Інші методи і прилади для вимірювання вологості повітря.

Гігрометр точки роси. Його дія основана на принципі встановлення динамічної рівноваги між конденсатом у вигляді крапель води або кристалів льоду, які сконденсувалися на поверхні твердого тіла, температура якого дорівнює точці роси навколишнього повітря, і парами води повітря. Практично цей метод здійснюється шляхом охолодження твердого тіла до точки роси навколишнього повітря і вимірювання при цьому температури тіла.

Як охолоджене тіло звичайно застосовують металеве дзеркальце, коефіцієнт відбиття якого різко зменшується при осадженні конденсату на його поверхні. Вимірювання температури дзеркальця в момент осадження конденсату здійснюється за допомогою мініатюрного терморезистора. Для охолодження дзеркальця доцільно застосовувати напівпровідникові термоелементи – напівпровідникові термохолодильники.

Напівпровідниковий термоелемент (рис.4.8) складається з двох стрижків з різних напівпровідникових матеріалів, до одного кінця яких припаяні металеві наконечники 1 і 5, а до другого – єднальна металева пластинка 3. При проходженні струму через термоелемент від джерела, підключеного до наконечників (в залежності від напрямку струму), пластинка 3 буде охолоджуватися (нагріватися), а наконечники 1 і 5 нагріватися (охолоджуватися). В основі цього явища лежить ефект Пелет’є.

При доброму сполученні напівпровідникових матеріалів, довжині стержнів 10 – 20 мм, доброму відводі тепла від наконечників і подачі живлення потужністю приблизно 1 Вт пластинка 3 охолоджується до 30°С нижче температури навколишнього повітря.   Рис.4.8 Напівпровідниковий охолоджуваний елемент: 1 і 5 - наконечники; 2 і 4 - напівпровідники; 3 – металева пластинка

Індикація осадження роси на поверхні дзеркальця робиться за інтенсивністю відбитого від дзеркала світлового променю візуально, за допомогою фотодіодів, фотоелементів та інших засобів. Визначивши за допомогою гігрометра точку роси та вимірявши температуру повітря, користуючись психрометричними таблицями, можна визначити всі величини, які характеризують вологість повітря.

На рис.4.9 наведений комплект гігрометра точки роси.

Рис.4.9 Гігрометр точки роси: а – датчик; б - вимірювальний пульт; в - блок живлення.

Цей гігрометр рекомендований як зразкова установка для повірки вимірювачів вологості повітря при температурі від -30 до +40°С і відносній вологості від 30 до 100 %, що відповідає зміні точки роси в межах від -40 до +40°С. Комплект установки складається з датчика, вимірювально-керуючого блоку, блоку живлення і типового вимірювального моста (на рис.4.9 міст не наведений). Установка забезпечує вимірювання точки роси з похибкою не більше 0,4°С. Всередині корпусу датчика знаходяться холодильник В, дзеркальце і термістор Т, припаяні до нього, і оптичний індикатор. Останній складається з накальної лампи Н з конденсатором і фотодіодом . Промінь світла від лампи падає на поверхню дзеркальця і після відбиття на фотодіод.

Досліджуване повітря всмоктується у вхідний отвір повітропроводу датчика 1 аспіратором, розташованим в його верхній частині, очищується, проходячи крізь фільтр, обтікає поверхню дзеркала, потім гарячі спаї термоелемента холодильника і викидається аспіратором в навколишній простір.

В пульті керування і вимірювання змонтована вимірювальна схема (рис.4.10), що складається з вимірювального моста з плечима , , (четвертим плечем є фотодіод датчика) і вимірювального приладу – мікроамперметра (10 мА), розміщеного на лицьовій панелі. Там де знаходяться рукоятки тумблерів (охолодження) і (освітлення) для увімкнення живлення холодильника і накальної лампи .

Рис.4.10 Електрична схема гігрометра точки роси.

Живлення установки здійснюється від мережі змінного струму через блок живлення, який дає напругу для живлення мотора аспіратора , лампи , холодильника , фотодіоду . Вимірювальний міст для вимірювання опору термістора живиться від гальванічного елемента. Вимірювання вологості починають при вимкненому живленні холодильника (тумблер розімкнутий, на дзеркальці конденсату нема). Тумблером вмикають живлення лампи і моста (, , , ) і за допомогою рукоятки змінного опору міст урівноважують (стрілка мікроамперметра знаходиться біля нуля шкали). Від блоку живлення на холодильник подається максимальна потужність і визначається максимальний струм розбалансу моста (показання мікроамперметра приблизно 7 мА). Потім, регулюючи потужність живлення холодильника, зменшують струм розбалансу моста в 3 – 4 рази (до 2 – 3 мА), добиваючись достатньо рівноважного стану між парами повітря і конденсатом на поверхні дзеркальця. При такому стані показання мікроамперметра повинні змінюватися не більше ніж на 0,5 поділки ( А) за хвилину при точці роси від -40 до 0°С і не більше ніж на 3 поділки за хвилину при її значенні від 0 до +40°С. Після досягнення цього за допомогою вимірювального моста вимірюють опір термістора і по його градуйованій таблиці визначають значення точки роси. Бувають випадки, коли в процесі вимірювання конденсат на дзеркальці переходить з рідкого стану в твердий, при цьому показання мікроамперметра починають збільшуватися (розбаланс моста збільшується), тому що точка інею вище точки роси. У цих випадках вимірювання може бути закінчене двома шляхами.

Нагрівають дзеркало до повного випаровування конденсату, для чого вимикають живлення холодильника і для прискорення випаровування подають живлення зворотної полярності. Потім повторюють вимірювання, виконуючи операції в раніше вказаній послідовності, починаючи від подачі на холодильник живлення максимальної потужності. Якщо провести вимірювання таким способом з рідкою фазою через зовнішні умови не вдається, то вимірювання проводять другим способом.

Плавно зменшуючи потужність живлення холодильника, відновлюють значення струму розбалансу в межах 2 – 3 мА. За допомогою моста вимірюють значення точки інею. По отриманому значенню, користуючись психрометричними таблицями (розділ «лід»), знаходять потрібні характеристики вологості повітря.

Відомі конструкції гігрометрів точки роси з автоматичним регулюванням температури дзеркальця біля точки роси та її вимірюванням.

Електролітичний гігрометр з підігрівом. Він оснований на принципі вимірювання точки роси над насиченим соляним розчином, яка для даної солі знаходиться у відомій залежності від вологості навколишнього повітря. Знаючи цю залежність, по виміряному значенню точки роси над розчином обчислюють вологість повітря. Найбільше розповсюдження мають гігрометри, в яких використовується хлористий літій. Чутливий елемент такого гігрометра (рис.4.11) складається з терморезистора 9 (з мідного або платинового дроту), на корпус якого одягнута панчоха 8 з скловолокна, просочена розчином солі, і двох електродів 6 і 7 з платинового дроту, намотаних зверху панчохи 8. Виводи 1 і 4 електродів закріплені в платі 5 (там же закріплені виводи 2 і 3 терморезистора). На електроди 6 і 7 подається напруга від джерела змінного струму (при постійному струмі відбувається поляризація електродів).

В процесі вимірювання вологості відбувається наступне. Хлористий літій поглинає водяну пару. Утворюється струмопровідний розчин, через який між електродами 6 і 7 протікає струм. Тепло, що виділяється при цьому, нагріває чутливий елемент, і вода з його поверхні починає випаровуватися.     Рис.4.11 Чутливий елемент електролітичного гігрометра з підігрівом: 1 і 4 – виводи електродів; 2 і 3 – виводи терморезисторів; 5 - плата; 6 і 7 – електроди; 8 - панчоха з скловолокна; 9 – терморезистор.

При постійній і достатній напрузі живлення, що підводиться до електродів 6 і 7, сила струму буде залежати від кількості води, яка надходить на елемент, тобто від вологості повітря. Чим більша вологість повітря, тим більша сила струму, що протікає через розчин, отже, тим більше нагрівається чутливий елемент. Нагрівання чутливого елемента буде продовжуватися до моменту установлення температура динамічної рівноваги, коли кількість поглинутої поверхнею елемента води з повітря буде дорівнювати кількості води, випареною нею. Температура чутливого елементу досягає значення, при якому тиск парів, які насичують простір над насиченим розчином хлористого літію, дорівнює парціальному тиску водяної пари атмосфери, тобто температура чутливого елемента дорівнює точці роси над насиченим розчином хлористого літію. Температура чутливого елемента в цьому режимі динамічної рівноваги достатньо стійка (постійна) і вимірюється за допомогою терморезистора 9, включеного до вимірювальної схеми.

У вологому повітрі живлення елемента змінним струмом не повинно перериватися. В протилежному випадку безперервно поглинаюча вода, розчиняючи хлористий літій, стікає разом з ним з чутливого елементу і елемент руйнується. Якщо вимірювання проводяться періодично, безперервно живити елемент недоцільно, особливо враховуючи обмеженість ресурсу елемента. Тому його звичайно зберігають в камері з сухим газом, а впливу досліджуваного вологого повітря він зазнає тільки під час вимірювань.

Кулонометричні гігрометри. Вимірювання вологості повітря за допомогою гігрометрів цього типу основане на принципі вилучення за допомогою гігроскопічної речовини водяної пари з повітря і розкладання вилученої води шляхом електролізу. При цьому кількість електрики у відповідності із законом Фарадея є мірою кількості розкладеної води, отже, і кількості вилученої з повітря водяної пари. Поглинання і електроліз води можуть відбуватися одночасно. Якщо цей процес стаціонарний (кількості поглиненої і розкладеної води рівні), то мірою вологості може бути сила струму електролізу, а метод вимірювання вологості може бути названий амперометричним. Кількість електрики (у першому випадку) і сила струму (у другому) будуть залежати від кількості (об’єму) повітря, з якого вилучається водяна пара, тому при кулонометричному методі потрібно визначати об’єм повітря, яке пройшло через поглинач водяної пари за весь час вимірювання, а при амперметричному – за одиницю часу.

Вказані методи мають різновиди, і на їх основі різними авторами створено значну кількість гігрометрів. Один з них такий.

Дифузійний амперометричний гігрометр (рис.4.12). Його датчик складається з камери 1, в якій знаходиться чутливий елемент 2. Камера 1 сполучається з навколишнім повітрям, вологість якого вимірюється через отвір 4. Чутливий елемент 2 являє собою каркас з ізоляційного матеріалу (скло, фторопласт), на який по гвинтовій лінії навиті два тонких платинових дроти - електроди, які не торкаються один одного. В зазорі між електродами на поверхні ізолятора нанесена плівка фосфорного ангідриду (). Електроди приєднуються до вивідних контактів, які проходять через стінку камери 1, за допомогою прохідних герметичних ізоляторів 3.

Рис.4.12 Схема дифузійного амперметричного гігрометра: 1 – камера; 2 - чутливий елемент; 3 - ізолятори з виводами; 4 – отвір.

За допомогою вивідних контактів датчик підключається до електричного ланцюга джерела живлення (батарея ) і вимірювального приладу .

Фосфорний ангідрид інтенсивно поглинає водяну пару повітря, утворюючи фосфорну кислоту: . Тиск водяної пари під фосфорним ангідридом порядку мм.рт.ст., тому всередині камери концентрація молекул водяної пари значно менше, ніж в навколишньому повітрі. Завдяки цьому водяна пара через отвір дифундує в камеру. Одночасно з камери через цей же отвір рухається зустрічний потік молекул водню і кисню, який виник при дисипації фосфорної кислоти і електролізу води:

,

,

.

Розміром отвору 7 задається швидкість дифузії молекул газу. При стаціонарному процесі кількість молекул води (пари) , які проникають всередину камери датчика через отвір, визначається формулою

, (4.14)

де - сталий коефіцієнт;

- площа отвору 7;

- глибина отвору (товщина стінки);

- парціальний тиск водяної пари, що міститься в повітрі;

- тиск атмосфери;

- абсолютна температура повітря.

Знаючи, що для електролізу кожної молекули необхідно пропустити в ланцюзі приладу два елементарних заряди (заряд електрона ), можна записати рівняння для сили струму електролізу (гігрометра) при сталому процесі:

або, підставляючи значення з рівності (4.14), отримаємо

, (4.15)

звідки вологість (парціальний тиск водяної пари) дорівнює

, (4.16)

де - сталий для даного гігрометра коефіцієнт.

Сорбційний електро-гігрометр (гігристор). Первинними перетворювачами цих гігрометрів є гігроскопічна плівка з органічного напівпровідника (поліакрілонітрія), електропровідність якої залежить від вологості навколишнього повітря. Конструктивно ці перетворювачі, названі гігристорами, складаються з скляної пластинки (20 – 30 мм), на поверхню якої нанесені срібні електроди, а зверху електродів – шар волого чутливого напівпровідника. Електроди мають гребінчатоподібну форму і нанесені так, що між ними залишається вузька зигзагоподібна смужка чистого скла. Кожний електрод з’єднаний з одним з двох контактів 3, якими гігристор підключається до вимірювальної схеми.

Опір гігристора змінюється у відповідності з виразом

,

де - відносна вологість навколишнього повітря;

- температура гігристора (середовища) в К;

, , - сталі, що визначаються напівпровідниковим

матеріалом і конструкцією гігристора;

- основа натуральних логарифмів.

Опір гігристора змінюється приблизно від до Ом при 30 % вологості і до Ом при 100 % вологості. В середньому опір гігристора змінюється на 10 % при зміні вологості на 1 %. Його температурна чутливість на два порядки менша, проте при великому діапазоні зміни температури доводиться вводити відповідну поправку.

На рис.4.13 наведена польова агрофізична система (ПАС), призначена для вимірювання температури і відносної вологості повітря. Як первинний перетворювач відносної вологості в ній застосований гігристор. ПАС містить датчик, вимірювально-керуючий блок і блок живлення. В датчику розташовані платиновий терморезистор, чотири гігристори, аспіратор (з електродвигуном) для їх примусової вентиляції, напівпровідниковий елемент для охолодження або нагрівання гігристорів і деякі інші допоміжні елементи конструкції. Зовнішні конусоподібні кільця і кришка захищають датчик від впливу сонячної радіації.

Рис.4.13 Польова агрофізична система (ПАС)

У вимірювально-керуючому блоці зосереджені елементи вимірювальних схем вологості (омметр для вимірювання опору гігристора) і температури (не рівноважний міст для вимірювання опору терморезистора) і елементи керування. На лицьовій панелі розташовані вимірювальний прилад, рукоятки тумблерів увімкнення живлення і вимірювальних ланцюгів. Вимірювальний прилад має шкали для двох діапазонів температури і шкалу вологості у вигляді сімейства пересічних кривих вологості і температури. Ця шкала дозволяє знімати показання вологості з врахуванням поправки на раніше виміряну температуру.

Блок живлення перетворює напругу змінного струму в стабілізовану напругу для живлення вимірювальних схем і в змінну напругу (10 Гц), яка необхідна для живлення гігристорів. Вимірювання температури проводиться так же, як і по іншим установкам з використанням нерівноважних мостових схем. Вимірювання вологості включає до себе підготовку гігристорів і перебудову схеми в залежності від вологості і температури повітря: прогрівання або охолодження гігристорів, паралельне або послідовне їх увімкнення та деякі інші операції. Вимірювальна схема ПАС дозволяє застосовувати гігристори в автоматичних метеорологічних станціях.

Незважаючи на деяку складність гігрометрів цього типу, вони є перспективними, їх експлуатаційні характеристики будуть поліпшуватися з удосконаленням технології виробництва гігристорів.

Гігрометр сорбційний оксидно-алюмінієвий. Принцип дії цього гігрометра оснований на залежності опору (електропровідності) плівки окису алюмінію, яка сорбує молекули водяної пари від відносної вологості повітря. Вимірюючи опір плівки, можна визначити на основі існуючої залежності вологість повітря.

Найбільш важливим елементом гігрометра є первинний перетворювач, розроблений в ЦАО А.М. Бологуровим і М.Б.Фрідзоном для радіозонду. Детально розроблена технологія масового виробництва, простота конструкції, добрі технічні і метрологічні характеристики перетворювача забезпечують можливість його застосування для вимірювання вологості в приземному шарі повітря.

Цей перетворювач (рис.4.14) складається з алюмінієвого стержня 1 (діаметром 1 мм, довжиною 50 мм), покритого пористим шаром окису алюмінію 4 (товщиною 5 – 6 мкм) і зверху нього (шляхом розпилення у вакуумі) пористим шаром металу 3, який не перешкоджає сорбції водяної пари окисом алюмінію.

Стрижень і шар металу є електродами перетворювача. Металева втулка 2, що електрично зв’язана з електродом, є виводом (контактом) цього електроду. Нижня частина перетворювача має захисний наконечник 5. Первинний перетворювач розміщується в датчику, в якому йому забезпечується радіаційний захист, захист від опадів й аспірації. Вторинний перетворювач, який також знаходиться в датчику, забезпечує перетворення зміни опору первинного перетворювача в сигнал напруги 0 – 10 В постійного струму.   Рис.4.14 Датчик (розріз) сорбційного оксидно-алюмінієвого гігрометру: 1 – стрижень; 2 – втулка; 3 – шар металу; 4 – шар окису алюмінію; 5 – наконечник.

Через те, що первинний перетворювач не допускає живлення постійним струмом (через поляризацію електродів), то вторинний перетворювач забезпечує живлення його змінним струмом (7 кГц) і перетворює отриманий сигнал в напругу постійного струму. Для цього у вторинному перетворювачі є генератор і діодний міст. Отримана від вторинного перетворювача напруга вимірюється вимірювальним пристроєм, що містить блок живлення.

Гігрометри з розробленими оксидно-алюмінієвими первинними перетворювачами можуть забезпечити вимірювання в діапазоні від 0 – 100 % вологості при температурі від -70 до +50°С. Сталі часу перетворювача не більше 10 сек (до температури -20°С), основна наведена квадратична похибка 2 %, систематична температурна похибка 0,4 % на 1°С. Недоліком оксидно-алюмінієвого перетворювача є відносно швидке зміщення його градуйованої кривої (характеристики), до 0,8 % в місяць, що потребує частої повторної повірки (через три місяці). Остання обставина створює утруднення у використанні цих перетворювачів для наземних установок тривалої дії. Проте застосування існуючих засобів повірки подібних перетворювачів дозволяє долати ці утруднення.

Контрольні запитання:

1. Які бувають види вологості?

2. Метод є основним при вимірюванні вологості повітря?

3. Який коефіцієнт називається психрометричним?

4. Від чого залежить психрометричний коефіцієнт?

5. Що являє собою станційний психрометр?

6. Як вимірюється вологість повітря при низьких температурах?

7. В чому полягає принцип дії аспіраційного психрометра?

8. Як обчислюється вологість по аспіраційному психрометру?

9. Як вимірюється вологість за допомогою волосяного гігрометра?

10. Для чого призначений гігрограф?

11. Як проводиться обробка стрічок?

12. На чому оснований принцип дії гігрометра точки роси?

13. На чому оснований принцип дії електролітичного гігрометра з підігрівом?

14. В чому полягає суть амперметричного методу?

15. Який принцип дії дифузійного амперметричного гігрометра?

16. Що є первинним перетворювачем сорбційного електро-гігрометра або гігристора?

17. На чому оснований принцип дії сорбційного оксидно-алюмінієвого гігрометра?

---

Дата добавления: 2015-10-13