному обдуву с помощью осевых вентиляторов). “Сухой” термометр показывает температуру ненасыщенного влажного воздуха. “Мокрый” термометр, чувствительный элемент которого смачивается дистиллированной водой через чехол из гигроскопичной ткани (марли, батиста), показывает |
температуру насыщенного влажного воздуха, т.е. при относительной влажности j = 100 %.
Вследствие испарения влаги с поверхности чувствительной части “мокрого” термометра в поверхностном слое “отнимается” некоторое количество тепла и его температура снижается. Снижение температуры, фиксируемое “мокрым” термометром, будет наблюдаться до тех пор, пока количество скрытого тепла парообразования воды не станет равным количеству явного тепла, сообщаемого от воздуха к смоченной поверхности термометра. В пограничном слое у смоченной поверхности будет наблюдаться термодинамическое равновесие, — количество явного тепла, отнимаемое от воздуха, будет равно количеству скрытого тепла, сообщаемому ему же, т.е. теплосодержание воздуха практически будет постоянно (i = const).
Испарение влаги с поверхности чувствительного элемента “мокрого” термометра тем интенсивнее, чем ниже влажность воздуха, т.е. относительная влажность воздуха зависит от психрометрической разности (tс — tм) и tс, т.е
j = f [(tс — tм), tc] ,
где tс , tм — температуры “сухого” и “мокрого” термометров.
Промышленностью выпускается психрометры аспирационные (Ассмана) МВ-4М с механическим и М-34 с электрическим приводами вентилятора.
Аспирационный психрометр МВ-4М или М-34 (рис. 2) заключены в латунные трубки с наружной зеркальной поверхностью, которая дает возможность исключить влияние радиационного теплообмена с находящимися вблизи нагретыми или холодными поверхностями. Через трубки у поверхности чувствительных элементов термометров с помощью вентилятора 5 продувается воздух со скоростью 2,5 — 3,0 м/с.
Термометры, используемые в психрометрах, имеют шкалы — 30…+50 °С с ценой деления 0,2 °С. Диапазон измерения относительной влажности 10 — 100 % при температурах — 10…+40 °С.
Гигроскопический метод. Этот метод основан на свойстве некоторых материалов приводить свою влажность в соответствие с относительной влажностью окружающего их воздуха. При этом некоторые материалы изменяют свою длину (обезжиренный человеческий волос, капроновая нить и др.) или электропроводность (LiCL). С учетом этого свойства изготавливаются приборы для измерения относительной влажности воздуха и ее регулирования. Принципиальная схема гигрометра приведена на рис. 3.
При наладочных и исследовательских работах по вентиляции и кондиционированию воздуха наиболее часто для регистрации относительной влажности воздуха в помещениях в течение длительного времени (сутки и более) используются самопишущие приборы — гигрографы. Промышленностью выпускаются гигрографы двух типов: М-21 и М-32. Приборы обеспечивают непрерывное измерение и запись относительной влажности воздуха в пределах 30-100 % при температуре -35…+45 °С. Запись показаний прибора производится на диаграммной ленте (рис. 4).
Рис. 3. Принципиальная схема гигрометра:
1 — чувствительный элемент (пучок обезжиренных волос),
2 — шкала относительных влажностей, 3 — показывающая стрелка,
4 — пружинка
Гигрограф М-21 в качестве чувствительного элемента имеет пучок обезжиренных человеческих волос. Чувствительный элемент средней частью через рычажную систему связан со стрелкой с пером на конце. Изменение длины волос при изменении относительной влажности передается записывающему механизму. На диаграммной ленте вычерчивается кривая изменения относительной влажности окружающего воздуха с течением времени.
Рис. 4. Гигрограф М21А | Влажность гигроскопического материала остается приблизительно одинаковой при равной относительной влажности воздуха и различных температурах. Изменение влажности гигроскопических материалов сопровождается изменением их свойств. Они изменяют свою форму или электропроводность. |
Гигрограф М-32 отличается от гигрографа М-21 конструкцией чувствительного элемента, который представляет собой круглую мембрану из органической гигроскопической пленки, имеющей жесткий центр для соединения с рычажным механизмом прибора.
studfiles.net
Методы измерения влажности — Мегаобучалка
ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ – СОДЕРЖАНИЕ ВЛАГИ
Измерение влажности веществ в химической промышленности необходимо для определения содержания влаги в газах, твердых или сыпучих материалах.
Так для управления влаготепловым режимом в печах, камерах и других технологических аппаратах необходимо контролировать текущее значение влажности воздуха или газов.
В химической технологии и других отраслях промышленности можно выделить процесс сушки, основанный на изменении влажности, который немыслим без измерений текущих значений влагосодержания продуктов. Это энергозатратных технологический процесс, на который расходуется до 15% топлива потребляемого в стране, например, удаление влаги из минеральных удобрений перед фасовкой в герметические пакеты, сушка цемента и других целевых продуктов.
1. Измерение влажности газов
Трудно назвать область деятельности человека, где бы не требовалось измерять содержание влаги в газах. Самый близкий для нас процесс, это удаление влаги из воздуха, предназначенного для использования в системах пневматической автоматики в нефтехимии и химической промышленности.
Для характеристики влажности в воздухе или газах, т. е. содержания в них водяных паров, используются ряд величин:
Абсолютная влажность Q – масса водяного пара, содержащаяся в единице объёма газа – влажного или сухого.
Влагосодержание α — отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объёме. Выражается в г/кг или кг/кг.
Объёмное влагосодержание x – отношение объёма водяного пара к объёму газа. Эта безвременная величина выражается по отношению к объёму сухого или влажного газа.
Парциальное давление ℓ – упругость водяного пара. Выражается в единицах давления, чаще всего в мм.рт.ст.
Температура точки росы τ – температура, которую примет влажный газ, если охладить его до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды.
Относительная влажность φ – отношение действительной влажности газа к максимально возможной влажности газа при данной температуре. Относительная влажность выражается либо в относительных единицах – φ ≤ 1 либо в процентах φ ≤ 100%.
φ = ℓ / Е или φ = 100*ℓ / Е,
где ℓ – упругость водяного пара, находящегося в воздухе;
Е – упругость насыщенного водяного пара при данной температуре.
Основными методами для измерения влажности газов являются следующие:
1. Психрометрический метод, который основан на измерении температуры двух термометров – «сухого» и «влажного». Разность между ними – является основой для определения влажности газов.
2. Точки росы, заключается в определении температуры, при которой газ находится в состоянии насыщения, т. е. происходит конденсация водяных паров.
3. Сорбционный метод, основан на применении гигроскопических тел, способных изменяться в зависимости от поглощенной влаги.
4. Полного поглощения, которое заключается в пропускании через определенное вещество заданного объема газа, при этом вещество должно поглотить водяной пар и измерить свои свойства. Известны две разновидности этого метода – весовой и химический.
При весовом способе, влагосодержание определяется по приросту веса сорбента, поглощающего воду. А в химическом – влага, содержащаяся в исследуемого газа, вступает в химическую реакцию. Например, с карбидом кальция, при этом выделяется некоторое количество газа или повышается температура.
Названные выше методы измерения влажности являются прямыми или абсолютными, обладают высокой точностью измерений и используются в лабораторных исследованиях и в качестве эталонных приборов для градуировки различных средств контрольно-измерительных приборов, фиксирующих текущее влагосодержание газов.
5. Конденсационный метод, заключающийся в том, что газ охлаждают в холодильнике до полной конденсации влаги, которую затем измеряют, он также является абсолютными, но требует более трудоемких операций недопустимых, например, при выполнении градуировки приборов.
6. Тепловой метод, использует эффект, различной теплопроводимости сухих и влажных газов.
7. Радиационный метод, базируется на зависимость степени поглощения инфракрасного излучения, проходящего через объем газа и зависящего от его влажности.
8. Емкостной метод, основан на принципах работы конденсатора, если между его обкладками отсутствует влага, то значение емкости значительно больше, чем в том случае, когда в газе между пластинами конденсатора находится влажный газ.
9. Кондуктометрический метод, используется зависимость влажности газа от его электропроводности, с повышением влажности увеличивается электропроводность газов.
Этот список можно продолжить, но для нас особый интерес представляют три первых метода, которые мы рассмотрим более подробно.
Психометрический метод
В основу метода положено измерение температуры среды, влажность которой требуется определить при помощи двух термометров, один из которых применяется в обычных условиях – его называют “сухим”, а другой, так называемый “мокрый”, смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Испарение с “мокрого” происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность измеряемого газа, а следовательно, его температура будет ниже, чем у “сухого”. По разности температуры “сухого” и “мокрого” термометров судят о влажности воздуха или газа. Для определения величины влажности служит полуимперическая формула:
ℓ = Eм-А*Р*(tc-tм)
ℓ — упругость водяного пара в измеряемой среде;
Eм – максимально возможная упругость пара при температуре tм;
Р – атмосферное давление;
А – психометрический коэффициент
tc и tм – показания “сухого” и “мокрого” термометров.
Психометрический коэффициент А зависит от очень многих факторов, в том числе от размеров и формы чувствительного элемента, состояния смачивающего фитиля защиты термометров от радиации и т.п. и определяется по специальным психометрическим таблицам, составляемых для определённых конструкций психрометров.
Особое значение, очевидно, имеет скорость воздуха. С возрастанием скорости воздуха А быстро убывает, но при скоростях более 2.5-3 м/сек он практически становится постоянным. Поэтому при использовании промышленных психрометров необходимо предусматривать постоянную скорость потока не ниже 3-4 м/сек.
Простейшим, однако, наиболее распространённым, является психрометр, состоящий из 2-х одинаковых ртутных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров обмотан тканью, конец которого находится в резервуаре с водой. Таким образом, баллончик этого термометра всегда мокрый, а следовательно его температура всегда ниже чем соседнего с ним “сухого” термометра.
Принципиально электрические психрометры не отличаются от простейших, за исключением того, что в датчиках электрических психрометров для определения температуры применяются термопары, металлические термометры сопротивления или полупроводниковые термосопротивления (ТС).
Термоэлектрические датчики изготовляются в виде термобатарей, разделённых на две группы. Одна их этих групп смачивается водой. ЭДС, измеряемая на выводах термобатареи, пропорциональна психрометрической разности температур.
Принципиальная схема измерительной цепи психрометра показана на рис. 1 и состоит их двух мостов, имеющих одну общую точку и самостоятельные источники питания (U1 и U2).
Рис. 1. Принципиальная схема психрометра
Мост I содержит в качестве плеча “сухой” ТС — Rс, а мост II содержит “мокрый” ТС – Rм. В диагональ моста I включён реохорд Rр, а на выход указателя нуля H подаётся разность выходного напряжения Uм моста II и напряжения Uр между началом реохорда Rр и его движком. При соответствующём подборе постоянных сопротивлений, входящих в мосты I и II, можно записать:
UM = K1 * (tм — ta)
UP = K2 * (tc — tb)
недостатком является то, что показания психрометров зависят от скорости воздуха или газов.
Метод точки росы
Таким образом, шкала реохорда может быть отградуирована в процентах относительно влажности. Большим недостатком психрометров с использованием “сухого” и “влажного” термометров является невозможность применения их при температуре ниже точки замерзания воды. В некоторых специальных случаях применяются жидкости, имеющие точку замерзания ниже точки замерзания воды, однако, при этом значительно снижается точность измерения. Другим существенным недостатком является зависимость показаний психрометров от скорости воздуха или газа.
Метод точки росы
Метод точки росы, ранее применяющийся исключительно как лабораторный, с развитием автоматизации стал одним из основных методов контроля влажности воздуха и газов, особенно при минусовых температурах и при любых давлениях. При этом методе испытуемый газ охлаждается до наступления состояния насыщения, т.е. до точки росы.
Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа θг, легко определить его относительную влажность:
,
где Eτ упругость насыщенного пара при температуре τ, а Eθ
упругость насыщенного пара при температуре θг
При неизменном давлении точка росы не зависит от температуры исследуемого газа. Благодаря этому имеется возможность устанавливать датчик вне исследуемой среды на значительном расстоянии и подводить к нему газ по газопроводу.
Само измерение точки росы сводится к измерению температуры, техника измерений температуры наиболее хорошо разработана, а точно достаточно высока. Для определения момента наступления точки росы обычно используется металлическое охлаждаемое зеркало, температура которого в момент выпадения на нём конденсата фиксируется как точка росы. При этом поверхность зеркала должна быть обезжирена и очищена от пыли. Фиксация точки росы происходит в автоматических приборах с помощью фотоэлементов или измерением электрического сопротивления поверхностного слоя зеркала. Схема одного из типов приборов, основанных на использовании метода точки росы, приведена на рис. 2.
 |
Рис. 2. Блок-схема прибора, использующая метод точки росы
Зеркалом является полированная поверхность полого цилиндра, через который протекает охлаждающая жидкость. Температура её регулируется подогревателем. Фотоэлемент (ФЭ) освещается отражённым от зеркальной поверхности световым потоком, постоянным источником которого является лампа накаливания. Вторичным прибором чаще всего служит прибор с падающей душкой. Когда появляется туман на зеркале, ФЭ подаёт сигнал, душка падает и прижимает стрелку к показывающей шкале прибора.
Сорбционный метод
В основу сорбционного метода измерения влажности положена способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать (поглощать) влагу на поверхности пор.
Вид поры под большим увеличением показан на рис. 3. Количество воды, адсорбированной на поверхности поры, будет тем больше, чем выше влажность газа, вследствие этого будет изменяться свойства материала, из которого изготовлен датчик. К числу таких свойств относятся – механические, электрические, весовые, цветовые и т. п., как правило, изменение механических и электрических свойств сорбентов наиболее часто используются для оценки изменения их влажности.megaobuchalka.ru
Измерение относительной влажности воздуха: Какой метод измерения предпочтительней?
Известные всем со школы приборы типа ВИТ (ВИТ-1, ВИТ-2), позволяющие измерять относительную влажность воздуха, похоже, скоро уйдут в прошлое. На смену им приходят современные измерители влажности воздуха с микропроцессорным управлением. О достоверности результатов, полученных с помощью этих, кардинально различающихся по методу измерения приборов и пойдет речь в этой статье (Читайте также статью «Что такое влажность воздуха? Как правильно измерять влажность? Давление водяного пара. Таблицы и примеры расчета.»). Далее для краткости будем именовать их соответственно: «термогигрометры ВИТ» и «цифровые термогигрометры». Рассмотрим два метода измерения относительной влажности воздуха, используемых в этих приборах:
Психрометрический метод измерения относительной влажности воздуха.
Термогигрометры ВИТ используют психрометрический метод измерения влажности, основанный на разнице показаний «сухого» и «увлажненного» термометров. После снятия показаний термометров по психрометрической таблице определяют относительную влажность воздуха. Это исторически самый старый метод измерения относительной влажности воздуха.
На погрешность измерения при использовании этого метода оказывают влияние атмосферное давление, скорость аспирации, температура воздуха, чистота заливаемой воды, запыление тканевого материала. Кроме всего погрешность, возникающую при изменении свойств тканевого материала (например, тканевый материал запылится и высохнет) и изменении скорости движения воздуха около датчиков, трудно заметить. В итоге, даже поверенный психрометр может иметь недостоверность показаний 20 % и выше, особенно при низких уровнях влажности. К недостаткам психрометрических термогигрометров ВИТ можно отнести постоянную необходимость контроля влажного тканевого материала, обязательное введение индивидуальных поправок к показаниям термометров. Самое неоспоримое достоинство же таких приборов очень привлекательная цена.
Метод прямого измерения относительной влажности воздуха.
Современные цифровые термогигрометры используют так называемый метод прямого измерения относительной влажности воздуха. Для измерения влажности прямым методом используются датчики, основанные на различных физических принципах и выполненные по различным технологиям. Можно выделить основные четыре типа датчиков: емкостные, резистивные, на основе оксида олова и на основе оксида алюминия. Рассмотрим кратко особенности каждого типа (табл. 1).
Таблица 1.
Отличительные особенности различных типов датчиков влажности
| Тип датчика | Особенности |
| Емкостной | Высокая надежность, высокий выход годных кристаллов, низкая стоимость, широкий рабочий диапазон. |
| Резистивный | Самые дешевые, малая доля рынка. |
| На основе оксида олова | Плохая стабильность, плохая взаимозаменяемость |
| На основе оксида алюминия | Узкий диапазон измерения (малая влажность) |
Из этих представленных четырех основных типов для измерения влажности самым оптимальным по совокупности параметров является емкостной. Он обеспечивает широкий диапазон измерений, высокую надежность и низкую стоимость при использовании микроэлектронной технологии, которая позволяет производить емкости планарного типа тонкопленочным методом. Благодаря этому мы имеем миниатюрные габариты чувствительного элемента, возможность имплементации на кристалле специализированной интегральной схемы обработки сигнала. Технологичность и высокий выход годных кристаллов обеспечивают малую стоимость продукции данного типа. Итак, для измерения влажности емкостной метод является лучшим.
Именно такие датчики для измерения относительной влажности применяются в современных цифровых термогигрометрах.
Особенно хочется обратить внимание на ряд специфических моментов, возникающих при определении параметра относительной влажности в рабочих, производственных и других помещениях в холодное время года.
В холодное время года относительная влажность в помещениях имеет низкое значение (15-30 %). С наступлением холодного времени года приходится констатировать, что достаточно часто пользователи, сопоставляя результаты измерения относительной влажности, полученных с помощью цифровых приборов, оснащенных емкостными датчиками, с показаниями приборов типа ВИТ, получают совершенно расходящиеся результаты. Так, в холодное время года, используя при замерах приборы ВИТ, получают значения относительной влажности 40…70 % в отапливаемых помещениях. Цифровые приборы в тех же условиях показывают гораздо меньшую величину относительной влажности. Показания какого прибора верны, если и тот и другой прибор прошли метрологическую поверку? Далее этот вопрос будет рассмотрен подробно.
Таблица 2.
Таблицы психрометрические (фрагмент)
Соотношение между параметрами абсолютной (a), относительной (φ) влажности, объемным влагосодержаниемт (Х, ppm) и температурой точки росы (tросы), при температуре исследуемого воздуха t =+20 °С.
| φ,% | а, г/м3 | X, ppm | tросы,°С | φ, % | а, г/м3 | X, ppm | tросы,°С |
| 0,56 | 0,123 | 127 | -40 | 60,00 | 10,60 | 13842 | 12 |
| 0,68 | 0,150 | 159 | -38 | 64,00 | 11,30 | 14777 | 13 |
| 0,86 | 0,186 | 198 | -36 | 68,00 | 12,06 | 15777 | 14 |
| 1,07 | 0,230 | 246 | -34 | 73,00 | 12,80 | 16830 | 15 |
| 1,33 | 0,284 | 340 | -32 | 77,65 | 13,60 | 17934 | 16 |
| 1,63 | 0,345 | 376 | -30 | 82,93 | 14,48 | 19151 | 17 |
| 1,97 | 0,420 | 462 | -28 | 88,20 | 15,36 | 20368 | 18 |
| 2,44 | 0,510 | 566 | -26 | 93,90 | 16,30 | 21684 | 19 |
| 3,00 | 0,622 | 691 | -24 | 100,0 | 17,30 | 23097 | 20 |
| 3,64 | 0,740 | 841 | -22 | 18,30 | 24540 | 21 | |
| 4,41 | 0,900 | 1020 | -20 | 19,40 | 26092 | 22 | |
| 5,34 | 1,08 | 1230 | -18 | 20,00 | 27724 | 23 | |
| 6,46 | 1,30 | 1490 | -16 | 21,77 | 29447 | 24 | |
| 7,74 | 1,64 | 1790 | -14 | 23,00 | 31263 | 25 | |
| 8,55 | 1,70 | 1960 | -13 | 24,40 | 33171 | 26 | |
| 9,27 | 1,84 | 2140 | -12 | 25,70 | 35184 | 27 | |
| 10,20 | 2,01 | 2349 | -11 | 27,20 | 37303 | 28 | |
| 11,50 | 2,27 | 2560 | -10 | 28,70 | 39523 | 29 | |
| 12,11 | 2,38 | 2804 | -9 | 30,40 | 41868 | 30 | |
| 13,30 | 2,58 | 3060 | -8 | 32,05 | 44342 | 31 | |
| 14,45 | 2,81 | 3338 | -7 | 33,80 | 46921 | 32 | |
| 16,73 | 3,05 | 3630 | -6 | 35,60 | 49645 | 33 | |
| 17,10 | 3,31 | 3965 | -5 | 37,60 | 52500 | 34 | |
| 18,72 | 3,60 | 4320 | -4 | 39,60 | 55500 | 35 | |
| 20,20 | 3,89 | 4695 | -3 | 41,70 | 58631 | 36 | |
| 22,14 | 4,22 | 5100 | -2 | 43,90 | 61934 | 37 | |
| 24,06 | 4,50 | 5549 | -1 | 46,20 | 65381 | 38 | |
| 26,00 | 4,80 | 6020 | 0 | 48,60 | 69000 | 39 | |
| 28,04 | 5,20 | 6481 | 1 | 51,15 | 72789 | 40 | |
| 30,13 | 5,60 | 6950 | 2 | 53,80 | 76763 | 41 | |
| 32,40 | 5,90 | 7480 | 3 | 56,50 | 80921 | 42 | |
| 34,75 | 6,30 | 8028 | 4 | 59,40 | 85263 | 43 | |
| 37,27 | 6,80 | 8609 | 5 | 62,30 | 89737 | 44 | |
| 40,00 | 7,26 | 9230 | 6 | 65,14 | 94579 | 45 | |
| 42,80 | 7,70 | 9886 | 7 | 68,70 | 99539 | 46 | |
| 45,80 | 8,20 | 10586 | 8 | 72,05 | 104737 | 47 | |
| 49,06 | 8,80 | 11328 | 9 | 75,60 | 110145 | 48 | |
| 52,50 | 9,40 | 12117 | 10 | 79,20 | 115816 | 49 | |
| 56,00 | 10,00 | 12498 | 11 | 83,06 | 121724 | 50 |
Пример 1: По данным метеосводки: температура атмосферного воздуха ta=0 °С; относительная влажность в атмосфере φa=100 % (=> tросы этого воздуха при этом =tа=0 °С). Температура точки росы (tросы) — величина, характеризующая влажность воздуха: это температура, при которой исследуемый воздух имеет φ=100 % (отн. вл.) или а=аmax (абсолютная влажность в г/м3) — полное влагонасыщение (т.е. при понижении температуры исследуемого воздуха нижеtросы начинается процесс конденсации избыточной влаги — выпадает роса). Воздух с улицы проникает в помещение, где температура t=+20 °С. По таблице 2 видно, что нагревшийся до температуры t=+20 °С атмосферный воздух (у которого влажность tросы= 0 °С), имеет величину относительной влажности φ =26 %, см, строку, где tросы =0 °С.
Пример 2: По данным метеосводки ta = -10 °С; φa =80 %. По таблице 2 определяем, что при tросы = ta = -10 °С максимальное значение абсолютной влажности аmax=2,27 г/м3 (т.е. при 100% относительной влажности). Соответственно, при относительной влажности 80% абсолютная влажность атмосферного воздуха (при ta =-10 °С) составит а=аmax*φ =2,27*0,8=1,82 г/м3.
В помещении t=+21 °С (см. в таблице строка tросы =+21 °С). Находим, что максимальная абсолютная влажность (аmax) воздуха при t=+21 °С составила бы 18,3 г/м3. Получаем значение φ проникшего воздуха (для t=+21 °С): φ =(а/аmax)*100 % =(1,82/18,3)*100 % =9,9%
Пример 3. Допустим, что при той же метеосводке (ta =-10 °С, φa=80 %) исследуется помещение с температурой t =+18 °С. По примеру 2 аатм воздуха 1,82 г/м3. Тогда, по таблице 2 аmax (см. строчку tросы =+18 °С, напоминаем, что при этой температуре точки росы в воздухе содержится максимально возможное количество влаги)=15,36 г/м3, и следовательно: φ (+18 °С)=(аа.в./аmax)*100 % =(1,82/15,36)*100 % =11,8 %
Из приведённых примеров видно, что холодный атмосферный воздух, имеющий на улице высокую влажность (80… 100 %), попадая в отапливаемые помещения, в которых нет специальных увлажнителей воздуха, приобретает низкие значения уровня влажности (10…30 %), т.к. относительная влажность воздуха зависит, в основном, от количества содержащихся в нём молекул воды (которое не меняется при попадании его с улицы в помещения) и его температуры (отличающейся существенно). Разумеется, полученные очень низкие значения влажности обусловлены расчётом для «идеальных» условий. На самом деле, в помещениях влажность будет немного выше расчётных за счёт дыхания людей, неполного воздухообмена с уличным воздухом (влага накапливается), открытых источников влаги (краны, открытые емкости с водой и т.п.), но вклад их не столь значителен.
Следовательно, с одной стороны, чем ниже температура атмосферного воздуха и чем он суше, а с другой стороны, чем выше температура воздуха в помещениях, тем меньше реальная величина относительной влажности воздуха в помещениях.
Итак, мы выяснили, что психрометры, особенно не имеющие системы принудительной аспирации (типа ВИТ), имеют репутацию весьма недостоверных приборов, на точность показания которых влияет ряд причин, рассмотренных выше. Достоверность же результатов, полученных с помощью цифровых измерителей влажности не вызывает сомнений.
В настоящее время рынок цифровых термогигрометров достаточно насыщен. Обширно представлены в этом сегменте и зарубежные и отечественные производители. К сожалению, ряд цифровых термогигрометров неспособны полноценно заменить приборы ВИТ. Этому есть ряд причин, главная из которых, это отсутствие у прибора сертификата об утверждении типа средства измерения. Это в основном дешевые приборы производства КНР. Приборы же отдельных отечественных производителей не выдерживают критики по таким качественным параметрам, как эргономика и главное надежность. А качество, как известно, категория экономическая.
Как пример хорошо сбалансированных по соотношению цена/качество приборов для измерения температуры и влажности, можно привести Портативный измеритель влажности IT-8-RHT
Этот переносной измеритель влажности производства НПК «Рэлсиб» обладает рядом достоинств:
• Широкий диапазон температуры эксплуатации от мин 40°С до +55°С
• Подключение взаимозаменяемых первичных преобразователей через соединители
• Два варианта подключения преобразователя температуры и влажности: жёстко к корпусу, через соединительный кабель
• Наличие дополнительного канала с НСХ Pt1000 для измерения температуры в широком диапазоне
• Широкий ассортимент датчиков температуры для дополнительного канала измерения
• Высокая точность измерения
• Низкая дополнительная температурная погрешность
• Задание порога звуковой и световой сигнализации
• Запоминание макс. и мин. значений
• Индикация температуры точки росы и точки инея
• Яркий большой светодиодный индикатор
• Возможность пользовательской юстировки без нарушения заводской настройки
• Прочный, герметичный, с прорезиненными вкладышами корпус
Если кроме измерения влажности требуется и регистрация значений, с возможностью просмотра данных на компьютере и формирования отчета, тогда оптимальным прибором для измерения и регистрации будет наш новый переносной измеритель – регистратор влажности и температуры EClerk-M-RHT.
Особенности измерителя-регистратора
• 2 канала
• яркий светодиодный индикатор
• большой объём памяти
• высокая точность
• современный эргономичный корпус
• расширенный диапазон температуры эксплуатации
• современное ПО для конфигурирования и работы с данными
• возможность записи с временными интервалами
• чувствительный элемент встроен в корпус
• в белом или черном корпусе
Если вам нужен высокоточный прибор для измерения и регулирования относительной влажности воздуха, с возможностью передачи данных по электронной почте — вам подойдет измеритель относительной влажности и температуры ИВИТ-М. Прибор сертифицирован как средство измерения в России, в республиках Казахстан и Беларусь.
Основные достоинста прибора:
• Взаимозаменяемый чувствительный элемент без потери точности
• Высокая точность измерения и стабильность показаний
• Яркий светодиодный индикатор
• Встроенный микронагреватель чувствительного элемента для защиты от конденсации влаги
• Возможность подключения до 247 приборов в одну сеть
• Возможность оснащения архивом и двухпозиционного регулятора
• Различные конструктивные исполнения (канальное, настенное, уличное)
2015 г.
relsib.com
Влажность воздуха. Методы измерения влажности воздуха
Как известно, вода занимает около 70,8% поверхности земного шара; живые организмы содержат от 50 до 99,7% воды, в атмосфере содержится 13-15 тыс. км 3 воды в виде капель, кристаллов снега и водяного пара.
Атмосферная водяной пар влияет на климат Земли, Важное значение влажность воздуха имеет в метеорологии для предсказания погоды. Поддержание постоянной влажности — обязательное условие для ткацкого, кондитерского, фармацевтического производства, для музеев и библиотек. От влажности воздуха зависит самочувствие человека, что связано с испарением влаги и поддержанием постоянной температуры тела.
Итак, измерения влажности является одним из необходимых и важных навыков как для производственных целей, так и для бытовой жизни.
1. Водяной пар. парциальное давление
В воздухе всегда есть водяной пар, но она не является насыщенной. Перемещение воздушных масс приводит к тому, что в одних местах нашей планеты испарения преобладает над конденсацией, в других — наоборот.
Содержание водяного пара в воздухе, то есть его влажность можно охарактеризовать парциальным давлением, абсолютной и относительной влажностью.
Атмосферное давление представляет собой смесь различных газов и водяного пара. Каждый из газов вносит свой вклад в суммарное давление, которое оказывает воздуха на тела.
Давление, которое оказывала бы только водяной пар при отсутствии других газов, называется парциальным давлением водяного пара.
Парциальное давление — один из показателей влажности воздуха; измеряется в паскалях (Па) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).
2. Абсолютная и относительная влажность
Для характеристики влажности ввели еще и такие понятия, как абсолютная и относительная влажность.
абсолютная влажность Абсолютная влажность — это масса водяного пара, который содержится в одном кубическом сантиметре воздуха при данной температуре. Иначе говоря, абсолютная влажность — это плотностьводяного пара при данной температуре. Единица абсолютной влажности в СИ — килограмм на метр в кубе (кг / м 3 ). Поскольку масса водяного пара в 1 см 3 небольшая, то часто для измерения абсолютной влажности используют внесистемная единица грамм на метр в кубе (г / см 3 ) : 1 г / см 3 = 0,001 кг / м 3 . Итак, если при температуре 16 ° С водяной пар составляет 4 г / 3 , то это означает, что при данной температуре каждый кубический метр воздуха содержит 4 г водяного пара. На основании величины абсолютной влажности воздуха нельзя составить объективную картину о степени влажности воздуха, так как при одинаковой массы водяного пара, но большей температуры, воздух будет более сухим, а по меньшей температуры — более влажным. |
относительная влажность Чтобы определить степень влажности воздуха, необходимо понимать, насколько водяной пар близка к насыщению. Для этого вводят понятие относительной влажности. Относительная влажность — это отношение абсолютной влажности воздуха при некоторой температуре до густоты насыщенного водяного пара при той же температуре: Относительную влажность обычно определяют в процентах; она не может быть больше, чем 100%. Составлены таблицы, в которых приведены плотность насыщенных водяных паров г. н при различных температурах.
Определение относительной влажности можно сформулировать и иначе. Относительная влажность воздуха — это отношение давления водяного пара в ней с некоторой температуры (парциального давления) до давления насыщенного водяного пара при этом самой температуры: Величину давления насыщенного пара р н при данной температуре можно найти в таблице.
Для измерения относительной влажности воздуха необходимо: 1) измерить температуру воздуха и по таблице найти давление насыщенного пара, который соответствует данной температуре 2) определить точку росы и по таблице найти давление водяных паров, соответствует этой же температуре 3) вычислить относительную влажность воздуха по формуле. |
Таблица 2 Плотность и давление насыщенного водяного пара при температуре от 0 до 30 ° С
| Таблица 3 психрометрические таблица
|
3. Точка росы
Относительная влажность воздуха зависит не только от абсолютной влажности, но и от температуры. Если количество водяного пара в воздухе не изменяется, то с понижением температуры относительная влажность возрастает, поскольку чем ниже температура, тем ближе водяной пар к насыщению. Для вычисления относительной влажности пользуются соответствующими таблицами (см. Табл. 2), где приведены значения (или ).
Задача. Пусть абсолютная влажность воздуха 28 ° С равна 13,6 г / 3 . Поскольку плотность насыщенного водяного пара при этой температуре равна 27,2 г / 3 (см. Табл. 2), то относительная влажность составляет
Предположим, что температура воздуха снизилась до 16 0 С, а абсолютная влажность не изменилась. При этой температуре относительная влажность воздуха
то есть воздух будет насыщенным водяным паром. Если же температура снизится до 10 ° С, то с каждого кубического метра воздуха сконденсируется по 13,6 г — 9,4 г = 4,2 г водяного пара.
Таким образом, снижая температуру, можно доказать относительную влажность воздуха до 100%, не изменяя количество пара, которая в нем.
Точкой росы называют температуру, при которой относительная влажность воздуха составляет 100 % (воздух оказывается насыщенным водяным паром) .
В рассмотренном выше примере точка росы равна 16 ° С. Если температура воздуха станет хотя бы немного ниже точки росы, пара начнет конденсироваться, появятся туман и капли росы на различных предметах.
3. гигрометр. психрометр
Для определения точки росы водяных паров, содержащихся в воздухе, созданы специальные приборы — гигрометры .
Наиболее простыми являются металлический гигрометр Ламберта и волосяной гигрометр .
Основной частью металлического гигрометра Ламберта (рис. 1) является металлический сосуд в форме цилиндра 3, ось которого занимает горизонтальное положение. Одна основание цилиндра снаружи блестящая. В середину цилиндра входит трубка 2, которая присоединяется к резиновой груши — воздуходувка 1. В цилиндр наливают эфир. Продувая через этот цилиндр воздуха, ускоряют его испарения. Испаряясь, эфир охлаждается и охлаждает цилиндр. Когда температура цилиндра становится равной температуре точки росы, его поверхность «потеет». Для измерения температуры внутрь цилиндра вставляют термометр 4, а чтобы момент выпадения росы был заметным на цилиндр надевают блестяще кольцо 5, изолированное от него теплоизоляционной прокладкой.
Действие волосяцого гигрометра обезжиренной волоса человека основана на том, чтобы уменьшать длину, если Риве нь влажности снижается, или видовжуватись в случае его увеличения. Растянутую с помощью подвеса волос размещают вертикально и прикрепляют к ш калы, проградуированный в единицах влажности . До самой волоса прикрепляется стрелка-показчиик. которая п ид время измерения влажности смещается по шкале вверх или вниз.
pobut.lviv.ua
Методы измерений влажности воздуха и газов.
В настоящее время наибольшее распространение в промышленных приборах получили следующиеметоды измерения влажности газов и воздуха: психрометрический, точки росы, сорбционный и оптический.
Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрической разности температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный фитиль водой. Испарение, а следовательно, и охлаждение с поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разность температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.
Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным находящейся в нем влагой. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара на зеркальной поверхности, температура которой может устанавливаться любой в интервале температур работы влагомера.
Сорбционный метод основан на связи физических свойств гигроскопических веществ с количеством поглощенной ими влаги, зависящей от влажности анализируемого газа.
Оптический метод основан на измерении ослабления инфракрасного (ИК) излучения за счет его поглощения парами воды.
Психрометрический метод. В психрометрическом методе используется зависимость между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:
рн.м – р = Арб(tc – tm) (1)
где р — парциальное давление пара в парогазовой смеси; рн.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра tm; рб — барометрическое давление; А — психрометрическая постоянная; tc — температура сухого термометра.
Относительная влажность φ может быть определена из (1) следующим образом:
φ = р/рн.с100 = 100[рн.м — Арб(tc – tm)]/ рн.с (2)
где рн.с , рн.м — парциальное давление насыщенного пара при температурах tc и tm.
В связи с тем, что рн.с и рн.м, однозначно определяются tc и tm, то при А = const, можно получить зависимость
φ = f(tc – tm,tc) (3)
По этой зависимости можно составить психрометрические таблицы. Таблицы могут быть различными для разных конструкций мокрого термометра. Психрометрическая постоянная А определяется условиями теплоотвода от термометра через фитиль в окружающую среду (размерами и формой резервуара или гильзы термометра, теплопроводностью гильзы и ткани фитиля, смоченностью ткани и другими факторами), поэтому практически для каждой новой конструкции А будет отличным от других. Для обеспечения постоянства А для каждой конструкции обеспечивают такой режим обдува мокрого термометра (как правило, V ≥ 3 м/с), при котором А = const. Зависимость (3) может быть аппроксимирована семейством прямых φ = const в координатах tm,tc. Полагая, что прямые φ = const пересекаются в одной точке с координатами ta,tb (рис. 1), можно считать,
φ = f(tm – ta)/(tc — tb) (4)
Рис. 1. Зависимость относительной влажности от температур «мокрого» и «сухого» термометров:
1 — 5 — φ = 100 %; 80; 60; 40; 20
Рис. 2. Принципиальная схема психрометра с термопреобразователями сопротивления
Принципиальная измерительная схема психрометра с преобразователями сопротивления представлена на рис. 2. При соответствующем подборе плеч мостов можно считать, что Uab = k1(tm – ta) и Ucd = k2(tc— tb). В момент компенсации Uab = Uef = mUcd, где m — относительное положение движка реохорда, тогда
m = k1 (tm – ta)/ [k2(tc — tb)] (5)
Шкала психрометра градуируется в процентах относительной влажности. Возможны различные модификации этой схемы, но, как правило, принцип действия остается неизменным.
Преимущества психрометрического метода — достаточно высокая точность и чувствительность при температурах выше 0 °С. К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с непостоянством психрометрической постоянной А.
Метод точки росы. По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод один из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров, основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало, обдуваемое анализируемым газом. Зеркало необходимо охлаждать, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся в анализируемом газе. Одновременно фиксируется температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).
Для технических измерений разработаны автоматические влагомеры точки росы. Одна из схем такого влагомера представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема влагомера точки росы:
1 — канал; 2 — камера; 3 — зеркальная поверхность; 4 — источник измерения; 5 — оптрон; 6 — термобатарея; 7 — термопара
Газ, очищенный от примесей и пыли, по каналу 1 поступает в камеру 2, где соприкасается с зеркальной поверхностью оптического канала 3, по которому световой поток от источника 4 попадает на оптрон 5. Поверхность 3 охлаждается термобатареей 6, работающей на эффекте Пельтье. Принцип ее работы состоит в том, что при прохождении тока через соприкасающиеся поверхности разнородных проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. Так, снижение температуры на 50 °С может быть получено при пропускании тока в 6 А при напряжении питания 15 В через термоэлектронную батарею размером 40 х 40 х 40 мм, содержащую 127 элементов. При достижении точки росы на поверхность 3 выпадает роса, оптрон запирается и ток через термобатарею 6 прекращается. Термопара 7 фиксирует температуру выпадения росы. Преобразователь точки росы прибора «КОНГ-Прима» измеряет точку росы в диапазоне -30…30 °С, погрешность составляет ±0,25 и ±1 %.
При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации (выпадения росы) зависит от метода фиксации (оптический, кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы может зависеть от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. Например, наличие жира или нефтепродуктов на поверхности конденсации существенно занижает температуру точки росы. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы вызывают коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.
Сорбционные влагомеры. В сорбционных влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике технических измерений получили распространение следующие разновидности сорбционных преобразователей: электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные.
В электролитических гигрометрах измерительный преобразователь включает влагочувствительный элемент, содержащий электролит. Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что приводит к изменению концентрации электролита во влагочувствительном элементе и соответствующему изменению его сопротивления или емкости. В качестве электролита чаще всего применяют хлористый литий. Измерительные схемы электролитических гигрометров представляют собой различные варианты мостовых измерительных схем. К недостаткам электролитических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества на их показания.
Электролитические преобразователи с подогревом по своему устройству близки к электролитическим преобразователям. Однако их принцип действия отличается. Изменение электропроводности преобразователя вследствие изменения влажности газа вызывает изменение температуры преобразователя. Если влажность газа увеличивается, то электропроводность преобразователя увеличивается, что приводит к возрастанию тока, увеличению температуры преобразователя и испарению влаги из преобразователя. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению электропроводности, тока и температуры преобразователя.
Таким образом, автоматически поддерживается режим, соответствующий равновесному состоянию между парциальным давлением паров воды в анализируемом газе и парциальным давлением пара над насыщенным раствором электролита. Температура, соответствующая этому равновесию, измеряется каким-либо термопреобразователем. Электролитические гигрометры с подогревом относительно просты и надежны. Их характеристики практически не зависят от запыленности или загрязнения, скорости измеряемого газа, его давления и напряжения питания.
В кулонометрических преобразователях влажность газа определяют по количеству электричества, затраченного на электролиз влаги, которая поглощается частично гидротированным пентаоксидом фосфора. Измерительный преобразователь в этих приборах состоит из пластмассового корпуса, во внутреннем канале которого расположены два электрода в виде несоприкасающихся спиралей. Пространство между электродами заполнено частично гидратированным пентаоксидом фосфора, являющимся хорошим осушителем. Влага газа, соединяясь с гигроскопическим веществом, образует раствор фосфорной кислоты с большой удельной проводимостью. Подключенное к электродам постоянное напряжение вызывает электролиз поглощенной влаги. Количество поглощенной и разложенной воды при постоянном расходе газа одинаково и определяется концентрацией влаги в анализируемом газе.
Преимуществом кулонометрических гигрометров является независимость их показаний от напряжения питания и состава газа. Загрязнения сорбента практически не влияют на показания прибора, метод не требует градуировки на эталонных смесях и хорош для измерения микроконцентраций влаги в газах.
К недостаткам метода относится необходимость исключения паров и газов, имеющих щелочную реакцию (аммиак, амины). Их присутствие выводит из строя чувствительный элемент. На показания существенно влияют пары спиртов, которые гидролизуются на пентаоксиде фосфора с образованием воды.
В пьезосорбционных гигрометрах используется зависимость частоты собственных колебаний кварцевого резонатора от массы влаги, поглощенной сорбентом, нанесенным на поверхность кварцевой пластины.
Метрологические характеристики пьезосорбционных гигрометров определяются материалом сорбента и технологией его нанесения на поверхность кварцевой пластины. Применение в качестве сорбентов силикагеля, цеолитов, сульфированного полистирола позволяет использовать пьезосорбционный метод для измерения микроконцентраций влаги в газах. Конструкция чувствительного элемента прибора достаточно проста.
Пьезосорбционные гигрометры требуют градуировки по газовым смесям с известной влажностью. Возможны дополнительные погрешности за счет сорбирования помимо влаги других примесей анализируемого газа. Пьезосорбционные гигрометры применяются в химической промышленности и при испытаниях материалов и изделий в термобарокамерах.
64. Принцип действия и назначения диодных, резисторных, транзисторных и тиристорных опто электронных пар.
Оптопара представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. Понятие «оптрон» трактуется в литературе несколько шире, чем оптопара (слово «оптопара» само по себе несет уже некоторое ограничение — пара, т.е. всего два элемента, хотя, как правило, есть еще оптическая иммерсионная среда, да и в одном корпусе зачастую размещается не одна пара элементов). Исторически термин «оптрон» получил изначально право на существование, но вскоре выяснилось, что еще в начале 60-х годов одна из американских фирм была зарегистрирована под названием «Optron», и поэтому международные организации не рекомендуют применять то же слово для названия прибора, чтобы не переносить имя этой фирмы на изделия других производителей. Более того, МЭК (Международная электротехническая комиссия) предложила даже термин transoptor , однако он не прижился. Так или иначе, но сегодня у нас официально (в справочниках, технической документации) применяют термин «оптопара», распространяя его и на приборы с более чем двумя элементами.
Поскольку в большинстве оптопар источником служит излучающий диод, принято классифицировать оптопары по типу фотоприемников -резисторные, диодные и т.п.
3.Резисторные оптопары
В резисторных оптопарах источником является излучающий диод либо миниатюрная лампа накаливания, а приемником служит фоторезистор, чаще всего на базе селенида кадмия.
Свойства фоторезисторов не зависят от полярности питающего напряжения, поэтому выход резисторной оптопары можно подключить к цепи переменного тока, что иногда имеет существенное значение для схем управления оборудованием в цеховых условиях. Зависимость выходного сопротивления оптопары (передаточная характеристика по сопротивлению) от входного тока (протекающего через источник света), например, для оптопары ОЭП-2 или 3ОР125А показывает, как резко, на несколько порядков падает сопротивление фоторезистора под действием излучения (следует обратить внимание, что масштаб по шкале сопротивлений для этих зависимостей логарифмический, а для 3ОР125А и по оси абсцисс отложен логарифм входного тока). В то же время коэффициент передачи по току (Iвых /Iвх ) у оптопар на фоторезисторах невелик — порядка 0,3 (см. токовую передаточную характеристику оптопары АОР124А1).
Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов. Это иллюстрирует схема оптопары 3ОР125А — один излучатель передает световой сигнал одновременно на четыре фоторезистора, каждый из которых может быть подключен к своему информационному каналу. С другой стороны, эта оптопара позволяет увеличить коэффициент передачи по току — если запараллелить все четыре фотосопротивления для одного информационного канала.
Все рассмотренные примеры касались оптопар с внутренней передачей сигнала от излучателя к приемнику через иммерсионную среду, в которую они погружены в корпусе оптрона. В этом случае расстояние между передающим и приемным элементами минимально (доли миллиметра), что позволяет минимизировать потери и иметь максимально возможный коэффициент передачи (следует напомнить закономерность, известную из курса физики, что освещенность падает пропорционально квадрату расстояния от источника до приемника).
Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Пример такого рода представляет так называемая оптопара с открытым оптическим каналом В данном случае свет от источника через рабочее окно в корпусе прибора испускается во внешнюю среду, где, отразившись от специально устанавливаемого отражателя (вогнутого зеркала), возвращается в корпус оптрона и падает на два фоторезистора, которые имеют общую точку и могут электрически составлять одну половину измерительного моста (другая половина составляется из двух постоянных сопротивлений). Конструктивно фотосопротивления расположены в линию, поэтому если между оптопарой и зеркалом поместить какой-либо плоский объект, например край листа бумаги, то можно очень точно следить за его перемещением вдоль этой линии. Передаточная характеристика оптопары АОР113А показывает, как линейно реагирует ток в измерительной диагонали моста (Iизм ) на перемещения в диапазоне +/-0,2 мм (выделенная на графике зона определяется разбросом параметров).
Такие допусковые пределы на положение кромки листа или бумажного полотна могут контролироваться подобными оптопарами на листовых и рулонных печатных машинах.
Диодные оптопары
В диодных оптопарах фотоприемником служит фотодиод на основе кремния, а источником является инфракрасный диод, излучающий на длине волны около 1 мкм. Поскольку фотодиоды могут работать как в диодном, так и фотогенераторном режиме, то выходная цепь при необходимости может работать автономно — без источника питания (например, подавать сигнал непосредственно на измерительную головку, скажем, стрелочный микроамперметр или милливольтметр). Примером работы диодной оптопары в том и другом режиме служат передаточные характеристики Iвых /Iвх для прибора АОД107, В фотодиодном режиме зависимость близка к линейной, с коэффициентом передачи по току, близким к 5%, в то время как в фотогенераторном режиме нелинейность зависимости становится все более явной по мере увеличения сопротивления нагрузки выходной цепи (по мере превращения фотоприемника из источника тока в источник напряжения), что одновременно влияет на уменьшение коэффициента передачи по току (по мере снижения выходного тока).
Диодный оптрон АОД134АС представляет набор из двух оптопар в одном корпусе, что создает определенные удобства при реализации на них гальванических развязок в электротехнической аппаратуре. Коэффициент передачи по току порядка 1% типичен для диодных оптопар (на графике показана зона разброса и усредненная кривая).
Существенный рост коэффициента передачи по току достигается в диодно-транзисторных оптопарах, у которых приемник — фотодиод — выполнен интегрально на одной пластине с n-р-n-транзистором. Они как бы перекидывают мостик к другому типу оптопар — транзисторным.
Транзисторные оптопары
Типовой источник в транзисторных оптопарах — инфракрасный диод, а фотоприемником служит, как правило, кремниевый (n-р-n) одинарный или составной транзистор. Коэффициент передачи по току у транзисторной оптопары 3ОТ138 (А, Б) намного превышает (50-250%) возможности диодных оптопар (на графике показаны зона разброса и усредненная кривая). Это позволяет усилить слабый токовый сигнал в самой микросхеме оптопары, не рискуя «забить» его шумами и помехами при передаче по сигнальному кабелю. Еще большего усиления добиваются при использовании составных фототранзисторов, как, например, в оптопаре АОТ126 (А, Б). Но, как говорят, медаль имеет две стороны. Повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей. В литературе приводятся сведения о сравнении этих параметров для оптронов различных типов:
| Вид фотоприемника оптрона | Коэффициент передачи, % | Граничная частота, МГц |
| Фотодиод | 0,1 | |
| Фототранзистор | 0,3 | |
| Составной фототранзистор | 0,03 |
Из приведенных данных следует, что на сколько порядков повышается коэффициент передачи, на столько же падает быстродействие, поэтому приходится выбирать — либо то, либо другое. Диодным оптопарам отдается предпочтение в компьютерных каналах связи, где быстродействие — один из определяющих параметров, а сам сигнальный импульс достаточно чист и уверенно воспринимаем. Транзисторные оптопары более применимы к аналоговым сигналам, а то и используются в виде датчиков, как, например, оптопары с открытым оптическим каналом АОТ146 (отражательного типа) или АОТ151А (щелевого типа).
Датчики на базе оптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности (например, бумажной пыли в печатных машинах). Оптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей (например, в принтерах, сканерах), когда, скажем, каретка доходит до крайнего положения и необходимо остановить движение или осуществить реверс. При этом заслонка или «флажок», связанный с кареткой, входит в щель оптопары, прерывая световой поток и сообщая тем самым о достижении крайнего положения.
Тиристорные оптопары
В отличие от транзисторных тиристорные оптопары позволяют усиливать информационный сигнал не только по току, но и по мощности, поскольку приспособлены для работы при напряжениях на входе и выходе, отличающихся на порядки: на входе сигнал уровня 5 В (компьютерный) превращается на выходе в 220 В переменного тока. Такая тиристорная оптопара в свою очередь может использоваться для управления тиристорами на десятки киловольт или сотни ампер (например, в энергетических сетях).
Билет 17
infopedia.su