Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

1- сосуд с исследуемой жидкостью, 2 – вентилятор, 3 – теплоизоляция, 4 –

термометр.

Рис. 17.2 Калориметры с металлическим телом.

1 – проба; 2 – металлический блок; 3 – сосуд Дьюара;

4 – термометр; 5 – теплоизоляция; 6 – поворотная крышка;

7 – выход к вакуумному насосу.

13. Методы и средства измерения влажности сред

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым

компонентом для всех живых существ. Комфортность окружающих условий

определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и

температурой, их соотношением. Например, в Сибири зимой воздух сухой,

поэтому человек чувствует себя более комфортнее при (-30°С), чем при

температуре 0°С в более сыром климате

. Также необходимо учитывать, что

работа электронных схем, высоковольтных установок также сильно зависит

от уровня влажности окружающей среды. Как правило, все характеристики

приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20

- 25°С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих

помещениях (в больничных операционных 60%). Влага входит в состав

большинства выпускаемых материалов, продуктов питания

и др.

Для измерения влажности используют приборы, называемые

гигрометрами. Первичные преобразователи таких устройств должен

избирательно реагировать на изменение концентрации воды в

контролируемой среде. Его реакцией может быть изменение внутренних

свойств чувствительного элемента датчика. Для этой цели используют

емкостные, электропроводные, вибрационные и оптические приборы и

методы измерения.

Для количественного определения влажности и содержания воды

применяются различные единицы измерения. Влажность газов в системе СИ

выражается как масса паров воды в одном кубическом метре газа.

Содержание воды в жидкостях и твердых телах определяют в процентах от

их массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется

как количество частей воды

на миллион частей веса (ppm).

Содержание паров воды в воздухе определяется по абсолютной

влажности и зависит от температуры, при повышении температуры

относительная влажность снижается, так как при постоянном значении

парциального давления удельная плотность пара убывает:

↑

↓=

ïàðö .

. (13.1)

При измерении влажности с использованием точки росы (температура

точки росы не зависит от температуры) относительная влажность

пропорциональна отношению парциальных значений плотности и давления

паров воды с плотностью и давлением насыщенного пара:

íàñûù

ïàðö

íàñûù

ïàðö

. (13.2)

В твердых телах вода может быть гидратной, кристаллической (сильно

связанной с кристаллами), адсорбционной. Относительную влажность

твердого тела можно определить по формуле:

%100(%) ⋅

ñóõîãîâîäû

âîäû

òò

. (13.3)

Методы измерение влажности воздуха.

• Прямые:

метод насыщенного пара (используется точка росы);

Испарение (психрометры);

Абсорбции (объемный, электролизный, конденсатный);

Энергетический (ИК-метод, микроволновый, электроразрядный).

• Косвенные (гигроскопические):

пленочный электрокондуктометрический;

биморфный;

с изменением окраски покрытия;

пьезорезонансный..

Методы измерения содержания воды в твердых и жидких телах.

• Прямые:

сушки и взвешивания;

дистилляции;

разделения

путем абсорбции;

гидролизные.

• Косвенные:

электрические (по электропроводности, диэлектрический,

микроволновый) ;

спектрометрический (ИК, ЯМР, рефрактометрический) ;

изотопный (нейтринного рассеяния);

термоэлектрический (по теплопроводности, теплоте гидратации,

температуре осушения, точки замерзания);

гигроскопический (равновесной влажности, влажности отводимого

воздуха);

когезионный (угла встряхиваемого слоя, усилия при деформации,

способность к просеиванию).

13.1 Средства измерения влажности различных сред

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.

Психрометрический влагомер

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 ∆U = 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) 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.

Гигрометры точки росы:

•

В зеркальных гигрометрах измеряется температура точки росы с

помощью охлаждаемого с использованием эффекта Пельтье

металлического зеркальца. Температура регулируется с помощью

фотоэлемента, фиксирующего появление конденсата на поверхности

пластины. Существуют проблемы защиты от пыли, низких температур.

(Вместо зеркальца используют электроды, сопротивление между

которыми изменяется в функции влажности).

• Литий-хлориевые гигрометры более

надежны, измеряют абсолютную

влажность. Конструктивно состоят из термометра, на который

надевается чехол из стеклопластика, поверх которого наматывается две

платиновые проволоки. Протекающий через ткань электрический ток

нагревает и высушивает стеклоткань, что приводит к уменьшению

тока. Измеряют установившуюся температуру, являющуюся мерой

парциального давления паров воды.

Рис. 13.1 Четырехступенчатый датчик влажности воздуха:

1 — корпус из диэлектрика; 2 — платиновый термометр сопротивления; 3 —

стекловолокно, пропитанное хлористым литием; 4 — нагреватель; 5 — выво-

ды источника переменного тока, 6 — выводы термометра сопротивления.

• Психрометры с использованием сухого и влажного термометров.

• Электролизный (кулонметрический) гигрометр. При постоянном

расходе газа его пропускают между платиновыми электродами,

покрытыми окисью фосфора. При протекании

тока происходит

электролиз воды в слое, величина тока является мерой влажности

покрытия электродов.

• Гигрометр ИК-излучения. В ИК-области спектра поглощения воды

имеются характерные линии, измеряя их интенсивность, определяют

наличие и концентрацию воды в среде.

• Электрический гигрометр с проводящей пленкой, конденсаторный

гигрометр. Измеряется R ли С гигроскопического слоя.

•

Гигрометры с биморфным элементом. Состоят из спиральной ленты,

покрытой с одной стороны гигроскопичным, набухающим во влажном

воздухе слоем.

13.2 Емкостные датчики влажности

Конденсаторы с воздушным зазором могут использоваться как датчики

относительной влажности, поскольку от количества водяных паров в

атмосфере зависит диэлектрическая проницаемость воздуха, а значит и

емкость конденсатора. При этом

пространство между пластинами

конденсатора может быть заполнено не воздухом, а соответствующим

гигроскопичным диэлектрическим материалом. Например, это может быть

гигроскопичная полимерная пленка с системой электродов на поверхности.

Тонкопленочный емкостной датчик влажности может быть изготовлен

на базе кремниевой подложки с нанесенным на нее гигроскопичным

покрытием. Для обеспечения температурной компенсации на подложке

дополнительно формируют термочувствительные резисторы.

Рис. 13.2 Емкостной тонкопленочный датчик влажности.

А – гребенчатые электроды, Б – поперечное сечение датчика.

Рис. 13.3 Двухступенчатый ёмкостной датчик влажности:

1 — подложка; 2 — окись алюминия; 3 — электрод.

Каждый компонент схемы такого датчика является RC – элементом

схемы замещения. При увеличении относительной влажности распределение

сопротивления поверхности уменьшается, а эквивалентная емкость

преобразователя увеличивается. Величина емкости датчика зависит от

используемой частоты электрического поля. Для низких значений влажности

используется низкая частота (сотни Гц), а для высокой влажности –

повышенная частота (до десятков кГц).

13.3 Резистивные датчики влажности

Сопротивление многих неметаллических проводников зависит от

содержания в них воды. На этом принципе реализуются резистивные датчики

влажности или гигристоры.

Рис. 13.4 Схема гигристора.

Рис. 13.5 Резистивно-емкостной датчик влажности:

А - структура тонкопленочного датчика влажности на основе тонких пленок

из оксида алюминия, Б – эквивалентная схема.

В приведенном на рисунке резистивном датчике влажности

используется материал, обладающий сравнительно низким удельным

сопротивлением, которое сильно зависит от влажности окружающей среды.

Слой такого материала наносится сверху двух гребенчатых электродов.

Когда он поглощает молекулы воды, сопротивление между электродами

изменяется.

Рис. 13.6 Датчик абсолютной влажности с саморазогревающимися

термисторами: А – электрическая схема, Б – зависимость выходного

напряжения от влажности.

Датчики, реализованные на основе термисторов, измеряют влажность по

изменению теплопроводности газов. Такие датчики состоят из двух

термисторов, закрепленных при помощи тонких проводов для снижения

тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус. Термисторы

рабочий и сравнения включены в мостовую схему. Балансировка моста

осуществляется в условиях сухого воздуха.

13.4 Оптические и вибрационные

гигрометры

Большинство датчиков влажности не обладают хорошей

воспроизводимостью. Например, величина их гистерезиса может составлять

0,5 – 1%, что не позволяет производить с их помощью точные измерения

влажности сред. Поэтому используют косвенные методы определения

влажности. Самым эффективным из них является вычисление абсолютной и

относительной влажности по температуре, при которой жидкая и

газообразная фаза воды

находятся в термодинамическом равновесии. Как

известно, температуре точки росы соответствует определенное значение

давления насыщенного пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при

известном значении давления, можно определить абсолютную влажность.