Измерение влажности психометрическим влагомером

Содержание:

 

Общие сведения. Основные определения.

 

Методы и средства измерения влажности.

 

Измерение влажности  психометрическим влагомером.

 

Датчики и первичные  преобразователи для измерения  относительной влажности.

 

Регуляторы влажности.

 

Заключение.

 

Литература.

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие сведения. Основные определения.

 

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

 

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.