Датчики влажности

1. Общие сведения

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30 °С в Сибири, где зимой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0 °С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно. (Естественно, что здесь учитываются только климатические факторы и не рассматриваются экономические, культурные и политические). Работа многих также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20–25 °С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях, правда, здесь существуют исключения: например, в производственных комнатах Класса А влажность должна быть 38%, а в больничных операционных – 60%. Влага входит в состав большинства выпускаемых изделий и материалов. Можно сказать, что большую часть валового национального продукта любой страны составляет вода.

Для измерения влажности используются приборы, называемые гигрометрами.

Первый гигрометр был создан Джоном Лесли A760–1832. Чувствительный элемент гигрометра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и температуры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптическими. Оптические газовые датчики определяют точку росы, в то время как оптические гигрометры измеряют содержание воды в органических растворах по поглощению излучения ближнего ИК диапазона в интервале 1.9…2.7 мкм.

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются разные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м3). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ррт). Приведу несколько полезных определений:

1 Влагомер (<измеритель влажности>): измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности твердых или жидких веществ.

2 Гигрометр (<измеритель влажности>, <влагомер газов>): измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности газов.

3 Гигрограф: регистрирующий измерительный прибор, предназначенный для непрерывной записи значений величин влажности газов.

4 Датчик влажности; датчик: первичный измерительный преобразователь величин влажности в другие физические величины, например в электрические.

5 Гравиметрический метод: метод косвенного измерения величин влажности, заключающийся в выделении влаги из вещества и раздельном измерении массы влажного вещества и его сухой части либо выделенной влаги.

6 Испарительно-гравиметрический метод; метод высушивания: гравиметрический метод измерения влажности твердых веществ, основанный на испарительном способе удаления влаги из вещества.

7 Термогравиметрический метод; тепловой метод (<воздушно-тепловой метод>): метод высушивания, основанный на удалении влаги из вещества путем его нагревания.

8 Вакуумно-гравиметрический метод; вакуумный метод: метод высушивания, основанный на вакуумном способе удаления влаги из вещества.

9 Вакуумно-тепловой метод: метод высушивания, основанный на одновременном применении теплового и вакуумного способов удаления влаги из вещества.

10 Сорбционно-гравиметрический метод: гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на сорбционном способе выделения влаги из газов.

11 Конденсационно-гравиметрический метод: гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на конденсационном способе выделения влаги из газов.

12 Кулонометрический метод: метод косвенного измерения влажности газов, основанный на сорбционном способе выделения влаги из газа и последующем измерении количества электричества, необходимого для электролитического разложения этой влаги.

13 Психрометрический метод: метод косвенного измерения влажности газов, основанный на зависимости понижения температуры (охлаждения) смоченного твердого тела от влажности окружающего газа.

14 Психрометр: устройство для реализации психрометрического метода измерения, содержащее сухой и смоченный термометры.

15 Аспирационный психрометр: психрометр, снабженный аспиратором – устройством для обдувания термометров анализируемым газом.

16 Психрометрическая формула: математическое уравнение, выражающее зависимость какой-либо величины влажности газа от разности температур сухого и смоченного термометров

17 Психрометрический коэффициент: коэффициент в психрометрической формуле, зависящий от конструкции психрометра и скорости обдува термометров.

18 Психрометрический гигрометр: гигрометр, принцип действия которого основан на психрометрическом методе измерения, автоматическом вычислении величины влажности и представлении ее значения на отсчетном устройстве.

19 Конденсационный метод: метод измерения точки росы [инея], заключающийся в охлаждении газа до температуры выпадения конденсата (росы или инея) и измерении этой температуры.

20 Равновесный метод: метод косвенного измерения влажности твердых веществ, заключающийся в измерении влажности газа, находящегося в гигротермическом равновесии с этими веществами.

21 Диэлькометрический метод: метод косвенного измерения влажности веществ, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости этих веществ от их влажности.

22 Метод Фишера: химический метод измерения влажности твердых и жидких веществ заключающийся в экстрагировании влаги из пробы вещества растворителем и последующем титровании ее специальным раствором Фишера.

23 Оптические методы: методы косвенного измерения влажности газов, основанные на зависимости их оптических свойств от влажности.

24 Нейтронный метод: метод измерения влажности твердых веществ, заключающийся в замедлении быстрых нейтронов на ядрах водорода (протонах) и измерении интенсивности потока образующихся медленных нейтронов.

25 Деформационный гигрометр [датчик влажности]: гигрометр [датчик], принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента от влажности газа.

26 Волосяной гигрометр [датчик влажности]: деформационный гигрометр [датчик], в котором в качестве чувствительного элемента использован волос, например человеческий.

36 Пленочный гигрометр [датчик влажности] (<мембранный гигрометр>): деформационный гигрометр [датчик], в котором в качестве чувствительного элемента использована влагочувствительная пленка, например животного происхождения.

37 Резистивный влагомер [гигрометр, датчик влажности]: влагомер [гигрометр, датчик], принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от влажности вещества

38 Емкостный влагомер [гигрометр, датчик влажности]: влагомер [гигрометр, датчик], принцип действия которого основан на зависимости электрической емкости чувствительного элемента от влажности вещества.

39 Электролитический гигрометр [датчик влажности газа]: резистивный гигрометр [датчик влажности газа], в котором в качестве чувствительного элемента использована пленка раствора соли.

40 Электролитический подогревный гигрометр точки росы [датчик точки росы]; подогревный гигрометр [датчик]: электролитический гигрометр [датчик влажности газа] с подогревом, вследствие которого сопротивление чувствительного элемента поддерживается на постоянном уровне, а температура равновесия служит мерой точки росы окружающего газа.

41 Пьезосорбционный гигрометр [датчик влажности газа]: гигрометр [датчик влажности], принцип действия которого основан на зависимости частоты колебаний или добротности пьезоэлектрического резонатора, покрытого влагосорбирующим слоем, от влажности окружающего газа.

42 Нейтронный влагомер: влагомер твердых веществ, принцип действия которого основан на нейтронном методе измерения.

В воздухе всегда содержится определенное количество влаги в виде водяного пара. Там, где наличие водяного пара приводит к возникновению химических, физических и биологических процессов или оказывает влияние на эти процессы, большое значение имеет постоянный контроль за влажностью воздуха. Для определения количества влаги имеются две измерительные величины. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность (точка насыщения)

Абсолютная влажность Fabs показывает такое количество водяного пара, которое содержится в определенном обьеме воздуха.

Воздух, как смесь газа и пара, всегда содержит водяной пар. Водяной пар создает определенное давление, которое называют давлением водяного пара. Оно является частью всего барометрического давления газа.

Давление водяного пара и соответственно абсолютная влажность воздуха могут повышаться при определенной температуре только до предела насыщения. Это максимально возможное давление называют давлением насыщения. Температурная зависимость давления насыщения изображается кривой давления водяного пара.

Давление окружающей среды или наличие других газов не оказывает влияния на кривую давлений водяного пара. Влажность насыщения достигается максимальным количеством водяного пара, смотри диаграмму.

Точка насыщения

При дальнейшем поступлении водяного пара образуется конденсация. Избыточное количество водяного пара проявляется в виде дождя, тумана или конденсата. Насыщенное состояние при этом сохраняется. Если насыщенный теплый воздух охлаждается, то также происходит конденсация. Теперь охлажденный воздух будет впитывать меньше влаги. Температура, при которой это происходит, называется температурой точки насыщения. Она указывается в °С. С помощью точки насыщения можно установить давление водяного пара влажного воздуха по кривой давления водяного пара. Итак, точка насыщения является единицей измерения количества воды во влажном воздухе. Величина абсолютной влажности воздуха подбирается в зависимости от данных расчетных требований. Различные размерности имеют постоянное соотношение друг с другом, смотри диаграмму.

Относительная влажность

Относительная влажность воздуха это отношение фактически имеющейся, т.е. абсолютной влажности воздуха Fabs к максимально возможной влажности воздуха Fsat при данной температуре. Относительная влажность воздуха представляет собой безразмерную величину. Она является передаточным числом и указывается в%.

При высокой температуре воздух может поглощать больше влаги чем при низкой. Максимальная влажность, которую может поглотить воздух, называется влажностью насыщения. До насыщения давление водяного пара и следовательно относительная влажность пропорциональна всему барометрическому давлению. Так как давление насыщения зависит только от температуры, относительная влажность воздуха также зависит от температуры. Относительная влажность уменьшается, если температура повышается и наоборот. Влияние колебаний температуры на относительную влажность может быть значительным.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса – Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

ln psw = -6094,4692T-1 + 21,1249952 – 0,027245552 T + 0,000016853396T2 + 2,4575506 ln T

ln psi = -5504,4088T-1 – 3,5704628 – 0,017337458T + 0,0000065204209T2 + 6,1295027 ln T,

где psw и psi – давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда соответственно (Па);

Т – температура (К).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100ºC (для psw) и от -0 до -100ºC (для psi). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50ºC).

2. Методы и средства измерения влажности

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т.д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

Влагосодержание – величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

(1)

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

(2)

где Т – абсолютная температура, n_>0> – постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см³ при нормальных условиях, т.е. при p_>0>= 760 Торр= 1015 Гпа и T_>0> = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т.е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%. Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т. к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние – процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

(3)

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

(4)

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в табл. 1.

Таблица 1. Давление насыщенных паров над плоской поверхностью воды

t°c	Р_>нк>, мбар	А_>нк>г/м³	t°C	Р_>нк>, мбар	А_>нк>г/м³
0	6,108	4,582	31	44,927	33,704
1	6,566	4,926	32	47,551	35,672
2	7,055	5,293	33	50,307	37,740
3	7,575	5,683	34	53,200	39,910
4	8,159	6,120	35	56,236	42,188
5	8,719	6,541	36	59,422	44,576
6	9,347	7,012	37	62,762	47,083
7	10,013	7,511	38	66,264	49,710
8	10,722	8,043	39	69,934	52,464
9	11,474	8,608	40	73,777	55,347
10	12,272	9,206	41	77,802	58,366
t°c	Р_>нк>, мбар	А_>нк>г/м³	t°C	Р_>нк>, мбар	А_>нк>г/м³
11	13,119	9,842	42	82,015	61,527
12	14,017	10,515	43	86,423	64,839
13	14,969	11,229	44	91,034	68,293
14	15,977	11,986	45	95,855	71,909
15	17,044	12,786	46	100,89	75,686
16	18,173	13,633	47	106,16	79,640
17	19,367	14,529	48	111,66	83,766
18	20,630	15,476	49	117,40	87,772
19	21,964	16,477	50	123,40	92,573
20	23,373	17,534	51	129,65	97,262
21	24,861	18,650	52	136,17	102,153
22	26,430	19,827	53	142,98	107,268
23	28,086	21,070	54	150,07	112,581
24	29,831	22,379	55	157,46	118,125
25	31,671	23,759	56	165,16	123,900
26	33,608	25,212	57	173,18	129,917
27	35,649	26,743	58	181,53	136,009
28	37,796	28,354	59	190,22	142,700
29	40,055	30,048	60	199,26	149,482
30	42,430	31,830

На стандартных справочных данных, приведенных в табл. 1, основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т.д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах – гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;

емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;

резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;

пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;

датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;

оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al_>2>O_>3>. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения – закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью I_>λ>, равное:

(5)

где I_>λ> – интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N – концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l – длина поглощающего столба, δ_>λ> – молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм – в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество – это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток – влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т.д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Одна из возможных конструкций оптического датчика влажности дана на рис. 4. Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 4 есть еще одна особенность – возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

(6)

где N – концентрация (число) молекул в единице объема; δ_>λ> – сечение поглощения, I – длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности.

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

В заключение кратко остановимся на методах измерения влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое – что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе – что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно. Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

3. Измерение влажности психометрическим влагомером

Влажность газов, жидкостей и твердых материалов – один из важных показателей в технологических процессах. Влажность газов, например, необходимо измерять в сушильных установках, при очистке газов, в газосборниках, при кондиционировании воздуха и т.д. Измерение содержания воды в нефти, спиртах, ацетоне проводят в процессах нефтепереработки и нефтехимии, в пульпах – в производстве серной кислоты и минеральных удобрений. Измерение влажности твердых сыпучих материалов занимает важное место в производстве красок, минеральных удобрений, строительных материалов; влажность волокнистых материалов определяет качество продукции при производстве бумаги и картона.

Влажность газов в технологических процессах обычно измеряют психрометрическим методом.

Действие психрометрических влагомеров основано на измерении двух температур: температуры «сухого» термодатчика, помещенного в анализируемый газ, и температуры «мокрого» термодатчика, завернутого в чулок из влажной ткани, конец которой опущен в воду. За счет испарения воды этот термодатчик охлаждается до температуры меньшей, чем температура газа. С увеличением влажности газа испарение идет менее интенсивно и температура «мокрого» термометра растет. При влажности 100% вода вообще не будет испаряться и температуры обоих термодатчиков сравняются.

В промышленных влагомерах в качестве термодатчиков обычно используют термометры сопротивления, включенные. в схему для измерения отношения их сопротивлений, т.е. отношения температур «мокрого» и «сухого» термометров.

Из принципиальной схемы влагомера видно, что она состоит из двух неуравновешенных мостов, реохорда, усилителя, реверсивного электродвигателя и показывающего устройства. В плечи неуравновешенных мостов включены соответственно «сухой» (Rc) и «мокрый» (RM) термометры Выходной сигнал моста – напряжение U2 включен встречно с напряжением U3, снимаемым о движка реохорда. Их разность AU приложена к входу усилителя. Там она усиливается и приводит в действие реверсивный электродвигатель. Вал электродвигателя перемещает движок реохорда и связанную с ним стрелку показывающего устройства.

Состояние равновесия в схеме наступает при равенстве напряжений U2 и U3. При этом ΔU = 0, поэтому движок реохорда и стрелка прибора перестают перемещаться. Положение движка реохорода в момент равновесия зависит от отношения напряжений U1 и U2, а значит, от отношения температур «сухого» и «мокрого» термометров. Таким образом, положение стрелки прибора однозначно связано с измеряемой влажностью газа. Для измерения влажности жидкостей применяют как специальные влагомеры, так и приборы, измеряющие какое-либо свойство жидкости, если оно связано с ее влажностью. Например, одной из характеристик пульп является соотношение жидкость: твердое в ее составе. Эту величину измеряют обычно плотномерами. В тех случаях, когда из пульпы удаляется только жидкая фаза (выпаривание, фильтрование), показания плотномера будут определяться содержанием жидкости в пульпе. В этом случае плотномер выполняет функцию влагомера.

В специальных влагомерах для жидкостей используют емкостный и абсорбционный методы измерения.

Действие емкостных влагомеров основано на изменении диэлектрической проницаемости жидкости при изменении содержания в ней воды. Электрическая схема такого влагомера аналогична электрической схеме емкостного уровнемера. Изменение влажности жидкости приводит к изменению емкости

Сх и выходного напряжения моста U. Такими влагомерами измеряют содержание воды в нефти на нефтеперерабатывающих заводах. Диапазон измерения прибора 0–1%.

Принцип действия абсорбционных влагомеров для жидкости основан на поглощении водой энергии излучения в области спектра близкой к инфракрасной.

Жидкость пропускают через камеру, где через нее проходит поток излучения от источника. Так как в камере часть энергии поглощается влагой, энергия выходящего потока будет тем меньше, чем больше концентрация влаги в смеси.

Источником излучения служит лампа накаливания, приемником – фоторезистор. Промышленные анализаторы влажности служат для определения концентрации влаги в ацетоне и спиртах от 0 до 5%.

Сложность измерения влажности твердых сыпучих и волокнистых материалов заключается в том, что при взаимодействии датчика с материалом может изменяться его структура, насыпная плотность и другие факторы, существенно увеличивающие погрешность прибора. Поэтому в промышленности нашли применение в основном бесконтактные методы измерения: оптический и сверхвысокочастотный.

В оптических влагомерах используется связь между влажностью вещества и потоком отраженного от него излучения. Для получения наибольшей чувствительности применяют излучение в инфракрасной области спектра, которое создается источником. Отраженный анализируемым материалом световой поток направляется собирающим устройством на приемник. Чем больше влажность материала, тем лучше он поглощает инфракрасное излучение и тем меньше величина отраженного потока.

Поскольку таким методом можно измерить влажность лишь тонкого слоя, влагомер обычно применяют для сыпучих материалов, транспортируемых по конвейерным лентам.

Сверхвысокочастотные (СВЧ)

Сверхвысокочастотные (СВЧ) влагомеры используют значительное (в десятки раз) различие электрических свойств воды и сухого материала. Концентрацию влаги измеряют по ослаблению СВЧ-излучения, проходящего через слой анализируемого материала. В таких влагомерах лента материала (например, волокнистого: бумага, картон) проходит между передающей и приемной антеннами. Передающая антенна соединена с СВЧ-генератором, приемная – с измерительным устройством. Чем больше влажность анализируемого материала, тем меньше сигнал, попадающий в измерительное устройство.

СВЧ-влагомеры позволяют измерять влажность в широком диапазоне (0–100%) с высокой точностью.

4. Датчики и первичные преобразователи для измерения относительной влажности

Первичные преобразователи резистивного типа

Резистивный тип чувствительного элемента (осуществляется преобразование «влажность-сопротивление»);

Логарифмическая зависимость передаточной характеристики «влажность-сопротивление»;

Измерение относительной влажности в естественном диапазоне;

Малые габаритные размеры;

Стабильность в работе долгое время;

Невысокая стоимость.

Применение: увлажнители, деувлажнители воздуха, гидрометры, управление влажностью.

Модель	Фото	Особенности
H22K5		Диапазон измерения – от 20 до 90%; Сопротивление 22 кОм при 25 °C, 60% отн. влаж., 1 кГц
H35K5	Диапазон измерения – от 30 до 90%; Сопротивление 25кОм при 25 °C, 60% отн. влаж., 1 кГц
H35K5A	Диапазон измерения – от 20 до 90%; Сопротивление 25кОм при 25 °C, 60% отн. влаж., 1 кГц

Первичные преобразователи емкостного типа

Емкостной тип чувствительного элемента.

Высокая линейность передаточной характеристики «влажность-емкость»;

Измерение относительной влажности в полном диапазоне;

Малая инерционность;

Высокая точность;

Малые габаритные размеры;

Длительный срок службы;

Применение: метеоприборы, увлажнители и деувлажнители воздуха, кондиционеры, видеомагнитофоны, видеокамеры, автомобильная электроника, антиобледенители и т.п.

Модель	Фото	Особенности
818		Диапазон измерения – от 0 до 100%; Линейность: ±1% в диапазоне от 10 до 90% отн. влаж. Собственная емкость 105пФ±5% при 33% отн. влаж., 1 кГц

Датчики для измерения влажности и температуры

Резистивный или емкостной типы чувствительного элемента для определения влажности;

Встроенный терморезистор для измерения температуры;

Выходной сигнал: напряжение для влажности, сопротивление для температуры.

Высокая линейность преобразования.

Температурная компенсация.

Малая инерционность.

Хорошая стабильность.

Маленький размер.

Низкая стоимость.

Применение: увлажнители, деувлажнители воздуха, гидрометры, управление влажностью.

Тип датчика	H300M и H300М	H500M	H600M
Тип чувствительного элемента для определения влажности	Резистивный	Емкостной	Емкостной
Чувствительный элемент для определения температуры	Терморезистор 50 кОм	Терморезистор 50 кОм	Терморезистор 50 кОм
Диапазон измеряемой влажности	10 – 95%	0 – 100%	0 – 100%
Основная погрешность	±5%	±4%	±4%
Напряжение питания	5 В ± 5%	5 В ± 2%	5 В ± 2%
Диапазон выходного напряжения	0 ~ 3.0 В	0.38 ~ 0.68 В	0.38 ~ 0.68 В
Ток потребления	Не более 5 мА	Не более 1.5 мА	Не более 1.5 мА
Рабочий температурный диапазон	0… +60 °С	0… +50 °С	-20… +70 °С
Размер	34 x 22 x 13 мм	34,5 x 22 x 12 мм	34,5 x 22 x 12 мм

Датчики влажности

На основе первичного преобразователя емкостного типа (осуществляется преобразование «влажность-емкость-напряжение»).

Высокая линейность преобразования.

Высокая точность.

Малая инерционность.

Высокая стабильность (1% в год).

Маленький размер.

Температурная компенсация.

Сменное защитное канифольное покрытие позволяет использовать датчики в плохих условиях окружающей среды.

Низкая стоимость.

Применение: метеорологические станции, контроль влажности в производственных помещениях, устройства для измерения относительной влажности и т.д.

Тип датчика	808H5V5	808H5V6
Диапазон измеряемой влажности	0 – 100%	0 – 100%
Основная погрешность	±4%	±4%
Напряжение питания	5 В ± 5%	3.3 В ± 3%
Диапазон выходного напряжения	0.8 ~ 3.9 В	0 ~ 3.0 В
Ток потребления	Не более 1.2 мА	Не более 200 мкА
Рабочий температурный диапазон	-40… +85 °С	-40… +85 °С
Размер	12.5 x 8 x 5 мм	12.2 x 8 x 4 мм
Расстояние между выводами	2.54 мм	2.54 мм

Датчик влажности ДВТ-02И

Датчик влажности ДВТ-02И создан на базе двух

приборов: Датчика влажности ДВТ-02 и Индикатора

токовых сигналов ИТС 4–20

Датчик влажности ДВТ-02 предназначен для контроля и регулирования относительной влажности и температуры газообразных неагрессивных сред в промышленных, технологических и лабораторных установках и отображения измеренных значений на ж/к индикаторе.

Технические характеристики датчика влажности ДВТ-02И

Диапазон напряжения питания	12…36 В
Количество унифицированных токовых выходов 4–20 мА	2
Рабочий диапазон канала измерения относительной влажности при температуре от -40…+85 °С	0…98%
Погрешность преобразования относительной влажности	не более ±3,0%
Рабочий диапазон канала измерения температуры	-40…+85 °С
Погрешность преобразования температуры	не более ±1,0 °С
Постоянная времени измерения температуры	2 мин
Максимальное сопротивление нагрузки	1,0 кОм
Разрешающая способность цифровой части датчика	0,1
Цифровая фильтрация измеряемых параметров раздельная для каждого канала*: – глубина – полоса фильтра – период опроса	1…10 0…9999 0,3…30 с
Выбор типа индикации	физические параметры относительной влажности и температуры или значения токовых сигналов
Потребляемая мощность	не более 0,2 ВА
Средняя наработка на отказ	не менее 20000 ч
Масса датчика	не более 0, 25 кг
Габаритные размеры	90х55х25 мм
Длина зонда	100; 200; 300; 400; 600; 800; 1000 мм

5. Регуляторы влажности

Регулятор влажности предназначен для автоматического поддержания относительной влажности воздуха в диапазоне от 20 до 95% с точностью не хуже ± 1,5%. Прибор (рис. I 20) состоит из гигрометрического датчика – гигристора R1, релейного устройства на транзисторах V2-V4, V7 и блока питания.

На транзисторах V2-V4 релейного устройства собран триггер Шмитта. При относительной влажности воздуха, ниже установленной на шкале переменного резистора R3, транзистор V4 открыт до насыщения, и на диоде V5 имеется таксе напряжение, которое закрывает транзистор V2. Транзистор V7 выходного каскада также закрыт положительным напряжением на конденсаторе С2. Реле К1 обесточено. Воздух увлажняется.

При увеличении относительной влажности сопротивление гигристора R1 уменьшается, а следовательно, увеличивается отрицательное напряжение на базе транзистора V2. Когда оно превысит напряжение на диоде V5, триггер Шмитта переключится транзистор V2 откроется, a V4 закроется. Транзистор V7 откроется, сработает реле К1, контакты которого управляют исполнительным механизмом. Для повышения стабильности уровней срабатывания триггера Шмитта транзисторы V2 и V4 связаны через эмиттерный повторитель на транзисторе V3.

О включении напряжения питания и о режимах работы регулятора сигнализирует лампа Н1. При включении регулятора в сеть и малой относительной влажности ток через лампу HI ограничивается резистором R9*, и она светится слабо. Увеличение относительной влажности вызовет срабатывание реле К1, шунтирование резистора R9* контактами К1.1 и яркое свечение лампы HI.

В регуляторе реле К1 – РПУ-2 или РПГ на напряжение 24 В. В объектах с агрессивными или взрывоопасными средами реле К1 герметизируют.

Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ШЛ12 X 16. Обмотка I содержит 5300 витков провода ПЭВ-1 – 0,1, обмотка II – 480 витков провода ПЭВ-1 – 0,35, III -145 витков провода ПЭВ-1–0,21. Сигнальная лампа HI – КМ на 24 В и 35 мА.

Датчик влажности – гигристор R1 – можно изготовить самостоятельно из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм по размерам, показанным на рисунке. Вытравленные электроды датчика серебрят или лудят, затем обезжиривают, покрывают насыщенным раствором хлористого лития или поваренной соли и просушивают. Сопротивление изготовленного датчика 120…30 кОм при относительной влажности воздуха 20…55%. Для работы в условиях повышенной влажности (50..95%) датчик выполняют из двустороннего стеклотекстолита без последующего покрытия влагочувсгвительным составом. Датчик к регулятору подсоединяют экранированным проводом.

Налаживание регулятора начинают с подбора резистора R2* для установки границ шкалы резистора R3, а затем градуируют шкалу. Для этого гигристор и контрольный психрометр помещают в камеру с изменяющейся влажностью. Психрометром определяют влажность в камере и, изменяя сопротивление резистора R3, добиваются срабатывания реле К1. Каждому значению влажности в камере соответствует свое положение движка резистора R3. По полученным точкам строят шкалу регулирования влажности.

При эксплуатации автоматического регулятора следует избегать конденсации влаги на гигристоре. Изменение характеристик датчика от запыления можно предотвратить, установив его вертикально и поместив в защитный кожух.

Гигростат в комнатном исполнении HGMINI

Назначение

Гидростат типа HG mini является контроллером с двухпозиционным (вкл \ выкл)

Регулированием относительной влажности воздуха. Он используется для управления работой увлажнителей и осушителей в офисах, компьютерных комнатах. Другими областями применения являются хранение пищевых продуктов, склады для хранения овощей и фруктов, теплицы, текстильная продукция, бумажная и печатная промышленности, производство пленок, медицинские учреждения. Гидростат HG Mini может использоваться при решении многих задач регулирования и мониторинга влажности.

Комнатный гидростат HG Miniсконструирован таким образом, что ручка настройки находится внутри корпуса. Это усложняет доступ к регулятору посторонних лиц.

Описание гидростата

Влагочувствительный элемент, производимый компанией Galltec под торговой маркой «Polyqa», состоит из нескольких синтетических нитей, каждая из которых содержит в себе 90 отдельных волокон диаметром 0,003 мм. После специальной обработки нити приобретают гигроскопические свойства.

Измерительный элемент абсорбирует и испаряет влагу, эффект набухания, проявляющийся главным образом в увеличении длины, передается системой рычагов микровыключателю с очень маленьким ходом штока. На изменение влажности воздуха измерительный элемент реагирует быстро и точно. При настройке уставки с помощью ручки регулятора система рычагов приводится в действие таким образом, что когда достигается установленное значение влажности воздуха, активируется микровыключатель.

Измерительный элемент располагается внутри корпуса и должен быть защищен от попадания пыли, грязи и воды. Данные гидростаты сконструированы для систем с нормальным атмосферным давлением.

Положение при монтаже должно быть выбрано таким образом, чтобы конденсат не мог проникнуть во внутренние части корпуса. При установке может быть выбрано любое положение, когда вентиляционные отверстия перпендикулярны направлению воздушного потока.

Технические данные

Измерительный диапазон ………………………………30…..100% RH

Точность измерений ……………………………………..3,0 RH

Рабочий диапазон …………………………………………35…100%

Гистерезис микропереключателя…………………….. – 4% RH

Схема подключения

Монтаж

Нельзя допускать прямого контакта гигростатов с водой (например брызги при уборке климатических камер и т.п.);

Место установки гигростата должно быть выбрано таким образом, чтобы влажность воздуха в этом месте соответствовала влажности воздуха измеряемого помещения;

Гигростат должен располагаться в потоке воздуха.

Регуляторы относительной влажности воздуха типа ВЧ-510М и ВЧ-536М

применяются в системах микроклимата животноводческих помещений. Принцип действия двухпозиционного регулятора ВЧ-510М и трехпозиционного ВЧ-536М, работающих в комплекте с первичным преобразователем ДОВП-1, основан на методе «нуль- индикатор». При подключении первичного преобразователя влажности к влагорегулятору происходит сравнение напряжения постоянного тока преобразователя влажности, которое пропорционально значению относительной влажности воздуха, с напряжением постоянного тока, снимаемого с датчика влажности. Напряжение рассогласования поступает на модулятор и усиливается при помощи усилителя переменного тока. В зависимости от знака напряжения рассогласования фазочувствительный каскад управляет работой симметричного статического триггера в двухпозиционном регуляторе ВМ – 510М или двумя триггерами в трехпозиционном регуляторе ВЧ – 536М.

Триггеры подключены к обмоткам электромагнитных реле, которые обеспечивают включение и отключение исполнительных устройств в системе регулирования.

Влагорегуляторы ВМ – 510М и ВЧ – 536М выполнены в металлическом корпусе прямоугольной формы. Их соединяют с первичным преобразователем отдельным экранированным кабелем. Длина соединительного кабеля до 300 метров. Вероятность безотказной работы прибора за 2000 часов не менее 0,94. Ниже приводятся основные технические данные приборов.

тип	ВМ – 510М	ВЧ – 536М
Диапазон регулируемой относительной влажности воздуха, %	20…100	40…100
Температура регулируемой среды, ^оС	5…35	5…35
Диапазон регулирования зоны возврата (нечувствительности) относительной влажности воздуха, %	2…10	2…10
Основная погрешность регулятора относительной влажности воздуха, %, и не более
Разрывная мощность контактов выходного реле, Вт: при напряжении переменного тока 220 В; при напряжении постоянного тока 220 В	500 40	500 40
Потребляемая мощность, Вт	25	25
Напряжение питания, В	220	220
Колебания напряжения питания, %	+10… – 15	+10… – 15
Частота переменного тока, Гц
Температура окружающей среды, ^оС	-30…+50	-30…+50
Относительная влажность воздуха при температуре окружающей среды 35^оС, %	до 95	До 95
Габариты, мм
Масса, кг	4	4

Заключение

Список использованной литературы

1 Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). – Учебник для вузов., М., «Высшая школа», 1970. 370 с.

2 Коряков В.И., Запорожец А.С. Приборы в системах контроля влажности твердых веществ и их метрологические характеристики. // Практика приборостроения. – 2002. – №1. – С. 5–11.

3 Ивченко Ю.А., Федоров А.А. Чем измерить влажность? // Датчики и системы. – 2003. – №8. – С. 53 – 54.

4 Баркалов Б.В., Карпис Б.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. Стройиздат, – М., 1971.