Список основных обозначений:

V – объем влажного воздуха;

T – температура воздуха;

M – масса влажного воздуха;

m_a – масса сухого воздуха;

m_п – масса водяного пара;

p – барометрическое давление;

p_а – парциальное давление сухого воздуха;

p_п – парциальное давление водяного пара;

p_н – давление насыщения водяного пара;

d – влагосодержание воздуха;

ρ_п – плотность водяного пара (абсолютная влажность воздуха);

ρ_н – плотность насыщенного водяного пара;

T_d­ – температура точки росы;

T_h – температура влажного термометра;

φ – относительная влажность воздуха;

m_p – весовая концентрация;

c – полярная (эквивалентная) концентрация;

a – химическая активность;

f  – коэффициент химической активности;

l –  эквивалентная электропроводность;

b – температурный коэффициент электропроводности;

g  – удельная электропроводность.

 

Раздел I

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

Методы и средства измерения влажности, т.е. наличия молекул воды в веществе, делятся на три группы в зависимости от фазового состояния исследуемого вещества или среды:

1)     Измерение влажности газов – определение физических величин, характеризующих содержание водяного пара в воздухе или иных газах;

2)     Задачи измерения влажности жидкостей формулируются как спорадическое или непрерывное определение содержания воды в жидкостях в случаях, когда вода не является основным компонентом, а только примесью (например в нефти, маслах, спирте, органических растворителях и др.);

3)     Измерение влажности веществ находящихся в твердой фазе проводится для определения количества гигроскопической или свободной (кристаллизационной или абсорбированной) воды в веществе. Метод и средства измерений существенно зависят от вида и состояния исследуемого материала: монолитный, кусковой, листовой, сыпучий, липкий и т.д.

Знание влажности воздуха и прочих газов может оказаться существенным для контроля различных физико-химических и биологических процессов. Необходимость ее намерения связана с причинами, которые можно классифицировать в соответствии с задачами, приведенными ниже.

Бытовое кондиционирование воздуха. Диапазон значений относительной влажности, соответствующий ощущению комфорта, довольно широк и составляет 35 - 70%. При влажности ниже 35% могут возникать раздражения дыхательных путей, а выше 70% происходит опасное для организма ослабление кожного дыхания и потовыделения. В качестве другого критерия можно использовать энергозатраты, необходимые для поддержания определенных климатических условий; так, поддержание высокой влажности при неправильной регулировке кондиционера повлечет за собой неоправданный перерасход энергии при сохранении такого же ощущения комфорта.

Кондиционирование воздуха в промышленности. Требования к влажности в промышленности существенно различаются в зависимости от вида производства. В ряде случаев необходимо поддержание постоянных условий, например, в текстильной промышленности, поскольку изменение влажности приводит к изменению характеристик волокна (механическое натяжение, электрическое сопротивление и т. д.) и может повлиять на работу станков.

В пищевой промышленности оптимальные условия хранения различаются для разных продуктов. Обычно желательны стабильные температура (около 0°С) и очень высокая относительная влажность (85 - 90%, а в отдельных случаях даже выше), так как изменение условий хранения в сторону более высокой влажности может привести к появлению плесени, а снижение влажности приведет к потере массы в результате испарения.

Обнаружение следовых количеств водяного пара. Во многих технологических процессах необходимо избегать присутствия следовых количеств водяного пара, как в воздухе, так и в различных газах (углекислый газ, гексафторид серы, этилен, природный газ и т. п.), поскольку присутствие слишком большого количества водяного пара может привести в ряде случаев либо к нежелательной побочной реакции, либо к конденсации. В наибольшей степени потребность в промышленных датчиках для измерения очень низких значений относительной влажности (порядка нескольких десятитысячных долей процента) ощущается в ядерной энергетике, микроэлектронике, металлургии, теплотехнике, электроэнергетике высоких напряжений.

Эксплуатация теплообменников. Некоторые типы теплообменников основаны на использовании массопереноса, связанного с испарением воды (градирни, скрубберы) или с конденсацией водяного пара (холодильные батареи, испарители кондиционеров или тепловых насосов). Эти виды переноса тесно связаны с влажностью воздуха, которую, следовательно, необходимо измерять либо для определения тепловых характеристик установки, либо для контроля за ними в ходе процесса.

Контроль над работой сушилен. Влажность воздуха на выходе сушильни является очень важным параметром при расчете ее энергопотребления. Действительно, в энергетическом балансе работы сушильни с горячим воздухом иногда до 80% потерь тепла связано с уходящим воздухом. Поэтому выгодно осуществлять процесс сушки при минимальном расходе воздуха и выбрасывать воздух наружу при максимальной влажности (однако без снижения скорости сушки).

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВЛАЖНОСТЬЮ

Основной объем измерений влажности в промышленности и в быту составляет измерение влажности воздуха. Рассмотрим объем V влажного воздуха, находящегося при температуре Т. Масса М влажного воздуха, содержащегося в этом объеме, является суммой массы сухого воздуха m_a  и массы водяного пара m_п.

Общее, или барометрическое, давление p также представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха p_a и водяного пара p_п. Напомним, что парциальным давлением того или иного компонента в смеси газов называется давление, которое имел бы данный компонент при удалении из объема, занимаемого смесью, всех остальных газов. Максимальная величина парциального давления водяного пара, находящегося в смеси с воздухом при данной температуре, ограничивается давлением насыщения p_н. Зависимость между парциальным давлением p_н и температурой показана на рис.1.1.

Рис. 1.1. Зависимость между температурой T и давлением насыщения p_н водяного пара.

 

При парциальном давлении p_п ниже давления насыщения p_н пар в воздухе является перегретым, а когда парциальное давление p_п доходит до давления насыщения p_н, пар становится насыщенным. Если же воздух, содержащий насыщенный пар, охлаждается, этот пар превращается в мокрый. Состояние мокрого пара в воздухе неустойчиво. Взвешенный в нем конденсат очень быстро осаждается на ограждающих поверхностях, и мокрый пар переходит в сухой насыщенный.

 Влажность газов, жидкостей, твердых и сыпучих сред можно измерять в одних и тех же единицах, используя понятие влагосодержание. Кроме того, влажность воздуха и других газов характеризуют одной или несколькими из следующих величин: абсолютной или относительной влажностью, температурой точки росы, температурой влажного термометра, давлением водяного пара.

Количество влаги в жидкостях, сыпучих средах и твердых телах измеряется или влагосодержанием, как указывалось выше, или влажностью.

Влагосодержание воздуха d [кг/кг] равно массе m_п водяного пара приходящийся на единицу массы (1 кг) сухой части воздуха. Таким образом, влагосодержание определяется отношением плотности водяного пара в воздухе к плотности собственно воздуха. Для практических расчетов удобно выражать влагосодержание d в граммах влаги на 1 кг сухого воздуха [г/кг_сухого].

Абсолютная влажность воздуха ρ_п [кг/м³] равна массе водяного пара, содержащегося в единице объема влажного воздуха (парогазовой смеси). Величина ρ_п как правило выражается в граммах на 1 м³ влажного воздуха [г/м³_{влажного}] и характеризует плотность водяного пара.

Относительная влажность воздуха φ [%] – величина, характеризующая степень насыщения воздуха водяными парами. Она равна отношению парциального давления содержащегося в воздухе водяного пара p_п к парциальному давлению насыщенных водяных паров p_н при одной и той же температуре φ = (p_п / p_н)·100 или φ = (ρ_п / ρ_н)·100%; где ρ_н [кг/м³] – плотность насыщенного водяного пара при температуре влажного воздуха.

Температура точки росы T_d [ºC] – это температура, до которой необходимо охладить влажный воздух, чтобы достичь насыщения, сохраняя постоянным массовое содержание влаги в процессе охлаждения. При температуре точки росы p_п = p_н.

Температура влажного термометра T_h [ºC] – это температура равновесного испарения воды в воздух в случае, когда необходимая для испарения теплота поступает только из воздуха.

Давление водяного пара p_п [Па] равно парциальному давлению водяного пара в воздухе. В метеорологии это давление обычно выражают в миллибарах.

Давление насыщенного пара p_н (T) [Па] – давление пара, находящегося в равновесии с жидкой водой при температуре T. Это максимальное значение, которое может принимать парциальное давление пара p_п при температуре T, далее уже происходит конденсация.

Содержание воды в жидкостях выражают в массовых процентах, отнесенных или к полной массе жидкости (влажность) или к массе безводной ее части (влагосодержание), а также в абсолютных единицах грамм или, чаще, миллиграмм воды в одном литре жидкости [мг/л].

В иностранной литературе последнюю единицу, для воды практически равную одной миллионной доле содержания воды в жидкости по объему, обозначают также [ppm] (partes promillion); 1 ppm = 1·10^-4% объема.

Влажность твердых, кусковых и сыпучих материалов определяют или влагосодержанием в килограммах воды на 1 кг абсолютно сухого материала [1кг_воды/1кг_{абс.сух. мат.}]·100%, или влажностью [1кг_воды/1кг_{влаж. мат.}]·100%.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Методы измерения влажности газов, весьма многочисленные и разнообразные, укрупненно могут быть подразделены на специфичные, т.е. применимые только для определения паров воды (иногда и паров других веществ) в газах, и неспецифичные, т.е. модификации общих физических методов газового анализа, предназначенные для решения частной задачи определения влажности газов.

Наибольшее значение, особенно для промышленного контроля, имеют специфичные методы. Для них характерно использование конденсированной фазы, по роду которого они делятся на два больших класса: 1) по образованию (или по условиям образования) конденсированной фазы из водяного пара газовой фазы и 2) по обратному воздействию (реакции) водяного пара газовой фазы на конденсированные системы.

К первому классу относятся 2 группы методов. Методы на основе полной конденсации водяного пара из пробы и методы на основе термодинамических свойств, характеризуемые диаграммой «давление – температура». При использовании метода полной конденсации водяной пар из пробы анализируемого газа переводится из газовой фазы в конденсированную в результате химической реакции со вспомогательным сорбентом, или  в результате образования раствора со вспомогательным реагентом, например крепкой H₂SO₄, или в результате хемосорбции (например, CaCl₂ или P₂O₅), или путем вымораживания. О количестве сконденсировавшегося водяного пара чаще всего при автоматизированных измерениях судят, определяя вызванные конденсацией: а) тепловой эффект реакции сорбции или образования раствора; б) изменение физических свойств образующего водный раствор вспомогательного реагента, например электропроводности водного раствора H₂SO₄.

Один из влагомеров типа «а» (рис.1.2) состоит из двух трубок, по которым протекают две параллельные струи потока жидкого сорбента влаги. По правой трубке противотоком барботирует анализируемый на влагу газ. Разность температур двух потоков, обусловленная поглощением влаги из газа, выходящего после этого наружу, измеряется дифференциальной термобатареей. Пределы измерения прибора такого типа (модель «Термо-флукс», Германия) от 0 до 0,3% объемных единиц (минимум) и до 3,3% объемных едниниц (максимум). Прибор не требует электрического питания и взрывобезопасен. Аналогично устроен влагомер типа «б».

Рис. 1.2. Принцип действия влагомера, основанном на тепловом эффекте реакции сорбции.

 

Методы, основанные на термодинамических свойствах, характеризуемых диаграммой «давление – температура» для водяного пара, в частности на зависимости парциального давления пара от температуры (рис.1.1), разделяются на 2 подгруппы:

1) Измерение давлений пара и газа в двух различных точках диаграммы p – T  для водяного пара. Этот метод применим для высоких влажностей и для парогазовых смесей низкого давления (т.е. для высоких парциальных давлений водяного пара), он позволяет определить точку росы. Его недостаток – необходимость точного (до 0,2 мм рт. ст.)измерения давлений и последующих графоаналитических расчетов. Метод представляет интерес для измерения влажности сильно запыленных газов.

2) Температурно-конденсационный метод, или метод определения температуры точки росы. Он имеет большое практическое значение, в частности для измерения невысоких влажностей газов.

Ко второму классу (реакция водяного пара на конденсированные системы) относятся методы: а) психометрический, основанный на зависимости охлаждения чистой воды, испаряющейся в газовое пространство, от влажности последнего; б) температурно-равновесный, основанный на зависимости разности упругостей водяного пара над насыщенным водным раствором гигроскопической соли и над чистой водой от влажности объема газа, соприкасающегося с раствором; в) методы, основанные на зависимости физических свойств твердых гигроскопических тел от влажности газа (воздуха), с которыми они находятся в состоянии динамического гигротермического равновесия.  Наиболее широкое применение из этой группы получили методы дилатометрические (основанные на изменении линейных размеров) и электрохимические (основанные на изменении или электропроводности или количества электричества потребного для количественного электролиза сконденсированной влаги). Эти методы поддаются автоматизации и наряду с температурно-конденсационными позволяют решать подавляющее большинство задач измерения влажности газов в промышленности. Меньшее применение получили методы, основанные на измерении диэлектрической проницаемости и изменении цвета гигроскопических материалов.

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 над LiCl 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).

Рис. 1.6. Схема формирования сигнала сорбционного датчика на основе хлорида лития.

 

Влияющие факторы

Скорость потока воздуха. Большая скорость потока воздуха, обтекающего датчик на основе хлорида лития, приводит к значительному охлаждению датчика и, следовательно, к систематической ошибке в измерениях. Поэтому необходимо либо работать в совершенно спокойном воздухе, что редко бывает возможно, либо вносить поправку, либо защищать датчик кожухом, что приводит к увеличению постоянной времени запаздывания.

Температура воздуха. Если температура воздуха такова, что относительная влажность вблизи датчика ниже 12%, то температура датчика равна температуре окружающего воздуха. Практически пределом можно считать 15 и даже 20%; поскольку датчик сам испускает тепло, температура слоя воздуха вблизи датчика ниже температуры окружающего воздуха.

Состояние анализируемого воздуха. Присутствие в воздухе частиц воды может вызвать замыкание витков и, следовательно, порчу датчика. Непроводящие частицы не мешают измерению, тогда как осаждение проводящих частиц (следовые количества SO₂, S0₃, NH₃ и т. п.) приводит к ошибочным измерениям. Датчик, используемый в грязном воздухе, необходимо часто подвергать регенерации.

Ниже приведен перечень коррозионных и некоррозионных газов для датчика на основе хлорида лития.

Коррозионные газы: трехокись серы, высококонцентрированная двуокись серы, пары серной кислоты, аммиак, высококонцентрированная двуокись углерода, сероводород, газ с конденсирующимися тяжелыми углеводородами.

Некоррозионные газы: кислород, инертные газы, азот, водород, циановодород, природный газ, печной газ.

Метрологические характеристики

Гигрометры на основе хлорида лития позволяют измерить температуру точки росы с малой погрешностью. Тот факт, что равновесная температура получается при нагреве датчика, а не при его охлаждении, обеспечивает им важное преимущество по сравнению с конденсационнымя гигрометрами с точки зрения простоты, надежности и цены. Воспроизводимость датчика на основе хлорида лития может быть не менее  ±0,2 °С, если он используется в стабильных условиях. Точность гигрометра зависит от точности встроенного датчика температур, от конструкции гигрометра и от режима его использования. Для большинства отградуированных датчиков суммарная погрешность измерений не превышает ±1 °С при скоростях воздушного потока <0,5 м/с. Однако в переходных областях между различными кристаллическими формами LiCl точность гигрометров значительно меньше.

Датчики на основе хлорида лития обычно используются в неблагоприятных условиях и при недостаточной информации о внешних влияниях. Поэтому эффективность их использования очень часто довольно низка. В результате градуировки, тщательной настройки и соблюдения мер предосторожности (особенно по скорости воздушных потоков) можно достичь точности определения точки росы в несколько десятых долей градуса. Постоянная времени датчиков этого типа составляет несколько минут.

Температура равновесия сорбционного гигрометра может находиться в интервале от – 40 до +120 °С, что соответствует точке росы от – 40 до +65 °С, но при этом появляются ограничения, вызываемые образованием различных гидратов хлорида лития, которые снижают температуру точки росы. В условиях перехода могут возникать метастабильные гидраты, которым отвечают различные кривые давления пара, т.е. при медленном охлаждении чистой воды до температуры ниже 0 °С происходит явление переохлаждения.

Поскольку датчики обычно используют в интервале температур от –10 до +60 °С, для температуры точки росы можно привести два интервала погрешности:

–       при –10 °C <= T_d <= +34 °C и +41 °С <= Т_d <= +65 °С погрешность определения Т_d составляет ±1 °С;

–       при +34 °С <= T_d <= +41 °С погрешность определения Т_d равна ±2 °С.

Гигрометры на основе изменения импеданса

Гигрометры на основе переменного импеданса имеют чувствительный элемент, состоящий из гигроскопичного вещества, у которого происходит изменение какого-либо электрического параметра (сопротивления или емкости) при изменении окружающей влажности. Обычно эти чувствительные элементы имеют очень малые размеры и позволяют производить сравнительно точные измерения с малой постоянной времени.

Содержание воды в гигроскопичных веществах зависит от относительной влажности воздуха, в равновесии с которым он находятся. В датчике влажности, основанном на этом принципе, используются вещества, для которых зависимость электрических свойств от содержания воды (а также от относительной влажности), обладает свойствами, которые необходимы для измерительного прибора, а именно, стабильностью во времени, обратимостью, линейностью и т. д.

Импедансные гигрометры можно разделить на три группы:

–       резистивные гигрометры:

–       емкостные гигрометры на основе полимерных диэлектриков;

–       емкостные гигрометры на основе диэлектрического оксида алюминия.

Гигрометр резистивного типа

Принцип действия и конструкция.

Определенное количество гигроскопичного вещества наносится на подложку небольших размеров (обычно со стороной в несколько миллиметров). На эту же подложку наносятся два металлических электрода из коррозионно-стойкого металла. Сопротивление между этими двумя электродами зависит от температуры и содержания воды (отношение массы поглощенной воды к сухой массе гигроскопичного вещества); как видно из рис.1.7 (изотерма сорбции), это содержание зависит, в свою очередь, от относительной влажности и от температуры окружающей среды.

Рис. 1.7. Общий вид зависимости содержания воды от влажности при различных температурах.

 

В некоторых вариантах конструкции в качестве гигроскопичного вещества используется жидкость. Электролиты проводят электрический ток, и их сопротивление зависит от объема, который пропорционален содержанию воды в них. Также известен способ преобразования относительной влажности в электрический сигнал. Зависимость между относительной влажностью и сопротивлением можно изобразить в виде изотермы сорбции. На рис.1.8 представлена типичная кривая зависимости сопротивления от относительной влажности чувствительного элемента резистивного гигрометра. Отметим, что интервал изменения сопротивления может охватывать от менее 1 до 80 МОм. В действительности сопротивление  гигрометра зависит одновременно от влажности и от температуры, однако влияние последней можно компенсировать.

Рис. 1.8. Зависимость сопротивления от относительной влажности.

 

Метрологические характеристики.

Датчики этого типа позволяют измерять относительную влажность в диапазоне от 5 ÷ 10% до 95% при температурах от –10 °С до +50 ÷ +60 °С для наиболее распространенных бытовых гигрометров. Для промышленных моделей предельная рабочая температура может достигать +80 °С.

Постоянная времени датчика составляет около 14 с. Указывается паспортная погрешность от ±2 до ±5% для различных моделей датчиков. Большая часть этих датчиков может применяться совместно с приборами, использующими насыщенные растворы солей, которые позволяют обнаружить постепенный уход от градуировочной кривой.

Меры предосторожности. Необходимо избегать прямого контакта жидкости с чувствительным элементом, что сразу же приведет к его порче. Также необходимо избегать контакта с горючими газами, содержащими растворимые в воде химические соединения, которые также могут повредить гигроскопичное вещество чувствительного элемента.

Емкостный гигрометр на основе полимерного диэлектрика

Принцип действия и конструкция.

Слой полимерного диэлектрика толщиной несколько микрон поглощает из окружающего воздуха молекулы воды, в результате чего устанавливается равновесие с воздухом. Это приводит к изменению диэлектрической постоянной слоя и, соответственно, изменению емкости конденсатора, в котором используется этот диэлектрик. Опыт показывает, что при этом изменение емкости в зависимости от относительной влажности достаточно хорошо описывается линейным законом, а коэффициент пропорциональности слабо зависит от температуры.

Существуют различные способы изготовления тонкослойных конденсаторов. Описываемая ниже конструкция (рис.1.9а) представляет собой датчик, выпускаемый фирмой CORECI.

Рис. 1.9. Емкостной гигрометр на основе полимерного диэлектрика.
а – измерительная ячейка (фирма CORECI); б – пористый электрод, (увеличение в 10⁴) (LETI CORECI):

1–тантал; 2–пористый электрод; 3–полимер; 4–подложка.

 

Технология изготовления включает осаждение полимера на первый танталовый электрод, а затем нанесение на полимер тонкого (толщиной от 100 до 10000 Å) слоя хрома путем вакуумного напыления. Этот слой вызывает появление трещин в диэлектрическом слое (рис.1.9б), что, в частности, устраняет зависимость постоянной времени запаздывания от толщины этого слоя. Здесь хром используется для того, чтобы сделать датчик не чувствительным к серосодержащим примесям. В некоторых емкостных гигрометрах в качестве пористого электрода используется очень тонкий (~100 Å) слой золота.

Метрологические характеристики.

Диапазон измерений влажности охватывает от 0 до 100% для температур – 40 °С ÷ +80 °С или даже до +100 °С в зависимости от типа датчика.

Погрешность таких гигрометров составляет от ±2 до ±3% в зависимости от рабочей области и типа прибора.

Постоянная времени для достижения 90% конечной величины влажности при изменении относительной влажности от 50 до 90% (или в обратном направлении) составляет ~1 ÷ 2 с.

Влияние температуры на чувствительный элемент датчика пренебрежимо мало, что позволяет обойтись без температурной компенсации. Чувствительный элемент можно погружать в воду практически без риска его испортить.

Как и резистивные датчики, эти гигрометры можно применять совместно с портативными калибровочными приборами, в которых используются насыщенные растворы солей.

Емкостный гигрометр на основе диэлектрического слоя
оксида алюминия

Принцип действия и конструкция.

Используемый диэлектрик представляет собой слой оксида алюминия, нанесенный посредством анодного осаждения на алюминиевую пластинку, представляющую собой первый электрод; в качестве другого электрода служит слой металла, нанесенный на диэлектрик (рис.1.10а). Импеданс гигрометров этого типа, как и описанных в предыдущем разделе, меняется в зависимости от относительной влажности окружающей среды (рис.1.10б).

Рис. 1.10. Гигрометр на основе диэлектрика (Al₂O₃).
 а – ячейка производства фирмы Panametrics; б – эквивалентная электрическая схема:

R₀, C₀–импеданс компактной части; R₁–сопротивление боковой поверхности пор; R₂, C₂–импеданс участка между дном пор и внутренним электродом.

 

Исследования показали, что при толщине оксидного покрытия менее 0,3 мкм изменение импеданса этого конденсатора зависит только от парциального давления водяного пара и не зависит от температуры. Это позволяет измерять абсолютную влажность.

Анодное осаждение осуществляется путем электролиза водного раствора серной кислоты, причем анод изготавливается из алюминия. Выделяющийся на этом электроде кислород превращает металл в оксид, при осаждении которого возникает множество точек схлопывания, что приводит к пористой структуре слоя. Например, при использовании сернокислотной ванны (15%), температуре +10 °С и напряжении электролиза 15 В образуется порядка 7,7·10¹⁰ пор на 1 см² диаметром от 100 до 300 Å каждая, так что реальная площадь адсорбции составляет ~0,2 м² на 1 см² эффективной площади. Варьируя технологические параметры, можно изменять форму, распределение пор и, следовательно, свойства осаждаемого слоя в зависимости от ожидаемой влажности. Эти параметры включают температуру и концентрацию ванны, напряжение питания, продолжительность окисления и ионные добавки к раствору. Так же можно изготавливать датчики, приспособленные к определенным условиям: низкой влажности, высокой температуре и т.п.

Гигрометры, основанные на этом принципе, наиболее удобны для измерения низких значений влажности. В этом случае необходимо, чтобы толщина пористого слоя была минимальной; после анодного осаждения слой полируют, чтобы уменьшить его толщину и сделать датчик чувствительным исключительно к температуре точки росы конкретной окружающей среды.

Второй металлический электрод наносится на поверхность оксида алюминия; для этого могут быть использованы алюминий, медь, золото, серебро, платина, палладий, нихром. Указанный электрод должен быть достаточно малым, чтобы не закрывать сверху пористый слой оксида алюминия более, чем это необходимо.

Метрологические характеристики.

Наиболее важное свойство гигрометра этого типа состоит в том, что он позволяет определить температуру точки росы, причем в широком интервале температур (от – 80 до +70 °С).

Поскольку датчик предназначен для непосредственного использования в точке измерения, он не требует специального приспособления для отбора проб. Это значительно улучшает быстродействие прибора, поскольку при очень низких значениях точки росы для установления равновесия в самой простой системе отбора проб в виде 1 – 2 м трубки из нержавеющей стали и маленькой измерительной камеры может потребоваться несколько часов при переходе от точки росы +10 °С к –70 °С. Действительно, для таких очень низких значений точки росы время установления гигроскопического равновесия системы трубок с воздухом чрезвычайно велико, а скорость установления равновесия зависит от его расхода, температуры, используемых конструкционных материалов и давления в системе. Напротив, постоянная времени датчика на основе оксида алюминия, расположенного непосредственно в исследуемой газовой среде, очень мала и составляет всего несколько секунд.

Показания этих датчиков не зависят от потока: максимальная допустимая скорость ограничивается механической прочностью и составляет около 50 м/с. Датчики этого типа можно использовать при любых давлениях от вакуума до нескольких сотен атмосфер.

Гигрометры на оксиде алюминия позволяют измерять влажности как газов, так и жидкостей. Тем не менее, не рекомендуется использовать эти датчики в средах, содержащих корпозионно-активные вещества, такие, как хлорид натрия, сера которые взаимодействуют с алюминием и, следовательно, могут повредить чувствительный элемент.

Электролитический гигрометр

Принцип действия и конструкция

Электролитические гигрометры позволяют определить очень низкие содержания водяного пара в воздухе, содержащем другие газы.

Чувствительный элемент такого гигрометра (рис.1.11) состоит из трубки длиной 10 см, в которой размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (P₂0₅) между ними.

Рис. 1.11. Конструктивная схема электролитического датчика (фирма Beckaman):

1–оболочка из тефлона; 2–трубка для пропускания воздуха;
3–электроды; 4–корпус из нержавеющей стали; 5–соединительные зажимы.

 

Исследуемый газ циркулирует в измерительной трубке, а содержащийся в нем водяной пар поглощается фосфорным ангидридом, который превращается при этом в фосфорную кислоту. Между электродами создается постоянное напряжение около 70 В, вызывающее электролиз воды с выделением кислорода и водорода и регенерацию фосфорного ангидрида. Согласно закону Фарадея, который определяет соотношение между количеством электричества, проходящим между электродами, и количеством воды, подвергнутой электролизу, для того, чтобы произошла диссоциация 1 г-эквивалента (т.е. 9 г) воды, необходимо 96500 Кл электричества. Один моль воды содержит 16 г кислорода и 2 г водорода и включает две связи. Если обозначить массу воды, расщепленной в ходе электролиза за единицу времени, через dm_e /dt, то сила электрического тока составит:

где I выражено в амперах, a dm_e /dt в кг/с. Обозначив расход воздуха (м³/с), циркулирующего в датчике, через Q, а концентрацию водяного пара, выраженную в кг пара на 1 м³ воздуха, через С, значение dm_e /dt можно выразить соотношением:

,

где a - коэффициент захвата молекул воды слоем Р₂0₅.

При подходящей геометрии датчика и определенной величине расхода значение a можно довести практически до единицы. Однако в любом случае при заданной геометрии этот коэффициент остается постоянным, если постоянна скорость воздуха, и благодаря градуировке можно определить его действительную величину.

Замечание. Поскольку электролитический гигрометр пригоден только для измерений очень малых концентраций воды, различие между расходами влажного и сухого воздуха здесь не делается.

Вышеприведенное соотношение для тока I можно записать как:

  либо

, где

При заданном объеме воздуха ток в электролите пропорционален концентрации водяного пара С, выраженной в кг пара на 1 м³ воздуха.

Замечание. Обычно результаты измерений выдаются в виде объемной концентрации, выраженной в миллионных долях (ppm), т. е. в умноженном на 10⁶ отношении объема пара к объему воздуха. (Под «объемом пара» понимается объем, который занимал бы при аналогичных условиях по температуре и давлению пар заданной массы.)

Метрологические характеристики

Рассматриваемый гигрометр лучше всего подходит для измерений в газах с очень малым содержанием воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции воды трубопроводами, которые делают результаты промышленных измерений сомнительными при достижении температуры точки росы –70 °С (10 – 20 ppm). Действительно, даже при использовании труб из нержавеющей стали вследствие этих явлении сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч при концентрациях ниже 10 ppm (Т_d < –70 °С).

Рабочий диапазон некоторых моделей таких гигрометров распространяется вплоть до 30000 ppm (Т_d = +30 °С), однако при переходе уровня 10000 ppm возникает опасность разрушения датчика теплотой, выделяемой электролитом; кроме того, коэффициент захвата молекул воды изменяется при высоких значениях влажности. Постоянная времени прибора зависит, главным образом, от направления, в котором происходит изменение влажности: при повышении влажности (от 10^-2 до 10^-1%) постоянная времени обычно не превышает 30 с; при снижении влажности (от 10^-1 до 10^-2%) эта величина может достигать нескольких минут.

Меры предосторожности. В соответствии с принципом действия датчика происходит непрерывная регенерация фосфорного ангидрида P₂O₅. Однако срок службы этого слоя не безграничен и необходимо периодически производить регенерацию прибора.

Частота регенерации зависит от условий использования и от чистоты анализируемого газа. Ее можно уменьшить путем ис­пользования фильтров из термообработанной нержавеющей стали. Не рекомендуется использовать гигроскопичные фильтры.

Электролитические гигрометры позволяют измерять влаж­ность различных газов: азота, водорода, воздуха, метана, дву­окиси углерода, хладагентов (фреонов и т. д.). Однако в неко­торых газах проводить измерения не рекомендуется, поскольку они могут разрушить датчик или повлиять на его функциониро­вание: это — аммиак, пары спиртов, амины, которые вступают в химические реакции с P₂O₅.

Психрометр

Принцип действия. Уравнение психрометра

Этот гигрометр состоит из двух термометров, определенным образом продуваемых воздухом, влажность которого хотят из­мерить. Чувствительный элемент одного из двух термометров обернут марлей, увлажняемой дистиллированной водой. Испа­рение воды в воздух вызывает охлаждение термометра до рав­новесного значения температуры T_h, называемой «температурой влажного термометра». Другой термометр измеряет температуру воздуха T, называемую, напротив, «температурой сухого термо­метра».

Измерение температуры влажного термометра с помощью психрометра представляет собой экспериментальный способ оп­ределения теоретической величины, называемой «термодинами­ческой температурой увлажненного термометра».

Температуре влажного термометра можно дать следующую физическую интерпретацию: это температура равновесного ис­парения в воздух массы дистиллированной воды, если теплота, необходимая для такого испарения, поступает только из воздуха.

В пограничном слое влажного фитиля воздух насыщен при температуре T_h. Путем расчета энтальпий влажного воздуха на входе и выходе психрометра можно получить формулу, связывающую величины парциального давления пара и температур «сухого» и «влажного» термометров:

где    α – коэффициент, зависящий от T и T_h и характеризующий психрометр. В случае идеального функционирования α = 1;

          A – психрометрическая постоянная. При +10 ºС < T < +10 ºС A = 0,00064.

Приведенное выше соотношение позволяет на основе измерений T и T_h и известном барометрическом давлении p определить парциальное давление водяного пара p_п и, следовательно температуру точки росы T_d и относительную влажность φ.

Психрометр с электростимулированным обдувом

Циркуляция воздуха в этом психрометре (рис.1.12) осуществляется с помощью вентилятора, приводимого в действие либо пружинной механической системой (в простейших моделях), либо электродвигателем (в моделях с непрерывным поступлением воды).

Рис. 1.12. Электрический психрометр с обдувом (конструкция фирмы Ultrakust).

1–трубка обдува; 2–металлическая гильза; 3–сухой термометр;
4–влажный термометр; 5–двигатель вентилятора; 6–вентилятор;
7–резервуар с дистиллированной водой; 8–влажный фитиль.

 

В соответствии с принципом действия психрометра теплота, необходимая для испарения воды из фитиля, должна отбираться из воздуха, поэтому приборы снабжаются противорадиационным экраном, и в тепловом балансе должен преобладать конвективный теплообмен. Для этого необходима минимальная скорость потока 2 – 4 м/с.

Измерение температуры сухого термометра и температуры влажного термометра производится с помощью либо ртутных термометров в механических психрометрах, либо с помощью платиновых термометров сопротивления (100 Ом при 0 °С), термопар или полупроводниковых термометров. Влажный термометр обернут хлопчатобумажной тканью. Температура воды, используемой для смачивания фитиля, влияет на постоянную времени прибора. (Идеальным было бы смачивание фитиля водой, имеющей температуру влажного термометра.)

Поскольку вода поступает к влажному термометру непрерывно, необходимо, чтобы участок фитиля (примерно вдвое длиннее датчика температуры) контактировал с воздухом для сокращения поступления тепла вследствие теплопроводности со стороны резервуара с водой.

Метрологические характеристики

Основным достоинством психрометра является высокая воспроизводимость, достижимая при условии соблюдения ряда мер предосторожности.

Точность психрометра зависит от его конструкции (противорадиационная защита, достаточная скорость течения воздуха и т.д.) и от аккуратности проведения измерений. При высокотемпературных измерениях иногда необходимо проверять градуировку.

Чувствительность психрометра зависит только от чувствительности датчиков температуры. Дифференциальная схема включения датчиков температуры обеспечивает прекрасную чувствительность и очень хорошую точность даже вблизи насыщения, т.е. в той области, где применение большинства датчиков влажности ограничено.

Важным достоинством психрометров является их простота: они просты в изготовлении и сравнительно дешевы.

Обычно психрометры используются в системах кондиционирования воздуха. Эта область применения может быть несколько расширена при соблюдении ряда условий.

Низкотемпературный предел. Измерение Т_h ниже или вблизи 0 °С затруднено, так как необходимо проверять, покрыт ли термометр льдом или переохлажденной водой. В этих случаях используются различные уравнения.

Высокотемпературный предел. Необходимо рассмотреть два случая:

1. Психрометры, не рассчитанные на непрерывную подачу воды от фитиля, имеют высокотемпературный предел, обусловленный тем, что вода, смачивающая фитиль, может испаряться быстрее, чем устанавливается равновесие в колбе с влажным воздухом. Обычно полагают, что температура +40 °С является пределом.

2. Психрометры, рассчитанные на непрерывную подачу воды с расходом, компенсирующим испарение, пригодны для использования вплоть до температур +90 ÷ +100 °С, если температура резервуара равна температуре пробоотбора (+200 °С и выше), а резервуар и систему подачи можно поддерживать при температурах ниже точки кипения воды.

Разработан психрометр, предназначенный специально для измерения влажности в сушильнях, которые могут функционировать вплоть до температур сухого термометра порядка +200 ÷ 250 °С при температуре влажного термометра +20 ÷ 75 °С (патент фирмы ITF - INOTECHNIQUE).

Прибор, схематически представленный на рис.1.13а (патент фирмы ITF Leblanc), снабжен, по сравнению с классическими психрометрами, рядом оригинальных приспособлений позволяющих ему функционировать при высокой температуре: например, увлажнение влажного термометра обеспечивается с использованием инжекторной системы периодической пульверизации. Эта система соединена с приспособлением для измерения изменения температуры влажного термометра и определения интервала времени, на котором устанавливается тепловое равновесие (рис.1.136). Именно на протяжении этого интервала термометр, по определению, указывает температуру влажного воздуха.

 

Рис. 1.13. Психрометр для измерения влажности при высокой температуре ( материалы фирмы Inotechnique – Richard & Pekly).
а – конструкция; б – определение интервалов времени, необходимого для достижения теплового равновесия:

1–стенка трубы; 2–инжекторы; 3–влажный датчик; 4–сухой датчик; 5–пористое тело; 6–съемный чехол; 7–соединительная муфта.

 

Градуировка

Методы градуировки с помощью гравиметрического банка

Метод состоит в разделении определенной массы влажного воздуха с помощью системы обезвоживания на сухой воздух и водяной пар при измерении по отдельности массы собранной воды m_п и массы сухого воздуха m_a. Таким образом, непосредственно получают массовое отношение влаги φ для влажного воздуха.

Этот метод считается в настоящее время наиболее точным методом измерения влажности, поскольку он позволяет непосредственно определить параметр φ – основную величину при определении влажности (т.е. этот метод является первичным методом градуировки).

Принцип, на котором базируется этот метод, очень прост, однако при желании достичь очень высокой точности его реализация может оказаться очень сложной и дорогостоящей. Национальное бюро стандартов в Вашингтоне (НБС США), считающееся авторитетным в этой области, позволяет определить массовое отношение влаги с точностью 0,1% в области изменения температуры точки росы от –30 до +30 °С.

Гравиметрический банк НБС, довольно сложный в применении, используется только для контроля градуировочных установок, называемых вторичными эталонами. Именно с помощью этих установок, более гибких в использовании, хотя и менее точных, чем гравиметрический банк (но все же достаточно точных для градуировки датчиков), проводится поверка гигрометров.

В банк стандартов, созданный Техническим центром гидромеханики и теплотехники (CETIAT), входят следующие метрологические средства:

а) генератор влажного воздуха на основе многократной циркуляции;

б) испытательная камера, в которую помещается градуируемый гигрометр;

в) образцовый гигрометр, играющий роль эталона.

Этот банк принят Национальным метрологическим бюро Франции в качестве центра поверки. Фундаментальным элементом банка поверки является эталон переноса, поскольку именно он позволяет обеспечить соответст­вие эталонным средствам НБС.

Эталон переноса спроектирован и изготовлен в CETIAT в соответствии с принципом гигрометра на основе точки росы. По сравнению с приборами классической схемы в него внесен ряд модификаций с целью повышения чувствительности и воспроиз­водимости измерений.

С помощью этой установки можно решить проблемы градуи­ровки в области, соответствующей примерно области кондицио­нирования воздуха
(–20 ºС ≤ T_d ≤ +25 ºС). Для температуры точки росы погрешность составляет ±0,03 °С при температурах выше 0 °С и ±0,05 °С при минусовых температурах. Погреш­ность в определении относительной влажности составляет ±0,8% от показаний (с учетом ошибки ±0,05 °С в измерении температуры сухого термометра).

Для высоких температур разработан генератор влажного воздуха, позволяющий получать температуру сухого термометра +150 °С и температуру точки росы +60 °С, причем точность этого эталона составляет ±0,15 °С в интервале +40 ÷ +60°С.

При низких значениях влажности диапазон может быть рас­ширен вплоть до точки росы вблизи –50 °С.

Метод насыщенных растворов солей

Метод основан на том, что водный раствор соли и водяной пар могут находиться в равновесии только в соответствии с кри­вой зависимости давления пара от температуры.

Для чистой воды равновесная зависимость p_н(T) хорошо из­вестна, а для насыщенных растворов солей кривые p_н(T) раз­личны для каждой из солей. В каждом случае кривые равнове­сия достаточно хорошо перекрываются кривыми, соответствую­щими постоянной относительной влажности. Это дает относи­тельно простой в применении метод градуировки. В табл.1.2 приведены значения относительной влажности для различных солей в интервале температур
+5 – +40 ºС.

Таблица 1.2

Соль	Относительная влажность при различных температурах, %
	10 ºС	20 ºС	30 ºС	40 ºС	50 ºС
Хлорид лития	14	12	12	11	11
Хлорид магния	34	33	33	32	31
Хлорид натрия	76	76	75	75	76
Сульфат калия	98	97	96	96	96

 

Отметим, что значение относительной влажности для определенной соли несколько изменяется с температурой, поскольку кривые равновесия для растворов солей не точно совпадают с кривыми φ = const. Поэтому для точных измерений необходимо помещать сосуд в термостат.

Этот метод особенно подходит для калибровки датчиков, не требующих циркуляции воздуха и позволяющих непосредственно измерять значения относительной влажности.

Измерение влажности жидкостей

Методы измерения влажности жидкости можно разделить на 5 групп: равновесные, испарительные, выделительные, химические и физические.

При использовании равновесных методов измерения сводятся к определению влажности газовой фазы, находящейся в подвижном гигротермическом равновесии с жидкостью, содержащей влагу. Практически используется электрохимический влагомер газов и гигроскопический дилатометрический влагомер газов. Недостаток метода – большая инерционность и невысокая точность.

При использовании испарительного метода определение содержания влаги в жидкости подменяется определением ее в газе, для чего пробу влажной жидкости полностью выпаривают. Этот метод позволяет пользоваться любым типом влагомера для газов; он пригоден для измерения влажности низкокипящих жидкостей, упругость паров которых при температуре окружающего прибор воздуха не превышает рабочего давления данного влагомера (0,07 до 1,0 МПа) – фторированных углеводородов (фреона), сжиженного нефтяного газа, жидкого пропана и др. Если это давление значительно (единицы и десятки МПа), применяют редуктор давления и обогреваемый паром или электричеством испаритель. Известны конструкции полуавтоматических и автоматических кулонометрических универсальных влагомеров со встроенным испарителем, обеспечивающим возможность их применения и для газов и для жидкостей.

В выделительных влагомерах влагу сначала выделяют из контролируемой жидкости тем или иным способом (дистилляция, экстрагирование жидкостью, вымывание газом), после чего прямо или косвенно определяют содержание воды в отгоне или экстракте. При работе по методу экстрагирования (чаще всего диоксаном) нужно, чтобы экстрагирующее вещество не взаимодействовало с безводной частью контролируемой жидкости. Дистилляционный метод в прямом виде примени только к жидкостям с относительно низкой упругостью –поров (например, трансформаторное масло) и недиссоциирующим термически при температуре перегонки. Пары воды захватывают током сухого инертного газа и направляют или в осушитель, по привесу которого судят о содержании влаги в жидкости, или во влагомер для газов. При малых концентрациях воды (10^-1 до 10^-4% объемный) ее предпочтительно выделяют промыванием жидкости в колонке током тщательно осушенного (остаточное содержание влаги менее 1 – 10^-4% объемный) нейтрального газа, например, азота, в количестве не менее 1000 объемов на 1 объем H₂O, направляемого затем во влагомер для газов, чаще всего кулонометрический (рис.1.14). В отличие от других, этот вариант выделительного метода поддается полной автоматизации: известно несколько вариантов конструкций непрерывно действующих автоматических кулонометрических влагомеров для органических жидкостей.

Рис. 1.14. Схема выделительного влагомера для жидкостей с гигроскопическим кулонометрическим влагомером для газов:
 1–вход жидкости; 2–фильтр; 3–дозирующий насос; 4–сепаратор захваченной влаги; 5–электролитический измеритель, ячейка; 6–колонна для вымывания влаги газом; 7–регулятор потока газа; 8–отстойник (жидкостный затвор); 9–осушитель газа; 10–вход газа;
11–выход жидкости; 12–выход газа.

 

При вязких жидкостях промывание газом ведут при повышенной температуре (до +100 ºС). Определяемая влажность жидкости от 1 ÷ 10^-4 до 1% весовых. Расхождение результатов с контрольным определением по Фишеру (см. ниже) при абсолютной влажности от 2 до 3·10^-4% весовой составляет для различных жидкостей 3 ÷ 5·10^-4% максимум до 1·10^-5%весовых. Постоянная времени влагомера в целом (с промывной колонкой) около 1 мин при  увеличении влажности и около 2 мин при ее уменьшении.

В химических методах вода контролируемой жидкости вступает количественно в химическую реакцию со вспомогательным реагентом, вводимым в жидкость, и мерой определяемого содержания воды является количество продуктов реакции или ее тепловой эффект. Эти методы получили значительное распространение как образцовые в широком интервале значений концентраций влаги в жидкостях, начиная с 5·10^-3 ÷ 1·10^-2% весовых H₂O и больше, и как методы лабораторного и производственного спорадического экспресс-анализа. Важнейшим из числа многих химических методов определения воды является метод К. Фишера, называемый также методом акваметрии. Он сводится к иодометрическому титрованию содержащей влагу жидкости реактивом Фишера – раствором двуокиси серы и йода в жидкой безводной смеси метанола и пиридина. Используются как ручные приборы, так и автоматические титраторы.

Физические (прямые) методы характеризуются тем, что содержание воды в контролируемой жидкости определяют измерением значений каких-либо однозначно зависящих от влажности, физических свойств непосредственно самой жидкости, без выделения из нее влаги. К числу свойств, используемых для этой цели, относятся диэлектрические потери и проницаемость, электропроводность, показатель преломления, плотность, температуры фазовых переходов, поглощение электромагнитных и корпускулярных излучений и др. Наибольшее значение среди них, так же как и для измерения влажности твердых тел, получили методы емкостные, основанные на определении диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, и кондуктометрические, основанные на измерении электропроводности.

Емкостные и кондуктометрические влагомеры для жидкостей отличаются от аналогичных влагомеров для твердых тел только конструкцией измерительных преобразователей, выполняемых чаще всего в виде 2 коаксиальных электродов. Их метрологические и эксплуатационные качества также практически совпадают с таковыми влагомеров для твердых тел. Большое практическое значение для измерения влажности жидкости имеет измерение плотности – один из старейших физических методов, обеспечивающий для бинарных смесей (например, вода в спирте) высокую точность. Влажность жидкостей, в составе которых водород составляет небольшой процент, может быть измерена методом ядерного резонанса.

измерение влажности твердых тел

Электрические методы измерения влажности твердых тел большей частью основаны на зависимости электропроводности, диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь от влажности. Контролируемый материал помещается между электродами, при этом такую систему можно рассматривать как параллельное соединение активного сопротивления и емкости. Если для данного материала при выбранной частоте источника питания ток проводимости значительно больше емкостного, то для измерения влажности применяется метод измерения электропроводности, и наоборот.  Зависимость сопротивления R твердых тел от влажности φ – в процентах к весу сухого материала выражается формулой R = A·φⁿ  где A и n – постоянные, зависящие от размеров, формы, структуры и физико-химических свойств объекта измерения. Метод электропроводности обладает значительной чувствительностью. Например, для хлопчатобумажных тканей n равно 8 – 10, что соответствует изменению сопротивления более чем в два раза при изменении влажности на 10%. При изменении влажности дерева от 10 до 25% значение сопротивления между иглами, вдавленными в дерево на определенную глубину, меняется от десятков тысяч до долей МОм. Сопротивление твердых тел зависит также от температуры. Например, для фрезерного торфа температурный коэффициент изменяется в пределах от 0,2 до0,7% на 1 ºС. Сопротивление обычно измеряют мостовыми схемами на постоянном токе или на переменном токе низкой частоты мостами с автоматическим уравновешиванием. Основное достоинство метода электропроводности – простота схем и конструкции влагомеров. Однако зависимость показаний прибора от изменения концентрации примесей (кислот, солей, щелочей), структуры, плотности, температуры и др. параметров контролируемых материалов значительно сужает область применения этого метода.

Более широко применяется емкостный метод измерения влажности. Он основан на использовании большого различия между значением диэлектрической проницаемости ε сухих материалов (ε = 2 – 10) и ε воды (ε = 81). Примеси, содержащиеся в воде, значительно меньше влияют на ε, чем на проводимость материала. На ε воды в сильной степени сказывается способность материала адсорбировать ее на поверхности твердых частиц, ε адсорбированной воды значительно меньше ε свободной влаги. Например, для вод, адсорбированной на поверхности ткани, ε = 15 –25. Для большинства сухих материалов ε незначительно меняется с температурой (температурный коэффициент сухих материалов, порядка 10^-2% на 1 ºС); ε влажных материалов  изменяется с температурой в более широких пределах. Практически зависимость ε от температуры приводит к введению незначительной поправки от 0,04 до 0,10% на 1 ºС в диапазоне от 0 ºС до +40 ºС.

На величину ε влажных, рыхлых материалов влияют их структура, степень уплотнения и количество воздуха в них. Однако эти факторы влияют на ε меньше, чем на электропроводность. Для снижения влияния степени уплотнения материала на результат измерения принимаются меры, обеспечивающие неизменность его плотности. Выбор рабочей частоты емкостных  влагомеров определяется свойствами контролируемого материала и зависит от величины потери энергии в материале и требуемой степени снижения влияния электропроводности на результат измерения. Обычно применяется частота от 500 кГц и ниже до 20 МГц. Более низкие частоты выбирают в тех случаях, когда электропроводность материала мала (например, для кварцевого песка) или имеется четкая зависимость ее от влажности (например, для зерна). Измерение влажности этим методом сводится к измерению емкости одним из общепринятых способов. При изменениях емкости в пределах от 10 до 100 pF пользуются измерительными схемами, основанными на явлении резонанса, сравнении частот двух генераторов (метод биений и деления сигналов), измерении емкостного (полного) сопротивления переменному току, и мостовыми схемами. Для повышения точности определения влажности целесообразно пользоваться методами измерения емкости, не чувствительными к изменению величины активного сопротивления, например, измерением комплексного сопротивления с помощью моста на двух различных частотах с последующим вычислением величины C; измерением емкости с помощью мостов с уравновешиванием двумя параметрами.

К электрическим методам измерения влажности может быть также отнесен метод, основанный на резонансном поглощении радиоволн ядрами водорода (протонами), входящими в состав воды (явление ядерного магнитного резонанса). Для этого контролируемый материал, находящийся в катушке колебательного контура радиочастотного генератор, помещают в магнитное поле H, направленное перпендикулярно оси катушки. Поле H создается электромагнитом или постоянным магнитом и модуляционной катушкой, помещаемой на одном из его полюсов. Когда частота прецессии магнитного момента протонов вокруг направления поля H совпадет с частотой радиочастотного генератора, наступает ядерный магнитный резонанс, сопровождаемый резким поглощением энергии поля колебательного контура. Влажность материала определяется по снижению уровня генерации в контуре. Влагомеры, основанные на этом явлении, позволяют определять влажность материалов, содержащих кристаллизационную воду, используя значительную разницу в ширине резонансных линий свободной и кристаллизационной воды.

Радио изотропные методы измерения влажности основаны на различии количественных характеристик процессов взаимодействия ядерных излучений с атомами водорода, входящего в состав воды, и атомами других элементов. Измеряя интенсивность ядерного излучения, прошедшего через контролируемый материал или рассеянного им, определяют его влажность. В основном используют явления поглощения γ-лучей и замедления нейтронов. Методы, основанные на поглощении γ-лучей, применяются в тех случаях, когда не требуется высокая точность измерения влажности и когда плотность и химический состав контролируемого материала меняются незначительно (например, влажность почвы в стационарных полевых условиях). Ослабление потока γ-лучей при просвечивании контролируемого материала зависят от содержания в нем воды, поскольку массовый коэффициент ослабления для водорода значительно больше массового коэффициента для других атомов (в единице массы водорода содержится приметно в два раза больше электронов, чем в единице массы любого другого элемента). При использовании нейтронов измерение основано на том, что водород во много раз эффективнее замедляет быстрые нейтроны, чем любой другой элемент. Число выходящих из контролируемого материала медленных, тепловых нейтронов или уменьшение числа быстрых нейтронов после прохождения ими контролируемого материала является функцией его влажности. Высокая чувствительность нейтронного метода и слабая зависимость результатов измерения от физико-химических свойств контролируемой среды позволяют применять его для широкого класса материалов и особенно для контроля влажности непосредственно в технологическом потоке. Этот метод дает наилучшие результаты при контроле влажности металлургических шихт и кеков, рудных концентратов и др. Методы с регистрацией медленных нейтронов пригодны в тех случаях, когда контролируемый материал не содержит или содержит неизменное количество элементов с аномально большим сечением захвата (поглощения) тепловых нейтронов (кадмий, бор, индий, самарий и др.). Методы с регистрацией быстрых нейтронов позволяют измерять влажность материалов при наличии указанных элементов. Нейтронные влагомеры применяются главным образом для контроля влажности неорганических веществ и сред, не содержащих кристаллизационную воду, поскольку замедление нейтронов селективно по отношению к водороду независимо от того, в какое химическое соединение он входит.