Методи й засоби виміру вологості

2. Методи й засоби виміру вологості

Вологість і зміст молекул води в речовинах і матеріалах є одним з найбільш важливих характеристик сполуки. Уже вказувалося, що вологу необхідно вимірювати в газах (концентрація пар води), у сумішах рідин (властиво зміст молекул води) і у твердих тілах у якості вологи, що входить у структуру кристалів. Відповідно, набір методів і пристроїв для виміру змісту молекул води в матеріалах виявляється досить різноманітним.

Традиції вимірювальної техніки, що опираються на повсякденний досвід, привели до того, що у вимірах вологості зложилася специфічна ситуація, коли залежно від впливу кількості вологи нате або інші процеси необхідно знать або абсолютне значення кількості вологи в речовині, або відносне значення, обумовлене як процентне відношення реальної вологості речовини до максимально можливого в даних умовах. Якщо необхідно знати, наприклад, зміна електричних або механічних властивостей речовини, у цьому випадку визначальної є абсолютне значення змісту вологи. Те ж саме ставиться до змісту вологи в нафті, у продуктах живлення й т.д. У тому випадку, коли необхідно визначити швидкість висихання вологих об'єктів, комфортність середовища перебування людини або метеорологічну обстановку, на перше місце виступає відношення реальної вологості, наприклад повітря, до максимально можливого при даній температурі.

У зв'язку із цим характеристики вологості, а також величини й одиниці вологості підрозділяються на характеристики вологовмісту.

Вологовміст - величини й одиниці, що виражають реальну кількість вологи в речовині. Основною характеристикою вологовмісту є абсолютна вологість, обумовлена як кількість вологи в одиниці об'єму:

(1)

До цього класу характеристик можна віднести парціальний тиск водяних пар у газах, абсолютну концентрацію молекул води для газу, близького до ідеального, обумовлену як:

(2)

де Т – абсолютна температура, n₀ – постійна Лошмидта, рівна числу молекул ідеального газу в 1 див³ при нормальних умовах, тобто при p₀= 760 Торр= 1015 Гпа й T₀ = 273,1б К. Часто використовується така характеристика абсолютної вологості як крапка роси, тобто температура, при якій дана абсолютна вологість газу стає 100%. Ця характеристика привнесена в гігрометрію метеорологам і, тому що є найбільш характерною при визначенні моменту випадання роси й визначення її кількості.

Вологостан - процентне співвідношення, рівне відношенню абсолютної вологості до максимально можливого при даній температурі:

(3)

Відносна вологість може характеризуватися так званим дефіцитом парціального тиску, рівного відношенню парціального тиску вологи до максимально можливого при даній температурі. Дуже рідко в вимірах можна зустріти дефіцит крапки роси.

Зв'язок між температурою й максимально можливою абсолютною вологістю дається рівнянням пружності насичених пар води. Це рівняння має вигляд:

(4)

На практиці частіше користуються таблицею тиску насичених пар над плоскою поверхнею води або льоду при різних температурах. Ці дані наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Тиск насичених пар над плоскою поверхнею води

На стандартних довідкових даних, наведених у табл. 1, засновані практично всі перерахування характеристик вологості. На їхній основі можна, наприклад, по відомій абсолютній вологості й температурі знайти відносну вологість, крапку роси й т.д., виразити практично будь-яку характеристику вологості газів.

Серед приладів для виміру вологості найбільш масовими є прилади для визначення змісту води в газах - гігрометри. Для виміру вологості твердих і сипучих тіл найчастіше використовуються ті ж гігрометри, тільки процес підготовки проби до аналізу містить у собі переклад вологи в газову фазу, що потім і аналізується. Існують у принципі методи безпосереднього виміру змісту вологи в рідинах і у твердих тілах, наприклад, методом ядерного магнітного резонансу. Прилади, побудовані на такому принципі, досить складні, дороги й вимагають високої кваліфікації оператора.

Гігрометри як самостійні прилади є одними із самих затребуваних вимірювальних приладів, оскільки з давніх часів у них бідували метеорологи. По зміні вологості, також як по зміні тиску й температури, можна пророкувати погоду, можна контролювати комфортність життєзабезпечення в приміщеннях, контролювати різного роду технологічні процеси. Наприклад, контроль вологості на електростанціях, на телефонних станціях, на поліграфічному виробництві й т.д. і т.п. є визначальним у забезпеченні нормального режиму функціонування.

Затребуваність гігрометрів породила розробки й виготовлення великої кількості різних типів приладів. Більшість вимірників вологості являють собою датчики вологості з індикатором або аналоговим сигналом, або сигналу в цифровій формі. Оскільки індикаторами є здебільшого або механічні пристрою, або електровимірювальні прилади, розглянуті в попередніх розділах, зупинимося на датчиках вологості, що визначають майже всі функціональні можливості гігрометрів.

Датчики гігрометрів можна класифікувати за принципом дії на наступні типи:

волосяні датчики, у яких використовується властивість волосся змінювати довжину при зміні вологості;

ємнісні датчики, у яких при зміні вологості змінюється електрична ємність конденсатора з гигроскопичним діелектриком;

резистивні датчики, у яких змінюється опір провідника, на поверхню якого нанесений гігроскопічний шар;

пьезосорбціонні датчики, у яких волога, поглинена гігроскопічним покриттям, змінює власну частоту коливань пьезокристала, на поверхню якого нанесений шар;

датчик температури крапки роси, у якому фіксується температура, що відповідає переходу дзеркального відбиття металевою поверхнею в дифузійне;

оптичний абсорбційний датчик, у якому реєструється частка поглиненої енергії світла в смугах поглинання парами води електромагнітного випромінювання.

Найбільш древній, найбільш простий і найбільш дешевий датчик вологості являє собою звичайне волосся, натягнутий між двома пружинами. Для виміру вологості використовується властивість волосся змінювати довжину при зміні вологості. Незважаючи на гадану примітивність такого датчика й на те, що процес, що лежить в основі виміру, не визначається законами фізики й тому не піддається розрахунку, гігрометри з волосяними датчиками виготовляються у великій кількості.

Ємнісні датчики вологості в цей час по масовості використання конкурують і навіть перевершують волосяні, оскільки по простоті й дешевині вони не уступають волосяним. Вимірюваною фізичною величиною є ємність конденсатора, а це означає, що як індикатор або вихідний пристрій може використовуватися будь-який вимірник ємності. На подложку із кварцу наноситься тонкий шар алюмінію, що є однієї з обкладок конденсатора.

На поверхні алюмінієвого покриття утвориться тонка плівка окису Al₂O₃. На окислену поверхню наноситься напилюванням другий електрод з металу, що вільно пропускає пари води. Такими матеріалами можуть бути тонкі плівки палладія, родію або платини. Зовнішній пористий електрод є другою обкладкою конденсатора.

Конструкція резистивного датчика вологості являє собою меандр із двох не дотичних електродів, на поверхню якого нанесений тонкий шар гігроскопічного діелектрика. Останній, сорбіруя вологу з навколишнього середовища, змінює опір проміжків між електродами меандру. Про вологість судять по зміні опору або провідності такого елемента.

Останнім часом з'явилися гігрометри, в основу роботи яких покладений фундаментальний фізичний закон поглинання електромагнітного випромінювання – закон Ламберта-Бугера-Бера. Відповідно до цього закону через шари поглинаючого або речовини, що розсіює, проходить електромагнітне випромінювання інтенсивністю _I?, рівне:

(5)

де I_λ – інтенсивність випромінювання, що падає на поглинаючий стовп; N – концентрація поглинаючих атомів (число молекул в одиниці об'єму); l – довжина поглинаючого стовпа, δ_λ - молекулярна константа, рівна площі «тіні», створюваної одним атомом і вираженої у відповідних одиницях.

Пари води мають інтенсивні смуги поглинання в інфрачервоній області спектра й в області довжин хвиль від 185 нм до 110 нм - у так званій вакуумній ультрафіолетовій області. Є окремі розробки по створенню інфрачервоних і ультрафіолетових оптичних Вологоміров, і всі вони мають одну загальну позитивну якість - це Вологоміри миттєвої дії. Під цим розуміється рекордно швидке встановлення аналітичного сигналу для проби, поміщеної між джерелом світла й фотоприймачем. Інші особливості оптичних датчиків визначаються тим, що в інфрачервоній області поглинання молекулами води відповідає обертально-коливальним ступеням волі. Це означає, що ймовірності переходів, і, відповідно, перетину поглинання в законі Ламберта-Бугера-Бера залежать від температури об'єкта. У вакуумній ультрафіолетовій області перетин поглинання від температури не залежить. Із цієї причини ультрафіолетові датчики вологості є більше кращими, але інфрачервона техніка, що використовується в ІК датчиках вологості, набагато простіше в експлуатації, чим ВУФ техніка.

В оптичних датчиків є й один загальний недолік - вплив на показання компонентів, що заважають. В інфрачервоній області це різні молекулярні гази, наприклад окису вуглецю, сірки, азоту, вуглеводні й т.д. У вакуумному ультрафіолеті основним компонентом, що заважає, є кисень. Проте можна вибрати довжини хвиль у ВУФ, де поглинання кисню мінімально, а поглинання пар води максимально. Наприклад, зручною областю є випромінювання резонансної лінії водню з довжиною хвилі А, = 121,6 нм. На цій довжині хвилі в кисню спостерігається «вікно» прозорості в той час, як пари води помітно поглинають. Іншою можливістю є використання випромінювання ртуті з довжиною хвилі 184,9 нм. У цій області кисень випромінювання не поглинає й весь сигнал поглинання визначається парами води.

Резонансна воднева лампа з вікном із фтористого магнію розташовується на відстані в кілька міліметрів від фотоелемента з катодом з нікелю. Нікелевий фотоелемент має довгохвильову границю чутливості -190 нм. Вікна із фтористого магнію мають короткохвильову границю прозорості 110 нм. У цьому діапазоні довжин хвиль (від 190 до 110 нм) у спектрі водневої лампи присутня тільки резонансне випромінювання 121,6 нм, що і використовується для виміру абсолютної вологості без який-небудь монохроматизації.

В оптичного датчика є ще одна особливість – можливість змінювати чутливість зміною відстані від лампи до фотоприймача. Справді, зі збільшенням відстані нахил характеристики dU/dN вихідного сигналу від концентрації прямо пропорційний величині зазору між лампою й фотодіодом.

Важливою якістю оптичного датчика є наслідок із закону Ламберта-Бугера-Бера, що складає в тім, що такий датчик потрібно калібрувати тільки в одній крапці. Якщо, наприклад, визначити сигнал із приладу при якій-небудь одній певній концентрації пар води, то зробити шкалу приладу можна розрахунковим шляхом на тім підставі, що зміна логарифма сигналів при різних концентраціях дорівнює:

(6)

де N – концентрація (число) молекул в одиниці об'єму; δ_λ - перетин поглинання, I - довжина поглинаючого проміжку.

Для визначення відносної й абсолютної вологості на практиці часто використовуються прилади, що одержали назву психрометрів. Психрометри являють собою два однакових термометри, один із яких обернуть ґнотом і змочується водою. Мокрий термометр показує температуру нижче, ніж сухий термометр у тому випадку, якщо відносна вологість не дорівнює 100%. Чим нижче відносна вологість, тим більше різниця показань сухого й мокрого термометрів. Для психрометрів різних конструкцій складаються так звані психрометричні таблиці, по яких перебувають характеристики вологості.

Психрометр не дуже зручний в експлуатації, оскільки його показання не просто автоматизувати, і потрібне постійне зволоження ґнота. Проте саме психрометр є найпростішим і разом з тим досить точним і надійним засобом виміру вологості. Саме по психрометрі найчастіше градуюються гігрометри з волосяними, ємнісними або резистивними датчиками.

На закінчення коротко зупинимося на методах виміру вологості рідин і твердих матеріалів. Найпоширенішим є метод висушування або випарювання вологи з речовини з наступним зважуванням. Звичайно пробу висушують доти, поки не перестане змінюватися її вага. При цьому, природно, робиться два допущення. Перше - що вся сортована й хімічно зв'язана волога при обраному режимі випарювання зникає. І друге - що разом з вологою не випарується ніякий інший компонент. Очевидно, що в багатьох випадках гарантувати коректність виконання процедур випарювання дуже складно. Іншим універсальним методом виміру вологості рідких і твердих тіл є метод, коли волога з них переходить у газову фазу в якому-небудь замкнутому об'ємі. У цьому випадку стандартизують методику підготовки проби, а виміру ведуть одним зі згаданих типів гігрометрів, призначених для вимірів вологи в газовій фазі. З метою одержання надійних результатів такі пристрої калібрують по стандартних зразках вологості.

Похожие работы

Вимірювання вологості газу в трубопроводі

Скачать

42036

3

20

... , а саме робочий тиск 0-10МПа, робоча температура приладу - 45…50ºС, та похибка не більше 0,2-0,5ºС. Ці умови задовольняє лише метод вимірювання вологості за допомогою емнісного аналізатора. Але для повної оцінки вологості газу в трубопроводі, а саме для визначення відносної вологості, абсолютної вологості, об’ємного вологовмісту, температури точки роси необхідно знати зміну тиску в ...

Техніко-криміналістичні засоби та методи дослідження речових доказів

Скачать

158702

2

1

... у провадженні судових експертиз та попередніх досліджень за завданнями слідчого або органу дізнання. Крім того, техніко-криміналістичні засоби та методи в залежності від мети поділяють на такі, які використовуються для: —  збирання речових доказів (виявлення, фіксація, вилучення та упаковка); —  дослідження доказів; —  профілактики. Іноді у межах зазначеної класифікації виділяють і засоби та ...

Вимірювання складу речовини для підтримування оптимального технологічного процесу на теплових електричних станціях

Скачать

23898

0

6

... та на інших підприємствах централізованого енергопостачання приділяється значна увага. Саме величиною концентрації окремих складових у цих сумішах визначається правильний хід технологічного процесу на окремих ділянках виробництва електричної чи теплової енергії, а іноді й безпека робочого персоналу. Так, наявність збільшеної кількості твердих часток у димових газах свідчить про неповне згоряння ...

Вимірювання: термінологія, прилади, похибки

Скачать

33308

0

0

... живлення приладу. Сюди ж ставляться так називані промахи — похибки, пов'язані з помилковими діями спостерігача, — неправильне визначення показань приладу, невірний їхній запис і т.п. Результати вимірювань, що містять грубі похибки і промахи, відкидаються як явно неточні. Випадкова похибка - похибка вимірювання, викликана невідомими причинами або відомими причинами випадкового прояву. Випадкові ...