Методы измерения влажности воздуха

Введение

Для характеристики влажности воздуха и других газов, т.е. содержания в них водяного пара, используется ряд величин, причем в определенных отраслях областях науки и техники находят преимущественное применение те или иные из них. Наиболее распространенными являются следующие величины:

Абсолютная влажность, т.е. масса водяного пара, содержащегося в единице объема газа, влажного или сухого:

Имеет тот же физический смысл, что и плотность водяного пара.

Влагосодержание, т.е. отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме:

Использование этой характеристики избавляет от необходимости указывать температуры и давления газа, при которых определялось влагосодержание.

Объемное влагосодержание, равное отношению объема водяного пара к объему газа:

Преимущественно используется для характеристики малых концентраций водяного пара.

Парциальное давление  или упругость водяного пара. Выражается в миллиметрах ртутного столба или в миллибарах.

Температура точки росы , т.е. температура в градусах Цельсия, которую примет влажный газ, если его изобарически охладить до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды.

Относительная влажность газа равна отношению его действительной влажности к максимально возможной при данной температуре:

 или ,

где  – упругость насыщенного водяного пара при данной температуре T.

Характеризует степень насыщения газа водяным паром.

Относительная влажность, в общем случае, является наиболее удобной и наиболее наглядной характеристикой для описания влажного воздуха. Зная относительную влажность воздуха, можно найти все остальные характеристики касающиеся его влажности.

1.Обзор методов измерения влажности воздуха

На данный момент известно шесть основных методов, применяемых при измерении влажности газов, которые включают в себя более 36 принципов измерений. Возможность применения каждого из них определяется физико-химическими свойствами анализируемой газовой смеси, диапазоном и точностью измерений.

1.1.Спектрально оптический метод

Метод основан на свойстве паров воды поглощать электромагнитные и радиоактивные излучения. Характеризуется высокой чувствительностью и сравнительно высокой точностью. Очень сложен и дорог в реализации. В основном применяется для измерения малых концентраций влаги. Основное достоинство метода – увеличение чувствительности при понижении влажности. Данный метод включает в себя следующие принципы измерения:

¾  инфракрасный принцип;

¾  оптико-акустический принцип;

¾  ультрафиолетовый принцип;

¾  радиоактивный принцип;

¾  радиоспектроскопический принцип.

Эти принципы не будут подробно рассмотрены, поскольку они применяются в основном для решения достаточно специфических задач. Стоит отметить лишь то, что радиоактивный принцип является одним из наиболее точных на нынешний момент, но имеет существенный недостаток – высокую инерционность.

1.2.Сорбционный метод

Данный метод основан на применении гигроскопических тел, свойства которых изменяются в зависимости от количества поглощенной ими влаги. Метод достаточно популярен из-за своей простоты и доступности. Включает в себя следующие принципы:

¾  весовой принцип;

¾  деформационный принцип;

¾  частотный;

¾  сорбционно-емкостной принцип;

¾  тепловой принцип;

¾  интерферометрический принцип;

¾  резистивный принцип;

¾  объемный принцип;

¾  электретный принцип;

¾  пневматический принцип.

Остановимся более подробно на некоторых из них.

1.2.1.Весовой принцип. Основан на способности некоторых веществ (силикагеля, хлористого кальция и др.) поглощать влагу. Используется для измерения абсолютной влажности газов, которая определяется по увеличению веса поглотителя и количеству пропущенного через поглотитель газа.

1.2.2.Деформационный принцип.  Используются свойства некоторых влагосорбирующих материалов изменять свои линейные размеры в зависимости от влажности окружающей среды. Чувствительным элементом (ЧЭ) в приборах являются обезжиренный человеческий волос, капроновая нить или целлофан.

Датчики отличаются простотой конструкции, но крайне нестабильны и обладают гистерезисом, что делает их непригодными для использования в метрологической практике. Является одним из старейших принципов используемых для измерения влажности газов. До сих пор применяется в бытовых гигрометрах.

1.2.3.Частотный принцип.Используется явление значительного затухания колебания кварцевых пластин (или других, обладающих пьезоэффектом) определенного среза при повышении влажности окружающей среде.

1.2.4.Сорбционно-емкостной принцип. Основан на способности некоторых диэлектриков изменять свою диэлектрическую проницаемость в зависимости от количества сорбированной ими влаги. Влагочувствительные элементы таких датчиков обычно представляют собой алюминиевое основание с нанесенной на него путем анодирования пленкой диэлектрика и напыленным на диэлектрик с другой стороны металлом. Металлические части служат обкладками конденсатора. При адсорбции диэлектриком паров воды изменяется емкость конденсатора. Чаще всего в качестве диэлектрика применяют оксид алюминия , различные керамики (например ) или жидкие пленки.Принцип широко распространен и на настоящий момент является одним из самых дешевых и простых в реализации. Выпускается множество серийных первичных преобразователей и датчиков на его основе.К достоинствам таких датчиков можно отнести то, что они позволяют измерять влажность в широком диапазоне температур и нечувствительны к составу газа. Недостатки сорбционных датчиков заключаются в низкой стабильности во времени из-за старения ЧЭ и инерционности при очень низких влажностях.

Стоит отметить, что хотя сорбционно-емкостные датчики взаимозаменяемы, на практике все же приходится градуировать каждый из них индивидуально.

1.2.5.Резистивный принцип.Основан на способности некоторых веществ (селена, угольного порошка и др.) изменять свое сопротивление в зависимости от влажности окружающей среды. Приборы не стабильны во времени.

1.3.Электролитический метод

Также как и сорбционный основан на свойстве адсорбции паров воды. В рамках этого метода выделяют три принципа:

¾  электролитический принцип;

¾  термоэлектролитический или электролитический подогревный принцип;

¾  кулонометрический принцип;

Сущность метода состоит в поглощении водных паров пленкой гигроскопического вещества (ортофосфорной, серной кислоты, фосфорного ангидрида) и одновременном электролизе поглощенной воды.

1.4.Химический метод

Также основан на свойствах некоторых веществ адсорбировать пары воды. В рамках этого метода выделяют:

¾  титровальный принцип (с использованием реактива Фишера);

¾  цветовой принцип;

¾  турбодиметрический принцип;

¾  газометрический принцип.

Метод практически непригоден для электрических измерений и его применение затруднено в устройствах автоматического контроля. Титровальный принцип часто применяют для градуировки датчиков, т.к. он обладает достаточно высокой точностью.

1.5.Конденсационный метод

Используется свойство конденсации паров воды при использовании вспомогательной тепловой энергии. Метод включает в себя следующие принципы измерений:

¾  принцип точки росы;

¾  адиабатический принцип;

¾  принцип точки росы (компрессионный);

¾  конденсационно-сгустительный принцип;

¾  вихревой принцип;

¾  принцип точки росы.