Метеорологические датчики контроля среды

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.

Рис.3.7 - Гигрометр на основе диэлектрика (А120з).

а- ячейка производства фирмы Panametrics; б- эквивалентная электрическая схема;: R0C0 - импеданс компактной части; R1 - сопротивление боковой поверхности пор; R2С2, - импеданс участка между дном пор и внутренним электродом.

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.

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 использовании 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 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 коррозионно-активные вещества, такие, как хлорид натрия, сера, которые взаимодействуют с алюминием и, следовательно, могут повредить чувствительный элемент.

3.6 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.3.8) состоит из трубки длиной 10 см, в которой размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (Р2О5) между ними.

Рис.3.8 - Конструктивная схема электролитического датчика (фирма Beck-man)

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

Исследуемый газ циркулирует в измерительном 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 dme/dt, то сила электрического тока составит

I=96500?dme/9?10-3?dt,

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

dme/dt= б ·Сv · Qv

где б -- коэффициент захвата молекул воды слоем Р205. При подходящей геометрии датчика и определенной величине расхода, б можно довести практически до 1. Однако в любом случае при заданной геометрии этот коэффициент остается постоянным, если постоянна скорость воздуха, и благодаря градуировке можно определить его действительную величину.

Вышеприведенное соотношение для I можно записать как

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

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 м. д.(10-6)). Действительно, даже при использовании труб из нержавеющей стали вследствие этих явлений сорбции: время установления равновесия составляет более 24 ч при концентрациях ниже 10 м. д. (Td<-70 °С).

Рабочий диапазон некоторых моделей таких гигрометров распространяется вплоть до 30000 м. д. (Тd?+ЗО°С), однако при переходе уровня 10000 м. д. 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.

3.7 Психрометр

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, называемого «температурой влажного термометра». Другой термометр измеряет температуру воздуха, 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. На рис.3.9 схематически показан влажный термометр, снабженный противорадиационным экраном, предотвращающим поступление тепла извне. Предполагается также, что теплоперенос в результате теплопроводности вдоль корпуса термометра пренебрежимо мал. В пограничном слое влажного фитиля воздух насыщен при температуре Th. Массовое отношение влаги для него составляет гs, а удельная энтальпия равна ih.

Рис.3.9 - Принципиальная схема гигрометра с влажным термометром.

Если i(r, T)--энтальпия воздуха на входе в психрометр, то уравнение теплового баланса для влажного воздуха, содержащего единицу массы сухого воздуха, можно записать в виде:

ih=i+Дi, (1)

где Дi -- энтальпия, отдаваемая жидкой водой, т. е.

Дi=Cpe(rh-r)Th,

Здесь гh-г -- разность массы испарившейся воды при температуре Th и единицы массы сухого воздуха, а сРe -- удельная теплоемкость воды при постоянном давлении. Можно записать:

i= (Cpa +rCpv)T+L0r и ih= (Cpa +rhCpv)Th+L0rh

где Cpa -- удельная теплоемкость сухого воздуха, сРv -- удельная теплоемкость водяного пара, L0 -- скрытая теплота парообразования при температуре 0 °С.

Уравнение (1) преобразуется следующим образом:

(Cpa +rCpv)(T-Th)= (rh-r){L0+Th (Cpv-Сре)}.

Скрытая теплота парообразования LTh при температуре Тh равна

LTh = L0+T(Cpv=Сре).

Наконец, получаем:

(Cpa +rCpv)(T-Th)= (rh-r) LTh (2)

Это соотношение нельзя использовать непосредственно. Обычно предпочтение отдается уравнению, включающему давление пара рv, которое связано с r соотношением

r=д·pv/p-pv или д=Mv/Ma?0,622

Здесь р представляет собой барометрическое давление, а Мv и Ma -соответствующие молекулярные массы. В результате преобразований получаем соотношение

pv=ps(Th)-Ap(T-Th), (3)

где .

Величину А часто называют психрометрической постоянной.

При 10<=Th <=30°С можно принять А = 0,00064.

Последнее соотношение позволяет на основе измерений Т и Th, и при известном барометрическом давлении р определить рv и, следовательно, температуру точки росы Тd или массовое отношение влаги r.

Практическое уравнение психрометра. Преимущество использования соотношения (3) и психрометрической постоянной заключается в том, что они позволяют ввести поправочный коэффициент, определяемый путем градуировки конкретного прибора. Тогда соотношение (3) для данного психрометра принимает вид

pv=ps(Th)-бAp (T-Th),

где б -- коэффициент, зависящий от Т и Th и характеризующий психрометр. В случае идеального функционирования б=1.

3.8 Психрометр с электростимулированным обдувом

Циркуляция воздуха в этом психрометре (рис.3.10) осуществляется с помощью вентилятора, приводимого в действие либо пружинной механической системой (в простейших моделях), либо электродвигателем (в моделях с непрерывным поступлением воды).

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.

Рис.3.10 - Электрический психрометр с обдувом (конструкция фирмы Ultra-kust).

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.

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.

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 Тh ниже или вблизи 0єС 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.3.11, а (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.3.11,6). Именно на протяжении этого интервала термометр, по определению, указывает температуру влажного воздуха.

Рис.3.11 - Психрометр для измерения влажности при высокой температуре (материалы фирмы Inotechnique -- Richard & Pekly).

а -- конструкция; б -- определение интервалов времени, необходимого для достижении теплового равновесия. 1 -- стенка трубы; 2 -- инжекторы; 3 -- влажный датчик; 4 -- сухой датчик; 5 -- пористое тело; 6 -- съемный чехол; 7 -- соединительная муфта.

4 Заключение

Благодаря многообразию свойств веществ и физических явлений, зависящих от температуры, в данной работе было рассмотрено большое количество методов измерений: оптические методы, основанные на изменении спектрального распределения испускаемого излучения или уширения спектральных линий вследствие эффекта Доплера, обусловленного тепловым движением молекул; механические методы, основанные на расширении твердого тела, жидкости или газа при постоянном давлении, на изменении давления насыщенного пара или скорости звука; электрические методы, основанные на зависимости от температуры сопротивления или его собственного шума, на эффекте Зеебека или на зависимости частоты колебаний кварцевого кристалла от температуры.

При использовании оптических и акустических методов наблюдения за состоянием среды, где измеряется температура, не вносят в нее никаких возмущений, но область их применения ограничена, и осуществление измерений этими методами связано с определенными трудностями. Электрические методы, напротив, имеют широкую область применения и сравнительно просто реализуются, но взаимное влияние датчика и исследуемой среды часто при выполнении точных измерений ставит трудную задачу по определению отличия измеряемой температуры от фактически измеренной, которая является температурой датчика.

Также были рассмотрены гигрометры и выяснено, что в соответствии с принципами, положенными в их основу, можно определить один из параметров влажного воздуха. Например, температура точки росы Td (°С), определяемая конденсационными, сорбционными и электролитическими гигрометрами, а также гигрометрами на основе оксида алюминия; температура влажного термометра Th (°С), измеряемая психрометрами; относительная влажность U (%), определяемая с помощью гигрометров на основе изменения сопротивления и емкости.

Список используемых источников

1 Ж. Аш. Датчики измерительных систем. Том 1 - М., 1991. - 419 с.

2 Ж. Аш. Датчики измерительных систем. Том 2 - М., 1991. - 419 с.

3 Интернет

Размещено на Allbest.ru