Метеорологические датчики контроля среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра РЭТЭМ

Курсовая работа по дисциплине

«Приборы и датчики экологического контроля»

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ КОНТРОЛЯ СРЕДЫ

Выполнила:

Студентка гр.218

________ Шлегель Э. А.

«____»__________2011 г.

Руководитель:

Ассистент

________ Ковальская М. В.

«____» __________2011 г.

2011

Содержание

1 Введение

2 Датчики температуры

2.1 Шкалы температур

2.2 Средства измерения температуры

2.3 Измерение температуры в твердом теле, в жидкостях и газах

2.4 Измерение температуры по тепловому шуму

2.5 Кварцевые термометры

2.6 Измерение температуры на движущихся телах

2.7 Оптическая пирометрия

3 Датчики влажности

3.1 Основные понятия и термины, связанные с влажностью воздуха

3.2 Гигрометры -- общие сведения

3.3 Конденсационный гигрометр

3.4 Сорбционный гигрометр

3.5 Гигрометры на основе изменения импеданса

3.6 Электролитический гигрометр

3.7 Психрометр

3.8 Психрометр с электростимулированным обдувом

4 Заключение

Список используемых источников

1 Введение

Из всех физических величин, несомненно, наиболее часто измеряемой является температура и влажность.

Действительно, температура представляет собой очень важную характеристику состояния вещества, которая отражает как непрерывные изменения состояния, например изменения давления и объема газа, так и скачкообразные, например фазовые превращения или магнитные и электрические точки Кюри.

Поэтому в науке и промышленности необходимы тщательный контроль и точные измерения температур. Также необходимо исследовать вопрос о физических принципах системы определения числовых значений температур, т. е. рассмотреть вопрос о шкале температур.

Знание влажности воздуха и прочих газов может оказаться существенным для контроля различных физико-химических и биологических процессов. Необходимость ее измерения 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. Это сложные требования для работы гигрометров.

Также обнаружение следовых количеств водяного пара, как в воздухе, так и в различных газах (углекислый газ, гексафторид серы, этилен, природный газ и т. п.); эксплуатация теплообменников, 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 за работой сушилен, влажность воздуха на выходе сушильни является очень важным параметром при расчете ее энергопотребления.

Целью данной работы является изучение датчиков температуры и влажности.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Изучить датчики температуры (рассмотреть различные шкалы температур, измерение температуры в жидкостях и газах, измерение температуры по тепловому шуму, кварцевые термометры, измерение температуры на движущихся телах, оптическую пирометрию).

2. Рассмотреть датчики влажности (основные понятия и термины, конденсационный гигрометр, сорбционный гигрометр, гигрометры на основе изменения импеданса, электролитический гигрометр, психрометр).

2 Датчики температуры

2.1 Шкалы температур

Физические свойства материалов зависят от их температуры, поэтому всегда возможно по изменениям одного из физических параметров данного материала в зависимости от температуры определить шкалу, которая позволяет сравнивать температуры; и некоторым способом устанавливать равенство двух температур. Законы термодинамики позволяют определить шкалы температур, имеющие универсальное значение.

Термодинамические, или абсолютные шкалы температур. Они определяются исходя из теоремы Карно или свойств идеального газа. Согласно теореме Карно, коэффициент полезного действия (к. п. д.) ? тепловой машины с обратимым циклом, температура рабочего тела которой в процессе цикла меняется в пределах между значениями, выраженными изначально в произвольной шкале и равными и1 и и2, зависит лишь от и1 и и2:

?=(1-F(и1))/ F(и2)

Вид функции F зависит от выбора шкалы температур, по которой определяется и, и, наоборот, выбор функции F определяет шкалу температур. Абсолютную термодинамическую температуру Т определяют, полагая

F=(и)= Т.

В этом случае к. п. д. обратимой тепловой машины записывается в виде

? =1-T1/T2,

где T1 и Т2 -- абсолютные термодинамические температуры двух источников тепла.

Идеальный газ (теоретическое понятие) определяется следующими свойствами: его внутренняя энергия U зависит только от температуры; уравнение состояния, связывающее его давление р, объем v и температуру и , имеет вид:

pv = G(и).

Можно показать, что при определении температуры по термодинамической шкале:

G(и) = RT,

где R -- константа, называемая универсальной газовой постоянной, значение которой для заданной массы газа -- одной грамм- молекулы -- зависит только от выбранной единицы измерения абсолютной температуры. Чтобы определить числовое значение температуры Т, необходимо выбрать для нее единицу измерения. Для этого достаточно произвольно установить значение температуры, соответствующей четко определенному и воспроизводимому явлению.

Шкала Кельвина. Единица измерения кельвин (К) определяется из того условия, что температура воды в тройной точке (температура равновесия воды, льда и пара) равна 273,16 К.

Шкала Рэнкина. Единица измерения -- градус Рэнкина (°R)--равен 5/9 кельвина; при таком определении температура в тройной точке воды равна 491,69 °R.

Шкала Цельсия. Она получается из абсолютной шкалы Кельвина, если за нуль принять температуру замерзания воды; единица измерения этой шкалы -- градус Цельсия (°С) -- равна одному кельвину:

Т (°С)=T (К)-- 273,16.

Шкала Фаренгейта. Эта шкала получается смещением нуля абсолютной шкалы Рэнкина; единица измерения -- градус Фаренгейта (°F) --равна одному градусу Рэнкина:

T(°F)=T(°R)--459,67.

Формулы перехода от одной шкалы к другой имеют следующий вид:

T(°C) = [T(°F)--32] (5/9), T(°F) = (9/5)T(°C)+32.

В качестве примера в табл. 2.1 приведены соответствующие значения нескольких важных температур для различных шкал.

Таблица 2.1. Шкалы и некоторые важные значения температур

Температуры	Шкалы температур
	Кельвина, К	Цельсия,°С (после1990г)	Рэнкина, °R	Фаренгейта,F
1	0	-273,15	0	-459,67
2	273,15	0	491,67	32
3	173,15	0,01	491,67	32,018
4	373,15	99,974	671,67	212

1 -- абсолютные нуль; 2 -- температура равновесия смеси воды и льда при нормальном атмосферном давлении, равном 101325 Па; 3 --тройная точка воды; 4 -- температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Для осуществления на практике точных измерений температуры без использования газового термометра были выбраны три физические величины: сопротивление, электродвижущая сила (э.д.с.) термопары и излучение черного тела. В интервале температур от --259,34 (тройная точка водорода) до 630,74°С (точка затвердевания сурьмы) используется температурная зависимость сопротивления проволоки, изготовленной из очень чистой пластины. В интервале температур от 0 до 630,74°С температура Т (°С) может быть выражена через измеренное сопротивление R(T) формулой

R(T)=R0(1+AT+BT2),

где R0-- сопротивление при температуре 0°С, а значения А и В вычисляют по результатам измерения R при температурах кипения воды (100 °С) и серы (444,6 °С).

В диапазоне температур от --259,39 до 0°С температура Т(°С) определяется по измеренному сопротивлению R(T) из формулы

R(T)=R0[1+AT + BT2+C(T-- 100) T3],

где Rо, А, В -- величины, определенные в предыдущем интервале, а С определяется по измеренному сопротивлению в точке кипения кислорода.

В интервале температур от 630,74 до 1064,3 °С (точка затвердевания золота) измеряется э. д. с. е термопары платинородий (10% Rh)--платина, зависимость которой от температуры в градусах Цельсия выражается формулой

е(Т)=а+bТ + сТ2.

Константы а,b,с определяются по результатам измерения е при температурах затвердевания сурьмы (630,74 °С), - серебра (961,93 °С) и золота (1064,43 °С) в условиях, когда температура нулевого спая равна 0°С.

При температурах выше 1064,43°С (1337,58 К) абсолютная температура тела Т в практической шкале температур определяется по интенсивности излучения (энергетической светимости) L(T) черного тела на длине волны л:

,

где L(TAu) -- интенсивность излучения на длине волны л при температуре плавления золота, А=0,014388 К?м -- константа. Интенсивность излучения измеряют с помощью монохроматического оптического пирометра.

На рисунке 2.1 представлена обобщенная схема, характеризующая различные шкалы температур и взаимосвязи между ними.

Рис.2.1 - Различные шкалы температур

Температура Тс, измеренная с помощью резистора или термопары, фактически является температурой датчика. Она, конечно, зависит от температуры Тх среды, в которую погружен датчик, но также и от существующего теплообмена. При формулировании упрощенной модели процесса измерения предполагается, что в условиях измерений погрешность Тх--Тс мала.

Тепловой поток Раb между двумя поверхностями ?a и ?b с температурами Та и Тb определяется тепловым законом Ома, который может быть представлен любым из двух соотношений:

Та--Тb = RиabPab или Раb = G иab (Та -- Тb),

где Rиab и G иab -- взаимно-обратные величины, представляющие собой, соответственно, тепловое сопротивление (°С/Вт) и тепловую проводимость (Вт/°С) между поверхностями ? a и ? b.

2.2 Средства измерения температуры

Жидкостные термометры и деформационные.

Жидкостные термометры бывают двух видов: ртутные и спиртовые.

Конструктивное исполнение: стеклянная колба, шкала, капилляр, резервуар для жидкости.

Диапазоны измерения температур: ртутные от +400°С (со специальным устройством) до -50°С; спиртовые от -100°С до +50°С.

Принцип действия: при изменение температуры происходит увеличение или уменьшение объема жидкости, поскольку коэффициент объемного расширения жидкости зависит от температуры. Жидкостные термометры конструктивно используются в виде цилиндрических прямых, цилиндрических угловых, штырьковых.

В первую очередь по термометру отсчитываются десятые доли °С, а потом уже целые, это исключает погрешность, связанную с влиянием наблюдателя.

Для определения возможного изменения систематической погрешности периодически проводят проверку термометра следующим образом: резервуар термометра с жидкостью погружают на 5-6 см. в чистый тающий лед и через 30 минут после выдержки делают отсчет показания термометра. Такую процедуру повторяют трижды.

Деформационные термометры представляют собой устройства, включающие в себя барабан с часовым механизмом, механическую передачу от датчика температуры к барабану (биметаллическая пластина), пластмассовый корпус.

Биметаллическая пластина является чувствительным элементом датчика. В качестве металла используется сталь и сплав ИНВАР. При этом коэффициент линейного расширения у стали существенно выше, чем у ИНВАРа. Поэтому при увеличении температуры пластина изогнется таким образом, что ИНВАР окажется с вогнутой стороны пластины. Если один конец закрепить неподвижно, то при изменении температуры ее свободный конец будет перемещаться следующим образом:

,

где Дx - длина свободного перемещения, L0 - длина пластины, б1 и б2 - коэффициенты линейного расширения (б1 - ИНВАР и б2 - сталь), h - толщина пластины.

Длина свободного конца будет прямо пропорционально изменению температуры

,

где .

Приборы, основанные на данном принципе работы, называются термографы.

2.3 Измерение температуры в твердом теле, в жидкостях и газах

При измерении температуры внутри твердого тела датчик размещается в углублении, просверленном в твердом теле. Исходя из теплового закона Ома, необходимо чтобы глубина сверления должна быть, по крайней мере, на порядок больше радиуса датчика. А для уменьшения теплового сопротивления между внутренней поверхностью углубления и корпуса засор должен быть сведен к минимуму и заполнен материалом с высокой теплопроводностью.

При измерении температуры в жидкостях и газах возникают свои трудности. Теплообмен между зондом и такой средой сильно зависит от параметров, характеризующих свойства, среды -- вязкости, теплопроводности и скорости, -- и одновременно от времени запаздывания зонда, отличия его температуры от температуры среды в условиях равновесия и от его саморазогрева в процессе измерений.

Трубопровод, по которому течет поток, обычно имеет температуру, отличную от температуры текущей среды. В связи с возникающими при этом радиальными градиентами температуры встает задача о наилучшем расположении зонда в потоке; кроме того, в ряде случаев радиационный теплообмен между зондом и стенками канала может приводить к существенному изменению равновесной температуры зонда. Наконец, при больших скоростях течения в жидкостях может происходить нагрев зонда вследствие трения, а в газах -- нагрев вследствие сжатия газа перед препятствием, которое представляет собой зонд. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо производить оценку погрешности измерения.

2.4 Измерение температуры по тепловому шуму

Тепловые движения носителей заряда создают в резисторе флуктуации напряжения или тока, которые зависят от температуры Т и имеют мгновенные значения, соответственно, ЕbR и IbR эффективное значение шумового напряжения, равное корню квадратному из среднеквадратического значения ЕbR, выражается формулой

,

где k= 1,38-10-23 Дж-К-1 -- постоянная Больцмана, Т -- абсолютная температура в кельвинах и В -- полоса пропускания измерительной аппаратуры.

По схеме Тевенина этот источник напряжения включен последовательно с резистором R (рис. 2.2, а). По концепции Нортона источник тока включается параллельно резистору R (рис. 2.2,б), и эффективное значение тока выражается формулой

Рис. 2.2. Эквивалентная электрическая схема резистора с источником теплового шума, а-- схема Тевенина; б--схема Нортона.

Мощность шума в резисторе не зависит от величины сопротивления R:

Рb= Е2bR/R= I2bRR= 4kTB= Е2bR I2bR

Измерение с помощью вольтметра, регистрирующего эффективное значение напряжения, позволяет при известных R и В определить Т; измерение Рb дает дополнительное удобство, поскольку в этом случае не требуется знать R.

2.5 Кварцевые термометры

Классическим применением кварца является создание генераторов частоты с очень высокой стабильностью, в частности, температурной. Для этого пластинку кварца выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой влияние изменений температуры на частоту кварцевого генератора минимально. При использовании кварца в качестве датчика температуры, наоборот, пластинку выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазилинейной функцией температуры кварцевой пластинки. Изготовленный таким образом датчик обладает высокими точностью и чувствительностью. Дополнительными достоинствами кварцевого термометра являются высокая точность измерений, независимость от шума, который вносит передача информации, и простота преобразования частотной информации в цифровую.

Конструкция и метод измерения

Датчик температуры представляет собой пластинку кварца, помещенную в стальной корпус, заполненный гелием для увеличения тепловой проводимости между кварцем и корпусом датчика. Кварцевая пластинка, связанная проводами с активным элементом, образует в совокупности генератор, создающий измерительный сигнал еm:

em=EmcosЩmt,

где Щm= 2рfm, fm=fo+Дf и Дf=S(T--T0)=ST, если RT0=0°С.

Кварцевый генератор опорной частоты создает сигнал er с частотой fо, практически не зависящий от температуры окружающей среды:

er=ErcosЩ0t (Щ0=2рf0).

Сигналы em и er поступают на вход преобразователя частоты, например умножителя, на выходе которого снимается напряжение х?о:

х?о = kemer=E?0 (cos(Щm - Щr)t+ cos(Щm + Щr)t)

С помощью низкочастотного фильтра отсекаются верхние частоты, учитываемые членом cos (Щm + Щr)t, и тогда

х0=Е0 cos (Щm - Щr) t = E0 cos2р Дft .

Определив с помощью частотомера величину Дf и зная S, можно найти температуру T= Дf /S.

Пример. Кварцевый термометр фирмы Hewlett -- Packard имеет следующие метрологические параметры: диапазон измерений -80- +250°C; нелинейность ±0,05% в указанном выше диапазоне измерений (что в десять раз меньше соответствующей величины для платинового термометра сопротивления в том же интервале температур); чувствительность 1000Гц/°С; разрешающая способность 0,0001 °С; погрешность, обусловленная гистерезисом, ±0,05°C; быстродействие (температурная постоянная времени) 2,5 с в потоке воды со скоростью 22 м/с.

2.6 Измерение температуры на движущихся телах

При измерении температуры на внешней поверхности наиболее эффективен метод оптической пирометрии. Когда же нужно измерить температуру внутри движущегося тела, датчик размещают в точке измерения, и тогда основная трудность заключается в способе передачи информации к стационарной измерительной цепи. Можно предложить несколько решений этой проблемы.

1. Скользящие контакты в случае вращающихся деталей. Они создают опасность введения в измерительную цепь переменных сопротивлений контакта, паразитных э. д. с. термоэлектрической природы и шума.

2. Вращающийся трансформатор. Первичная обмотка -- индуктор -- размещается на вращающейся детали и соединена с термопарой; протекающий по ней ток зависит от температур измерительного и опорного спаев. Вторичная обмотка, которая неподвижна, представляет собой якорь, с клемм которого снимается напряжение, зависящее от э.д.с. Зеебека термопары с вращающейся обмоткой.

3. Пассивная индуктивная связь. Размещенная на движущейся детали цепь состоит из катушки индуктивности, соединенной последовательно с термометром сопротивления, например термистором. Эта катушка периодически проходит между двумя неподвижными катушками -- передающей, питаемой генератором, и приемной, соединенной с измерительной установкой (рис. 2.3). Чем выше температура, тем меньше сопротивление термистора и тем больше затухание сигнала, воспринимаемого приемной катушкой. Достоинство этого способа состоит в простоте подвижных элементов, которая обеспечивает надежность и стабильность работы.



Рис. 2.3. Измерение температуры в движущемся объекте методом пассивной индуктивной связи.

1--термистор; 2 --катушка возбуждения; 3 -- приемная катушка.

Пример метрологических характеристик. В качестве примера приведем устройство для измерения и визуальной регистрации температуры вкладыша шатунного подшипника методом пассивной индуктивной связи (фирма С. М. R.). Оно имеет следующие метрологические характеристики: диапазон измерения температур 75-125°C; угловая скорость вращения 60ч-1200об/мин; направление вращения -- любое; влияние изменения угловой скорости -- незначительное; погрешность ±2 °С; время установления 20-30 с.

2.7 Оптическая пирометрия

метеорологический температура датчик влажность

Оптическая пирометрия -- это метод измерения температуры, основанный на соотношении, существующем между температурой тела и оптическим излучением (инфракрасным или видимым), которое этим телом испускается. Датчики, воспринимающие это излучение, являются, следовательно, оптическими датчиками, фотоэлектрическими или тепловыми. Однако, учитывая важность оптической пирометрии для применений в промышленности, изложим здесь кратко физические принципы метода и используемые процедуры измерений. Преимуществом оптической пирометрии является то, что она позволяет определить температуру объекта без контакта с ним. Таким образом, методы оптической пирометрии являются особенно подходящими, когда условия эксперимента не позволяют использовать классические термометрические датчики. К таким условиям относятся:

-- очень высокие температуры (>2000C) и измерения на большом расстоянии;

-- очень агрессивная окружающая среда (химическая промышленность);

-- материалы, плохо проводящие тепло (пластмассы, стекла, дерево);

-- движущиеся тела (например, листовой материал в прокатном стане).

Когда температура исследуемого объекта неравномерна, оптическая пирометрия позволяет получить карту распределения температур (термография).

Физические принципы

Все тела спонтанно и непрерывно испускают электромагнитное излучение, распределение энергии в непрерывном спектре которого есть функция температуры -- это тепловое излучение. Излучение является следствием вызванных тепловым возбуждением радиационных переходов в атомах и молекулах. Законы испускания этого излучения установлены для идеального излучателя -- абсолютно черного тела, поглощающего все падающее на него излучение; тепловое излучение реального тела в зависимости от его коэффициента поглощения в большей или меньшей степени приближается к излучению абсолютно черного тела.

Законы теплового излучения абсолютно черного тела. Спектральная плотность энергетической светимости Ел,n-- это мощность, излучаемая в полусферу с единицы поверхности излучателя на длине волны л, в единичном интервале длин волн с центром в л. Энергетическая светимость Еn-- это полная мощность излучения, испускаемого в полусферу с единицы поверхности излучателя:

Фундаментальный закон теплового излучения Планка определяет спектральную плотность энергетической светимости источника, являющегося абсолютно черным телом, в функции длины волны л и абсолютной температуры Т этого источника:

где c1=2рhc2 и c2=hc/k; h=6,6261·10-34 Вт·с2 -- постоянная Планка; c?2,998·108 м·с-1-- скорость света; k= 1,38066·10-23 Вт·с·К-1 -- постоянная Больцмана; величины c1 и с2 в системе СИ равны с1=3,7418·10-16 Вт·м2, с2=1,4388·10-2 м·К.

На практике чаще используется закон Стефана -- Больцмана, который получается интегрированием закона Планка и дает величину интегральной энергетической светимости источника с абсолютной температурой Т:

где у -- постоянная Стефана -- Больцмана, которая выражается формулой у =2р5k4/15c2h3 и, следовательно, численно равна у =5,67·10-12 Вт·см-2·К-4. Установлено, что более 90% полной энергии излучается в диапазоне между л макс/2 и 5 лмакс

Пирометр полного излучения. Весь спектр теплового излучения объекта (на практике -- его основная часть) принимается приемником в широкой полосе, для чего используется тепловой приемник излучения.

Узкополосный (монохроматический) пирометр. Некоторая часть теплового спектра излучения объекта, центрированная на длине волны л0 и имеющая ширину Дл, выделяется с помощью оптического фильтра и принимается фотоэлектрическим датчиком со спектральной чувствительностью, согласованной с этой длиной волны ло. Электрический сигнал sel, выдаваемый приемником, описывается выражением

.

Пирометр с исчезающей нитью, или монохроматический пирометр (л0=0,65 мкм). Изображение вольфрамовой нити лампы накаливания накладывается на изображение объекта. Ток If, нагревающий нить, устанавливается таким, чтобы ее яркость была равна яркости объекта; при этом оба изображения сливаются. Предварительная градуировка с помощью модели черного тела (If=f(T)) позволяет определить коэффициент излучения объекта и получить значение температуры.

Бихроматический пирометр (пирометр спектрального отношения). Этот пирометр можно рассматривать как двойной монохроматический пирометр, использующий два соседних диапазона теплового излучения, которые центрированы на длинах волн л1 и л2 и имеют одинаковую спектральную ширину полосы пропускания.

В соответствии с выражением для сигнала датчика в случае монохроматического пирометра будем иметь в этом случае для диапазона, центрированного в л1

,

и для диапазона, центрированного в :

.

3 Датчики влажности

3.1 Основные понятия и термины, связанные с влажностью воздуха

Рассмотрим объем V влажного воздуха, находящегося при температуре Т. Масса М влажного воздуха, содержащегося в этом объеме, представляет собой сумму массы сухого воздуха Tа и массы водяного пара mv.

Общее, или барометрическое, давление р также представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха рa и водяного пара pv.

Массовое отношение влаги r (кг/кг). Массовым отношением влаги называется отношение массы водяного пара mv к массе mа сухого воздуха, в смеси с которым находится этот водяной пар:

r = mv/ma.

Эта величина характеризует влажность.

Давление насыщенного пара рs(Т), Па. Так обозначается давление пара, находящегося в равновесии с жидкой водой при температуре Т. Это максимальное значение, которое может принимать парциальное давление пара pv при температуре Т; далее уже происходит конденсация.

Относительная влажность U, % есть отношение парциального давления пара воды при температуре Т к давлению насыщенного пара при этой температуре:

U=pv/ps(T)·100%

Это наиболее часто используемый показатель влажности воздуха.

Температура точки росы Тh, °С. Температура точки росы -- это температура, до которой необходимо охладить влажный воздух, чтобы достичь насыщения, сохраняя постоянным массовое отношение, влаги в процессе охлаждения. При температуре точки росы

pv = ps(Td).

Температура влажного термометра Тh, °С. Это температура равновесного испарения воды в - воздух в случае, когда необходимая для испарения теплота поступает только из воздуха. На практике эту температуру получают при традиционном использовании психрометра, основанного на всасывании воздуха. Для обычных воздухо-водяных теплообменников Тh является характеристикой теплообменника (холодильные башни, скрубберы).

Удельная энтальпия i, кДж/кг. Здесь энтальпия -- суммарная теплота, содержащаяся во влажном воздухе; принято считать, что нулевая энтальпия соответствует сухому воздуху при 0°С. Удельная энтальпия отнесена к единице массы сухого воздуха. Например, для того чтобы влажный воздух, масса сухого воздуха в котором равна mа, привести от условий А (Т=ТА,r=rA) к условиям В (Т=Тв, r=rв), необходимо затратить энергию

(iB=iA ) mа ,

где iB и iA -- удельные энтальпии, соответствующие условиям В и А.

3.2 Гигрометры -- общие сведения

Гигрометры можно разделить на две группы:

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

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

Эти гигрометры позволяют в соответствии с принципами, положенными в их основу, определить один из, параметров влажного воздуха. Вот эти параметры и гигрометры, обеспечивающие их измерение:

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

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

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

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.

3.3 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», Td (индекс d соответствует английскому dew point) или «точку инея», Tf (f от англ. 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. 3.1 изображены принципиальная, конструктивная и электрическая схемы автоматического конденсационного гигрометра.

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.

Рис. 3.1- Конденсационный гигрометр

а -- принципиальная схема; б -- конструкция измерительном головки: в --схема регулировки температуры зеркала. 1 -- источник света; 2 -- фоточувствительный детектор; 3 -- регулятор; 4 -- охлаждение -- нагрев; 5 -- датчик температуры; 6 --зеркало; 7 -- питание; 8--оптический блок; 9 -- термистор; 10 -- фоторезистор;11-- окно; 12--зеркало; 13 -- газ; 14 -- измерение температуры; 15 -- охлаждение (элементы Пельтье); 16 -- терморезистор; 17 -- «пороговый» индикатор; 18 -- резистор нагрева зеркала; 19 -- управление охлаждением; 20 -- установка порогового уровня; 21 -- измерение напряжения Vc; 22 -- градуировочный сервопотенциометр.

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 иди 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 ошибка 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, 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 точность вплоть до ±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.

3.4 Сорбционный гигрометр

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.3.2).

2.

Рис.3.2 - 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 Td (точка росы), чтобы над ней установилось давление насыщенного пара рs, (вода, Тd), равное рv(А). Напротив, насыщенный раствор хлорида лития потребуется нагреть до равновесной температуры, чтобы над ним установилось давление насыщенного пара ps (LiCl, Te), равное рv (A):

Рv (А) = рs (вода, Td) = ps ( LiCl , Te).

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. 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.3.1). Используемая область на диаграмме, соответствующая влажному (воздуху, заключается между этой линией и линией насыщения. Таким образом, из рис.3.2 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.3.1 можно установить соответствие между точкой росы и равновесной температурой раствора.

Таблица 3.1. Равновесное давление пара над водой и над насыщенным раствором хлорида лития для различных температур

Температура раствора, єС	Давление пара над водой рs (вода, T), Па	Давление пара над LiCl ps(LiCl,T), Па	Относительная влажность U=ps (LiCl,T)/рs (вода, T), %
5	872,469	119,2	13,7
10	1227,94	167,6	12,8
15	1705,32	203,6	11,9
20	2338,54	260,6	11,1
25	3168,74	363,2	11,1
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

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 связанной 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.3.3

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.3.4).

Рис .3.3 - Сорбционный датчик на основе хлорида лития

а - схематическое изображение в разрезе (фирма Siemens); б - внешний вид (фирма Richard et Pekly). 1-- источник переменного тока; 2- индикатор температуры; 3- платиновый термометр сопротивления; 4 -- стекловолокно; 5 -- электроды; 6--изолированная металлическая трубка.



Рис.3.4 - Схема формирования сигнала сорбционного датчика на основе хлорида лития

Влияющие факторы:

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 катушек и, следовательно, порчу датчика. Непроводящие частицы не мешают измерению, тогда как осаждение проводящих частиц (следовые количества SO2, SO3, 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 хорошей точностью. Тот факт, что разновесная температура получается при нагреве датчика, а не при его охлаждении, обеспечивает им важное преимущество по сравнению с конденсационными гигрометрами с точки зрения простоты, надежности и цены.

Воспроизводимость датчика на основе хлорида лития может быть лучше ±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 совокупная 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 хуже.

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 +60оС, для температуры точки росы можно привести два интервала точности

- при 10оСTd34oC и 41oCTd65°С точность определения Td составляет ±1°С;

- при 34°СTd41°С точность определения Тd равна ±2°С.

3.5 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 они 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 по времени, обратимостью, линейностью и т. д.

Импендансные гигрометры можно разделить на три группы:

резистивные гигрометры;

емкостные гигрометры на основе полимерных диэлектриков;

емкостные гигрометры на основе диэлектрического оксида алюминия.

Изменения импеданса датчика измеряются с использованием пассивных датчиков, а компенсацию внешних влияний, в особенности температуры, можно осуществить с помощью импеданса той же природы в условиях переменной влажности.

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 (отношения массы поглощенной воды к сухой массе гигроскопичного вещества); как видно из рис.3.5 (изотерма сорбции), это содержание зависит, в свою очередь, от относительной влажности и от температуры окружающей среды.

Рис.3. 5 - 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.3.6, а 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 Rm гигрометра зависит одновременно от влажности и от температуры: влияние последней можно компенсировать с помощью потенциометрической схемы (рис.3.6, б), где сопротивление Ra включается последовательно с Rm и его зависимость от температуры такая же, как у
Rm .

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 секунд. Указывается паспортная точность 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.



Рис.3.6. Гигрометр резистивного типа.

а -- зависимость сопротивления от относительной влажности; б-- потенциометрическая измерительная схема

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.

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.

Точность 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 использовать 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.3.7, а). Импеданс гигрометров этого типа меняется в зависимости от относительной влажности окружающей среды (рис.3.7, б).