Курсоваробота:
Дослідженняприладів по вимірюванню вологості
Зміст
1. Загальні відомості
2. Методи й засоби вимірувологості
3. Вимір вологостіпсихометричним вологоміром
4. Датчики й первинніперетворювачі для виміру відносної вологості
5. Регулятори вологості
Висновок
Список літератури
1. Загальні відомості
Вода входить до складу навколишнього повітря і єнеобхідним компонентом для всіх живих істот: людей і тварин. Комфортністьнавколишніх умов визначається, в основному, двома факторами: відносноювологістю й температурою. Ви можете себе почувати цілком комфортно притемпературі -30 °С у Сибіру, де взимку повітря звичайно дуже сухий, але Вамбуде зовсім незатишно при температурі 0 °С у Кливленде, розташованому на березіозера, де дуже волого. (Природно, що тут ураховуються тільки кліматичні факторий не розглядаються економічні, культурні й політичні). Робота багатьох такожсильно залежить від рівня вологості. Як правило, всі характеристики приладіввизначаються при відносній вологості 50% і температурі 20–25 °С. Рекомендуєтьсяпідтримувати такої ж умови й у робочих приміщеннях, щоправда, тут існуютьвиключення: наприклад, у виробничих кімнатах Класу А вологість повинна бути38%, а в лікарняних операційних – 60%. Волога входить до складу більшостівиробів, що випускаються, і матеріалів. Можна сказати, що більшу частинувалового національного продукту будь-якої країни становить вода.
Для виміру вологості використовуються прилади,називані гігрометрами.
Перший гігрометр був створений Джоном ЛеслиA760-1832. Чутливий елемент гігрометра повинен вибірково реагувати на змінуконцентрації води. Його реакцією може бути зміна внутрішніх властивостей.Датчики для виміру вологості й температури крапки роси бувають ємнісними,електропровідними, вібраційними й оптичними. Оптичні газові датчики визначаютькрапку роси, у той час як оптичні гігрометри вимірюють зміст води в органічнихрозчинах по поглинанню випромінювання ближнього ІК діапазону в інтервалі1.9...2.7 напівтемний
Для кількісного визначення вологості й змісту водизастосовуються різні одиниці. Вологість газів у системі СІ іноді виражається яккількість пар води в одному кубічному метрі (г/м3). Зміст води в рідинах ітвердих тілах звичайно задається у відсотках від загальної маси. Зміст води врідинах, що змішуються погано, визначається як кількість частин води на мільйончастин ваги (ррт). Приведу кілька корисних визначень:
1 Вологомір (): вимірювальний прилад, призначений для виміру однієї абодекількох величин вологості твердих або рідких речовин.
2 Гігрометр (, ): вимірювальний прилад, призначений длявиміру однієї або декількох величин вологості газів.
3 Гігрограф: вимірювальнийприлад, що реєструє, призначений для безперервного запису значень величинвологості газів.
4 Датчик вологості; датчик:первинний вимірювальний перетворювач величин вологості в інші фізичні величини,наприклад в електричні.
5 Гравіметричний метод:метод непрямого виміру величин вологості, що полягає у виділенні вологи зречовини й роздільному вимірі маси вологої речовини і його сухої частини абовиділеної вологи.
6 Випарно-гравіметричнийметод; метод висушування: гравіметричний метод виміру вологості твердихречовин, заснований на випарному способі видалення вологи з речовини.
7 Термогравіметричний метод;тепловий метод (): метод висушування,заснований на видаленні вологи з речовини шляхом його нагрівання.
8 Вакуумно-гравіметричнийметод; вакуумний метод: метод висушування, заснований на вакуумному способівидалення вологи з речовини.
9 Вакуумно-Тепловий метод:метод висушування, заснований на одночасному застосуванні теплового йвакуумного способів видалення вологи з речовини.
10 Сорбційно-гравіметричнийметод: гравіметричний метод виміру вологості газів, заснований на способівиділення вологи з газів.
11Конденсаційно-гравіметричний метод: гравіметричний метод виміру вологостігазів, заснований на конденсаційному способі виділення вологи з газів.
12 Кулонометричний метод:метод непрямого виміру вологості газів, заснований на способі виділення вологиз газу й наступному вимірі кількості електрики, необхідного дляелектролітичного розкладання цієї вологи.
13 Психрометричний метод:метод непрямого виміру вологості газів, заснований на залежності зниженнятемператури (охолодження) змоченого твердого тіла від вологості навколишньогогазу.
14 Психрометр: пристрій дляреалізації психрометричного методу виміру, що містить сухий і змоченийтермометри.
15 Аспираціоний психрометр:психрометр, постачений аспіратором — пристроєм для обдування термометріваналізованим газом.
16 Психрометрична формула:математичне рівняння, що виражає залежність якої-небудь величини вологості газувід різниці температур сухого й змоченого термометрів
17 Психометричний коефіцієнт:коефіцієнт у психометричної формулі, що залежить від конструкції психрометра йшвидкості обдува термометрів.
18 Психометричний гігрометр:гігрометр, принцип дії якого заснований на психометричному методі виміру,автоматичному обчисленні величини вологості й поданні її значення навідліковому пристрої.
19 Конденсаційний метод:метод виміру крапки роси [інею], що полягає в охолодженні газу до температуривипадання конденсату (роси або інею) і вимірі цієї температури.
20 Рівноважний метод: методнепрямого виміру вологості твердих речовин, що полягає у вимірі вологості газу,що перебуває в рівновазі із цими речовинами.
21 Диелькометричний метод:метод непрямого виміру вологості речовин, заснований на залежностідіелектричної проникності цих речовин від їхньої вологості.
22 Метод Фішера: хімічнийметод виміру вологості твердих і рідких речовин, що полягає в екстрагуваннівологи із проби речовини розчинником і наступним титруванням її спеціальнимрозчином Фішера.
23 Оптичні методи: методинепрямого виміру вологості газів, засновані на залежності їхніх оптичнихвластивостей від вологості.
24 Нейтронний метод: методвиміру вологості твердих речовин, що полягає в уповільненні швидких нейтронівна ядрах водню (протонах) і вимірі інтенсивності потоку повільних нейтронів, щоутворяться.
25 Деформаційний гігрометр[датчик вологості]: гігрометр [датчик], принцип дії якого заснований назалежності деформації чутливого елемента від вологості газу.
26 Волосяний гігрометр[датчик вологості]: деформаційний гігрометр [датчик], у якому як чутливийелемент використаний волосся, наприклад людський.
36 Плівковий гігрометр[датчик вологості] (): деформаційний гігрометр[датчик], у якому як чутливий елемент використана вологочутлива плівка,наприклад тваринного походження.
37 Резистивний Вологомір[гігрометр, датчик вологості]: Вологомір [гігрометр, датчик], принцип дії якогозаснований на залежності електричного опору чутливого елемента від вологостіречовини
38 Ємнісний Вологомір[гігрометр, датчик вологості]: Вологомір [гігрометр, датчик], принцип дії якогозаснований на залежності електричної ємності чутливого елемента від вологостіречовини.
39 Електролітичний гігрометр[датчик вологості газу]: резистивний гігрометр [датчик вологості газу], у якомуяк чутливий елемент використаний плівка розчину солі.
40 Електролітичнийпідігрівний гігрометр крапки роси [датчик крапки роси]; підігрівний гігрометр[датчик]: електролітичний гігрометр [датчик вологості газу] з підігрівом,внаслідок якого опір чутливого елемента підтримується на постійному рівні, атемпература рівноваги служить мірою крапки роси навколишнього газу.
41 Пьезосорбционий гігрометр[датчик вологості газу]: гігрометр [датчик вологості], принцип дії якогозаснований на залежності частоти коливань або добротності п'єзоелектричногорезонатора, покритого шаром, від вологості навколишнього газу.
42 Нейтронний Вологомір: Вологоміртвердих речовин, принцип дії якого заснований на нейтронному методі виміру.
У повітрі завжди втримується певна кількість вологи увигляді водяної пари. Там, де наявність водяної пари приводить до виникненняхімічних, фізичних і біологічних процесів або впливає на ці процеси, великезначення має постійний контроль за вологістю повітря. Для визначення кількостівологи є дві вимірювальні величини. Розрізняють абсолютну й відносну вологість.
/>Абсолютна вологість (крапканасичення)
Абсолютна вологість Fabs показує таку кількістьводяної пари, що втримується в певному об'ємі повітря.
Повітря, як суміш газу й пари, завжди містить водянапара. Водяна пара створює певний тиск, що називають тиском водяної пари. Воно єчастиною всього барометричного тиску газу.
Тиск водяної пари й відповідно абсолютна вологістьповітря можуть підвищуватися при певній температурі тільки до межі насичення.Це максимально можливий тиск називають тиском насичення. Температурназалежність тиску насичення зображується кривій тиску водяної пари.
Тиск навколишнього середовища або наявність іншихгазів не робить впливу на криву тисків водяної пари. Вологість насиченнядосягається максимальною кількістю водяної пари, дивися діаграму.
/>Крапка насичення
При подальшому надходженні водяної пари утворитьсяконденсація. Надлишкова кількість водяної пари проявляється у вигляді дощу,туману або конденсату. Насичений стан при цьому зберігається. Якщо насиченетепле повітря прохолоджується, то також відбувається конденсація. Теперохолоджене повітря буде усмоктувати менше вологи. Температура, при якій цевідбувається, називається температурою крапки насичення. Вона вказується в °С.За допомогою крапки насичення можна встановити тиск водяної пари вологогоповітря по кривій тиску водяної пари. Отже, крапка насичення є одиницею вимірукількості води у вологому повітрі. Величина абсолютної вологості повітряпідбирається залежно від даних розрахункових вимог. />Різнірозмірності мають постійне співвідношення один з одним, дивися діаграму.
Відносна вологість
Відносна вологість повітря це відношення фактичнонаявної, тобто абсолютної вологості повітря Fabs до максимально можливоївологості повітря Fsat при даній температурі. Відносна вологість повітря являєсобою безрозмірну величину. Вона є передаточним числом і вказується в%.
При високій температурі повітря може поглинати більшевологи чим при низкою. Максимальна вологість, що може поглинути повітря,називається вологістю насичення. До насичення тиск водяної пари й отже відноснавологість пропорційна всьому барометричному тиску. Тому що тиск насиченнязалежить тільки від температури, відносна вологість повітря також залежить відтемператури. Відносна вологість зменшується, якщо температура підвищується йнавпаки. Вплив коливань температури на відносну вологість може бути значним.
Залежності тиску насиченої пари над плоскою поверхнеюводи й льоду від температури, отримані теоретично на підставі рівнянняКлаузиуса — Клапейрона й звірені з експериментальними даними багатьохдослідників, рекомендовані для метеорологічної практики Всесвітньоюметеорологічною організацією (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,
де psw і psi — тиск насиченої пари над плоскоюповерхнею води й льоду відповідно (Па);
Т — температура (ДО).
Наведені формули справедливі для температур від 0 до100?C (для psw) і від -0 до -100?C (для psi). У той же час ВМО рекомендує першуформулу й для негативних температур для переохолодженої води (до -50?C).
2. Методи й засоби виміру вологості
Вологість і зміст молекулводи в речовинах і матеріалах є одним з найбільш важливих характеристиксполуки. Уже вказувалося, що вологу необхідно вимірювати в газах (концентраціяпар води), у сумішах рідин (властиво зміст молекул води) і у твердих тілах уякості вологи, що входить у структуру кристалів. Відповідно, набір методів іпристроїв для виміру змісту молекул води в матеріалах виявляється доситьрізноманітним.
Традиції вимірювальноїтехніки, що опираються на повсякденний досвід, привели до того, що у вимірахвологості зложилася специфічна ситуація, коли залежно від впливу кількостівологи нате або інші процеси необхідно знать або абсолютне значення кількостівологи в речовині, або відносне значення, обумовлене як процентне відношенняреальної вологості речовини до максимально можливого в даних умовах. Якщонеобхідно знати, наприклад, зміна електричних або механічних властивостейречовини, у цьому випадку визначальної є абсолютне значення змісту вологи. Те жсаме ставиться до змісту вологи в нафті, у продуктах живлення й т.д. У томувипадку, коли необхідно визначити швидкість висихання вологих об'єктів,комфортність середовища перебування людини або метеорологічну обстановку, наперше місце виступає відношення реальної вологості, наприклад повітря, до максимальноможливого при даній температурі.
У зв'язку із цимхарактеристики вологості, а також величини й одиниці вологості підрозділяютьсяна характеристики вологовмісту.
/>Вологовміст- величини й одиниці, що виражають реальну кількість вологи в речовині.Основною характеристикою вологовмісту є абсолютна вологість, обумовлена яккількість вологи в одиниці об'єму:
/> (1)
До цього класу характеристикможна віднести парціальний тиск водяних пар у газах, абсолютну концентраціюмолекул води для газу, близького до ідеального, обумовлену як:
/> (2)
де Т – абсолютнатемпература, n0– постійна Лошмидта, рівна числу молекул ідеальногогазу в 1 див3 при нормальних умовах, тобто при p0= 760Торр= 1015 Гпа й T0= 273,1б К. Часто використовується такахарактеристика абсолютної вологості як крапка роси, тобто температура, при якійдана абсолютна вологість газу стає 100%. Ця характеристика привнесена вгігрометрію метеорологам і, тому що є найбільш характерною при визначеннімоменту випадання роси й визначення її кількості.
/>Вологостан — процентне співвідношення, рівне відношенню абсолютної вологостідо максимально можливого при даній температурі:
/> (3)
/>
Відносна вологість можехарактеризуватися так званим дефіцитом парціального тиску, рівного відношеннюпарціального тиску вологи до максимально можливого при даній температурі. Дужерідко в вимірах можна зустріти дефіцит крапки роси.
Зв'язок між температурою ймаксимально можливою абсолютною вологістю дається рівнянням пружності насиченихпар води. Це рівняння має вигляд:
/> (4)
На практиці частішекористуються таблицею тиску насичених пар над плоскою поверхнею води або льодупри різних температурах. Ці дані наведені в табл. 1.
/>/>
Таблиця 1. Тиск насиченихпар над плоскою поверхнею водиt°c
Рнк, мбар
Анкг/м3 t°C
Рнк, мбар
Анкг/м3 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
Рнк, мбар
Анкг/м3 t°C
Рнк, мбар
Анкг/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 стандартних довідковихданих, наведених у табл. 1, засновані практично всі перерахування характеристиквологості. На їхній основі можна, наприклад, по відомій абсолютній вологості йтемпературі знайти відносну вологість, крапку роси й т.д., виразити практичнобудь-яку характеристику вологості газів.
Серед приладів для вимірувологості найбільш масовими є прилади для визначення змісту води в газах — гігрометри. Для виміру вологості твердих і сипучих тіл найчастішевикористовуються ті ж гігрометри, тільки процес підготовки проби до аналізумістить у собі переклад вологи в газову фазу, що потім і аналізується. Існуютьу принципі методи безпосереднього виміру змісту вологи в рідинах і у твердихтілах, наприклад, методом ядерного магнітного резонансу. Прилади, побудовані натакому принципі, досить складні, дороги й вимагають високої кваліфікаціїоператора.
Гігрометри як самостійніприлади є одними із самих затребуваних вимірювальних приладів, оскільки здавніх часів у них бідували метеорологи. По зміні вологості, також як по змінітиску й температури, можна пророкувати погоду, можна контролювати комфортністьжиттєзабезпечення в приміщеннях, контролювати різного роду технологічніпроцеси. Наприклад, контроль вологості на електростанціях, на телефоннихстанціях, на поліграфічному виробництві й т.д. і т.п. є визначальним узабезпеченні нормального режиму функціонування.
Затребуваність гігрометрівпородила розробки й виготовлення великої кількості різних типів приладів.Більшість вимірників вологості являють собою датчики вологості з індикаторомабо аналоговим сигналом, або сигналу в цифровій формі. Оскільки індикаторами єздебільшого або механічні пристрою, або електровимірювальні прилади, розглянутів попередніх розділах, зупинимося на датчиках вологості, що визначають майжевсі функціональні можливості гігрометрів.
Датчики гігрометрів можнакласифікувати за принципом дії на наступні типи:
волосяні датчики, у якихвикористовується властивість волосся змінювати довжину при зміні вологості;
ємнісні датчики, у яких призміні вологості змінюється електрична ємність конденсатора з гигроскопичнимдіелектриком;
резистивні датчики, у якихзмінюється опір провідника, на поверхню якого нанесений гігроскопічний шар;
пьезосорбціонні датчики, уяких волога, поглинена гігроскопічним покриттям, змінює власну частоту коливаньпьезокристала, на поверхню якого нанесений шар;
датчик температури крапкироси, у якому фіксується температура, що відповідає переходу дзеркальноговідбиття металевою поверхнею в дифузійне;
оптичний абсорбційнийдатчик, у якому реєструється частка поглиненої енергії світла в смугахпоглинання парами води електромагнітного випромінювання.
Найбільш древній, найбільшпростий і найбільш дешевий датчик вологості являє собою звичайне волосся,натягнутий між двома пружинами. Для виміру вологості використовується властивістьволосся змінювати довжину при зміні вологості. Незважаючи на гаданупримітивність такого датчика й на те, що процес, що лежить в основі виміру, невизначається законами фізики й тому не піддається розрахунку, гігрометри зволосяними датчиками виготовляються у великій кількості.
Ємнісні датчики вологості вцей час по масовості використання конкурують і навіть перевершують волосяні,оскільки по простоті й дешевині вони не уступають волосяним. Вимірюваноюфізичною величиною є ємність конденсатора, а це означає, що як індикатор абовихідний пристрій може використовуватися будь-який вимірник ємності. Наподложку із кварцу наноситься тонкий шар алюмінію, що є однієї з обкладокконденсатора.
На поверхні алюмінієвогопокриття утвориться тонка плівка окису Al2O3. На окисленуповерхню наноситься напилюванням другий електрод з металу, що вільно пропускаєпари води. Такими матеріалами можуть бути тонкі плівки палладія, родію або платини.Зовнішній пористий електрод є другою обкладкою конденсатора.
Конструкція резистивногодатчика вологості являє собою меандр із двох не дотичних електродів, наповерхню якого нанесений тонкий шар гігроскопічного діелектрика. Останній, сорбіруявологу з навколишнього середовища, змінює опір проміжків між електродамимеандру. Про вологість судять по зміні опору або провідності такого елемента.
Останнім часом з'явилисягігрометри, в основу роботи яких покладений фундаментальний фізичний законпоглинання 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 Iλ –інтенсивність випромінювання, що падає на поглинаючий стовп; N – концентраціяпоглинаючих атомів (число молекул в одиниці об'єму); l – довжина поглинаючогостовпа, δλ — молекулярна константа, рівна площі «тіні»,створюваної одним атомом і вираженої у відповідних одиницях.
Пари води мають інтенсивнісмуги поглинання в інфрачервоній області спектра й в області довжин хвиль від185 нм до 110 нм — у так званій вакуумній ультрафіолетовій області. Є окремірозробки по створенню інфрачервоних і ультрафіолетових оптичних Вологоміров, івсі вони мають одну загальну позитивну якість — це Вологоміри миттєвої дії. Підцим розуміється рекордно швидке встановлення аналітичного сигналу для проби,поміщеної між джерелом світла й фотоприймачем. Інші особливості оптичнихдатчиків визначаються тим, що в інфрачервоній області поглинання молекуламиводи відповідає обертально-коливальним ступеням волі. Це означає, щоймовірності переходів, і, відповідно, перетину поглинання в законіЛамберта-Бугера-Бера залежать від температури об'єкта. У вакуумнійультрафіолетовій області перетин поглинання від температури не залежить. Ізцієї причини ультрафіолетові датчики вологості є більше кращими, алеінфрачервона техніка, що використовується в ІК датчиках вологості, набагатопростіше в експлуатації, чим ВУФ техніка.
В оптичних датчиків є й одинзагальний недолік — вплив на показання компонентів, що заважають. Вінфрачервоній області це різні молекулярні гази, наприклад окису вуглецю,сірки, азоту, вуглеводні й т.д. У вакуумному ультрафіолеті основнимкомпонентом, що заважає, є кисень. Проте можна вибрати довжини хвиль у ВУФ, депоглинання 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 тойчас, як пари води помітно поглинають. Іншою можливістю є використання випромінюванняртуті з довжиною хвилі 184,9 нм. У цій області кисень випромінювання непоглинає й весь сигнал поглинання визначається парами води.
Резонансна воднева лампа звікном із фтористого магнію розташовується на відстані в кілька міліметрів відфотоелемента з катодом з нікелю. Нікелевий фотоелемент має довгохвильовуграницю чутливості -190 нм. Вікна із фтористого магнію мають короткохвильовуграницю прозорості 110 нм. У цьому діапазоні довжин хвиль (від 190 до 110 нм) успектрі водневої лампи присутня тільки резонансне випромінювання 121,6 нм, що івикористовується для виміру абсолютної вологості без який-небудь монохроматизації.
В оптичного датчика є щеодна особливість – можливість змінювати чутливість зміною відстані від лампи дофотоприймача. Справді, зі збільшенням відстані нахил характеристики dU/dNвихідного сигналу від концентрації прямо пропорційний величині зазору міжлампою й фотодіодом.
Важливою якістю оптичногодатчика є наслідок із закону Ламберта-Бугера-Бера, що складає в тім, що такийдатчик потрібно калібрувати тільки в одній крапці. Якщо, наприклад, визначитисигнал із приладу при якій-небудь одній певній концентрації пар води, то зробитишкалу приладу можна розрахунковим шляхом на тім підставі, що зміна логарифмасигналів при різних концентраціях дорівнює:
/> (6)
де N – концентрація (число)молекул в одиниці об'єму; δλ — перетин поглинання, I — довжина поглинаючого проміжку.
Для визначення відносної йабсолютної вологості на практиці часто використовуються прилади, що одержалиназву психрометрів. Психрометри являють собою два однакових термометри, один ізяких обернуть ґнотом і змочується водою. Мокрий термометр показує температурунижче, ніж сухий термометр у тому випадку, якщо відносна вологість не дорівнює100%. Чим нижче відносна вологість, тим більше різниця показань сухого й мокроготермометрів. Для психрометрів різних конструкцій складаються так званіпсихрометричні таблиці, по яких перебувають характеристики вологості.
Психрометр не дуже зручний вексплуатації, оскільки його показання не просто автоматизувати, і потрібнепостійне зволоження ґнота. Проте саме психрометр є найпростішим і разом з тимдосить точним і надійним засобом виміру вологості. Саме по психрометрінайчастіше градуюються гігрометри з волосяними, ємнісними або резистивнимидатчиками.
На закінчення коротко зупинимосяна методах виміру вологості рідин і твердих матеріалів. Найпоширенішим є методвисушування або випарювання вологи з речовини з наступним зважуванням. Звичайнопробу висушують доти, поки не перестане змінюватися її вага. При цьому,природно, робиться два допущення. Перше — що вся сортована й хімічно зв'язанаволога при обраному режимі випарювання зникає. І друге — що разом з вологою невипарується ніякий інший компонент. Очевидно, що в багатьох випадкахгарантувати коректність виконання процедур випарювання дуже складно. Іншимуніверсальним методом виміру вологості рідких і твердих тіл є метод, коливолога з них переходить у газову фазу в якому-небудь замкнутому об'ємі. У цьомувипадку стандартизують методику підготовки проби, а виміру ведуть одним зі згаданихтипів гігрометрів, призначених для вимірів вологи в газовій фазі. З метоюодержання надійних результатів такі пристрої калібрують по стандартних зразкахвологості.
3. Вимір вологості психометричним вологоміром
Вологість газів, рідин і твердих матеріалів — один зважливих показників у технологічних процесах. Вологість газів, наприклад,необхідно вимірювати в сушильних установках, при очищенні газів, у газозбірниках,при кондиціюванні повітря й т.д. Вимір змісту води в нафті, спиртах, ацетоніпроводять у процесах нафтопереробки й нафтохімії, у пульпах — у виробництвісірчаної кислоти й мінеральних добрив. Вимір вологості твердих сипучихматеріалів займає важливе місце у виробництві фарб, мінеральних добрив,будівельних матеріалів; вологість волокнистих матеріалів визначає якістьпродукції при виробництві паперу й картону.
Вологість газів у технологічних процесах звичайновимірюють психрометричним методом.
Дія психрометричних вологомірів заснована на вимірідвох температур: температури «сухого» термодатчика, поміщеного в аналізованийгаз, і температури «мокрого» термодатчика, загорненого в панчоху з вологоїтканини, кінець якого опущений у воду. За рахунок випару води цей термодатчикпрохолоджується до температури меншої, чим температура газу. Зі збільшеннямвологості газу випар іде менш інтенсивно й температура «мокрого» термометраросте. При вологості 100% вода взагалі не буде випаровуватися й температуриобох термодатчиков зрівняються.
У промислових вологомірах у якості термодатчиковзвичайно використовують термометри опору, включені. у схему для вимірувідносини їхніх опорів, тобто відносини температур «мокрого» і «сухого»термометрів.
Із принципової схеми вологоміра видно, що вонаскладається із двох неврівноважених мостів, реохорда, підсилювача, реверсивногоелектродвигуна й пристрою, що показує. У плечі неврівноважених мостів включенівідповідно «сухий» (Rc) і «мокрий» (RM) термометри Вихідний сигнал моста — напруга U2 включений зустрічно з напругою U3, що знімається про движокреохорда. Їхня різниця AU прикладена до входу підсилювача. Там вонапідсилюється й пускає в хід реверсивний електродвигун. Вал електродвигунапереміщає движок реохорда й пов'язану з ним стрілку пристрою, що показує.
Стан рівноваги в схемі наступає при рівності напругU2 і U3. При цьому ?U = 0, тому движок реохорда й стрільця приладу перестаютьпереміщатися. Положення движка реохорода в момент рівноваги залежить відвідношення напруг U1 і U2, а виходить, від відношення температур «сухого» і«мокрого» термометрів. Таким чином, положення стрілки приладу однозначнопов'язане з вимірюваною вологістю газу. Для виміру вологості рідин застосовуютьяк спеціальні вологоміри, так і прилади, що вимірюють яку-небудь властивістьрідини, якщо воно пов'язане з її вологістю. Наприклад, однієї з характеристикпульп є співвідношення рідина: тверде в її сполуці. Цю величину вимірюютьзвичайно плотномірами. У тих випадках, коли з пульпи віддаляється тільки рідкафаза (випарювання, фільтрування), показання плотноміра будуть визначатисязмістом рідини в пульпі. У цьому випадку плотномір виконує функцію вологоміра.
У спеціальних Вологомірах для рідин використовуютьємнісний і абсорбційний методи виміру.
Дія ємнісних вологоміров заснована на змінідіелектричної проникності рідини при зміні змісту в ній води. Електрична схематакого вологоміра аналогічна електричній схемі ємнісного рівнеміра. Змінавологості рідини приводить до зміни ємності
Такими вологомірами вимірюють зміст води в нафті нанафтопереробних заводах. Діапазон виміру приладу 0-1%.
Принцип дії абсорбційних вологоміров для рідинизаснований на поглинанні водою енергії випромінювання в області спектраблизької до інфрачервоного.
Рідину пропускають через камеру, де через неїпроходить потік випромінювання від джерела. Тому що в камері частина енергіїпоглинається вологою, енергія вихідного потоку буде тим менше, чим більшеконцентрація вологи в суміші.
Джерелом випромінювання служить лампа накалювання,приймачем — фоторезистор. Промислові аналізатори вологості служать длявизначення концентрації вологи в ацетоні й спиртах від 0 до 5%.
Складність виміру вологості твердих сипучих іволокнистих матеріалів полягає в тім, що при взаємодії датчика з матеріаломможе змінюватися його структура, насипна щільність і інші фактори, що істотнозбільшують погрішність приладу. Тому в промисловості знайшли застосування восновному безконтактні методи виміру: оптичний і надвисокочастотний.
В оптичних вологомірах використовується зв'язок міжвологістю речовини й потоком відбитого від нього випромінювання. Для одержаннянайбільшої чутливості застосовують випромінювання в інфрачервоній областіспектра, що створюється джерелом. Відбитий аналізованим матеріалом світловийпотік направляється пристроєм, що збирає, на приймач. Чим більше вологістьматеріалу, тим краще він поглинає інфрачервоне випромінювання й тем меншевеличина відбитого потоку.
Оскільки таким методом можна виміряти вологість лишетонкого шару, вологомір звичайно застосовують для сипучих матеріалів, щотранспортуються по конвеєрних стрічках.
Надвисокочастотні (СВЧ)
Надвисокочастотні (СВЧ) вологоміри використовуютьзначне (у десятки разів) розходження електричних властивостей води й сухогоматеріалу. Концентрацію вологи вимірюють по ослабленню Свч-випромінювання, щопроходить через шар аналізованого матеріалу. У таких вологомірах стрічкаматеріалу (наприклад, волокнистого: папір, картон) проходить між передавальноюй приймальнею антенами. Передавальна антена з'єднана зі Свч-Генератором,приймальня — з вимірювальним пристроєм. Чим більше вологість аналізованогоматеріалу, тим менше сигнал, що попадає у вимірювальний пристрій.
Свч-вологоміри дозволяють вимірювати вологість уширокому діапазоні (0-100%) з високою точністю.
4. Датчики й первинні перетворювачі для вимірувідносної вологості
/>
Первинні перетворювачі резистивного типу
Резистивный тип чутливого елемента (здійснюєтьсяперетворення « вологість-опір»);
Логарифмічна залежність передатної характеристики «вологість-опір»;
Вимір відносної вологості в природному діапазоні;
Малі габаритні розміри;
Стабільність у роботі довгий час;
Невисока вартість.
Застосування: гідрометри, керування вологістю.Модель Фото Особливості H12K5
/>
Діапазон виміру — від 20 до 90%;
Опір 22 кому при 25 °C, 60%., 1 кГц H25K5
Діапазон виміру — від 30 до 90%;
Опір 25кому при 25 °C, 60%., 1 кГц H25K5A
Діапазон виміру — від 20 до 90%;
Опір 25кому при 25 °C, 60%., 1 кГц
Первинні перетворювачі ємнісного типу
Ємнісної тип чутливого елемента.
Висока лінійність передатної характеристики «вологість-ємність»;
Вимір відносної вологості в повному діапазоні;
Мала інерційність;
Висока точність;
Малі габаритні розміри;
Тривалий термін служби;
Застосування: метеоприбори, кондиціонери,відеомагнітофони, відеокамери, автомобільна електроніка й т.п.Модель Фото Особливості 818
/>
Діапазон виміру — від 0 до 100%;
Лінійність: ±1% у діапазоні від 10 до 90%
Власна ємність 105пф±5% при 33%, 1 кГц
Датчики для виміру вологості й температури
Резистивний або ємнісної типи чутливого елемента длявизначення вологості;
Убудований терморезистор для виміру температури;
Вихідний сигнал: напруга для вологості, опір длятемператури.
Висока лінійність перетворення.
Температурна компенсація.
Мала інерційність.
Гарна стабільність.
Маленький розмір.
Низька вартість.
Застосування: гідрометри, керування вологістю.Тип датчика
H200M і H300М />
H500M />
H600M /> Тип чутливого елемента для визначення вологості Резистивний Ємнісної Ємнісної Чутливий елемент для визначення температури Терморезистор 50 кому Терморезистор 50 кому Терморезистор 50 кому Діапазон вимірюваної вологості 10 – 95% 0 – 100% 0 – 100% Основна погрішність ±5% ±4% ±4% Напруга живлення 5 У ± 5% 5 У ± 2% 5 У ± 2% Діапазон вихідної напруги 0 ~ 3.0 В 0.38 ~ 0.68 В 0.38 ~ 0.68 В Струм споживання Не більше 5 мА Не більше 1.5 мА Не більше 1.5 мА Робочий температурний діапазон 0...…+60С 0...…+50С -20…+70С Розмір 34 x 22 x 13 мм 34,5 x 22 x 12 мм 34,5 x 22 x 12 мм
Датчики вологості
На основі первинного перетворювача ємнісного типу(здійснюється перетворення « вологість-ємність-напруга»).
Висока лінійність перетворення.
Висока точність.
Мала інерційність.
Висока стабільність (1% у рік).
Маленький розмір.
Температурна компенсація.
Змінне захисне каніфольне покриття дозволяєвикористовувати датчики в поганих умовах навколишнього середовища.
Низька вартість.
Застосування: метеорологічні станції, контрольвологості у виробничих приміщеннях, пристрою для виміру відносної вологості йт.д.
Тип датчика
808H5V5 />
808H5V6 /> Діапазон вимірюваної вологості 0 – 100% 0 – 100% Основна погрішність ±4% ±4% Напруга живлення 5 У ± 5% 3.3 В ± 3% Діапазон вихідної напруги 0.8 ~ 3.9 В 0 ~ 3.0 В Струм споживання Не більше 1.2 мА Не більше 200 мкА Робочий температурний діапазон -40…+85С -40…+85С Розмір 12.5 x 8 x 5 мм 12.2 x 8 x 4 мм Відстань між висновками 2.54 мм 2.54 мм
Датчиквологості ДВТ-02И
Датчик вологостіДВТ-02И створений на базі двох
приладів: Датчика вологості ДВТ-02 і Індикатора
фотополяриметрів сигналів ИТС 4-20
Датчик вологості ДВТ-02 призначений для контролю й регулювання відносної вологості й температури газоподібних неагресивнихсередовищ у промислових, технологічних і лабораторних установках і відображенняобмірюваних значень на ж/к індикаторі.
Технічні характеристикидатчика вологості ДВТ-02ИДіапазон напруги живлення 12...36…36В Кількість уніфікованих фотополяриметрів виходів 4–20 мА 2 Робочий діапазон каналу виміру відносної вологості при температурі від -40…+85С 0...98…98% Погрішність перетворення відносної вологості
не більше
±3,0% Робочий діапазон каналу виміру температури -40…+85С Погрішність перетворення температури не більше ±1,0 °С Постійна часу виміру температури 2 хв Максимальний опір навантаження 1,0 кому Роздільна здатність цифрової частини датчика 0,1
Цифрова фільтрація вимірюваних параметрів роздільна для кожного каналу*:
– глибина
– смуга фільтра
– період опитування
1...10
0...9999
0,3...30 з Вибір типу індикації фізичні параметри відносної вологості й температури або значення фотополяриметрів сигналів Споживана потужність не більше 0,2 ВА Середній наробіток на відмову не менш 20000 год Маса датчика не більше 0, 25 кг Габаритні розміри 90х55х25 мм Довжина зонда 100; 200; 300; 400; 600; 800; 1000 мм
/>5. Регулятори вологості
Регулятор вологостіпризначений для автоматичної підтримки відносної вологості повітря в діапазонівід 20 до 95% з точністю не гірше ± 1,5%. Прилад складається з гігрометричногодатчика — гігристора R1, релейного пристрою на транзисторах V2-V4, V7 і блокиживлення.
На транзисторах V2-V4релейні пристрої зібраний тригер Шмитта. При відносній вологості повітря, нижчевстановленої на шкалі змінного резистора R3, транзистор V4 відкритий донасичення, і на діоді V5 є таксі напруга, що закриває транзистор V2. ТранзисторV7 вихідного каскаду також закритий позитивною напругою на конденсаторі З2.Реле К1 знеструмлене. Повітря воложиться.
При збільшенні відносноївологості опір гигристора R1 зменшується, а отже, збільшується негативнанапруга на базі транзистора V2. Коли воно перевищить напругу на діоді V5,тригер Шмитта перемкнеться транзистор V2 відкриється, a V4 закриється.Транзистор V7 відкриється, спрацює реле К1, контакти якого управляютьвиконавчим механізмом. Для підвищення стабільності рівнів спрацьовуваннятригера Шмита транзистори V2 і V4 зв'язані через емитерний повторювач натранзисторі V3.
Про включення напруги живленняй про режими роботи регулятора сигналізує лампа Н1. При включенні регулятора вмережу й малий відносної вологості струм через лампу HI обмежується резисторомR9*, і вона світиться слабко. Збільшення відносної вологості викличеспрацьовування реле К1, шунтування резистора R9* контактами К1.1 і яскравесвітіння лампи HI.
У регуляторі реле К1 — РПУ-2або РПГ на напругу 24 У. В об'єктах з агресивними або вибухонебезпечнимисередовищами реле К1 герметизує.
Трансформатор Т1 намотанийна муздрамтеатрі ШЛ12 X 16. Обмотка I містить 5300 витків проведення ПЕВ-1 — 0,1, обмотка II — 480 витків проведення ПЕВ-1 — 0,35, III -145 витківпроведення ПЕВ-1-0,21. Сигнальна лампа HI — КМ на 24 У и 35 мА.
Датчик вологості – гигристорR1 – можна виготовити самостійно з однобічного товщиною 1 мм по розмірах, показаним на малюнку. Витравлені електроди датчика сріблять або лудять, потімзнежирюють, покривають насиченим розчином хлористого літію або повареної солі йпросушують. Опір виготовленого датчика 120...30 кому при відносній вологостіповітря 20...55%. Для роботи в умовах підвищеної вологості (50..95%) датчиквиконують із двостороннього стеклотекстолита без наступного покриття вологочутливою сполукою. Датчик до регулятора приєднують екранованим проведенням.
Налагодження регулятора починаютьіз підбора резистора R2* для установки границь шкали резистора R3, а потімградуюють шкалу. Для цього гигристор і контрольний психрометр поміщають укамеру з вологістю, що змінюється. Психрометром визначають вологість у камерій, змінюючи опір резистора R3, домагаються спрацьовування реле К1. Кожномузначенню вологості в камері відповідає своє положення движка резистора R3. Поотриманих крапках будують шкалу регулювання вологості.
При експлуатаціїавтоматичного регулятора варто уникати конденсації вологи на гигристорі. Змінахарактеристик датчика від запилення можна запобігти, установивши йоговертикально й помістивши в захисний кожух.
Гігростат у кімнатному виконанні HGMINI
/>
Призначення
Гідростат типу HG mini є контролером
Регулюванням відносної вологості повітря. Вінвикористовується для керування роботою і осушувачів в офісах, комп'ютернихкімнатах. Іншими областями застосування є зберігання харчових продуктів, складидля зберігання овочів і фруктів, теплиці, текстильна продукція, паперова йдрукована промисловості, виробництво плівок, медичні установи. Гідростат HGMini може використовуватися при рішенні багатьох завдань регулювання ймоніторингу вологості.
Кімнатний гідростат HG зроблений таким чином, щоручка настроювання перебуває усередині корпуса. Це ускладнює доступ дорегулятора сторонніх осіб.
Опис гідростата
Елемент, вироблений компанією Galltec підторговельною маркою «Polyqa», складається з декількох синтетичних ниток, кожназ яких містить у собі 90 окремих волокон діаметром 0,003 мм. Після спеціальної обробки нитки здобувають гігроскопічні властивості.
Вимірювальний елемент абсорбує й випаровує вологу,ефект набрякання, що проявляється головним чином у збільшенні довжини,передається системою важелів мікровимикачу з дуже маленьким ходом штока. Назміну вологості повітря вимірювальний елемент реагує швидко й точно. Принастроюванні за допомогою ручки регулятора система важелів приводиться в діютаким чином, що коли досягається встановлене значення вологості повітря,активується мікровимикач.
Вимірювальний елемент розташовується усерединікорпуса й повинен бути захищений від влучення пилу, бруду й води. Данігідростати сконструйовані для систем з нормальним атмосферним тиском.
Положення при монтажі повинне бути обране такимчином, щоб конденсат не міг проникнути у внутрішні частини корпуса. Приустановці може бути обране будь-яке положення, коли вентиляційні отвориперпендикулярні напрямку повітряного потоку.
Технічні дані
Вимірювальний діапазон ...……………………………30…......100% RH
Точність вимірів ……………………………………..../> 3,0 RH
Робочий діапазон ...………………………………………35…100%
Гістерезис мікроперемикача……………………… – 4% RH
Монтаж
Не можна допускати прямого контакту гігростатів зводою (наприклад бризи при збиранні кліматичних камер і т.п.);
Місце установки гігростата повинне бути обране такимчином, щоб вологість повітря в цьому місці відповідала вологості повітрявимірюваного приміщення;
Гігростат повинен розташовуватися в потоці повітря.
Регулятори відносної вологості повітря типу ВЧ-510М иВЧ-536М
застосовуються в системах мікроклімату тваринницькихприміщень. Принцип дії дітовбивці регулятора ВЧ-510М и шорстколистого ВЧ-536М,що працюють у комплекті з первинним перетворювачем ДОВП-1, заснований на методі«нуль- індикатор». При підключенні первинного перетворювача вологості до вологорегулятору відбувається порівняння напруги постійного струму перетворювачавологості, що пропорційно значенню відносної вологості повітря, з напругоюпостійного струму, що знімається з датчика вологості. Напруга неузгодженостінадходить на модулятор і підсилюється за допомогою підсилювача змінного струму.Залежно від знака напруги неузгодженості каскад управляє роботою симетричногостатичного тригера в дітовбивці регуляторі ВМ — 510М або двома тригерами вшорстколистому регуляторі ВЧ — 536М.
Тригери підключені до обмоток електромагнітних реле,які забезпечують включення й відключення виконавчих пристроїв у системірегулювання.
Вологорегулятори ВМ — 510М и ВЧ — 536М виконані вметалевому корпусі прямокутної форми. Їх з'єднують із первинним перетворювачемокремим екранованим кабелем. Довжина сполучного кабелю до 300 метрів.Імовірність безвідмовної роботи приладу за 2000 годин не менш 0,94. Нижчеприводяться основні технічні дані приладів.тип ВМ – 510М ВЧ – 536М Діапазон регульованої відносної вологості повітря, % 20...…100 40...…100
Температура регульованого середовища, ос 5...35…35 5...35…35 Діапазон регулювання зони повернення (нечутливості) відносної вологості повітря, % 2...10…10 2...10…10 Основна погрішність регулятора відносної вологості повітря, %, і не більше
/>
/>
Розривна потужність контактів вихідного реле, Вт:
при напрузі змінного струму 220 У;
при напрузі постійного струму 220 У
500
40
500
40 Споживана потужність, Вт 25 25 Напруга живлення, В 220 220 Коливання напруги живлення, % +10…–15 +10…–15 Частота змінного струму, Гц
/>
/>
Температура навколишнього середовища, ос -30…+50 -30…+50
Відносна вологість повітря при температурі навколишнього середовища 35ос, % до 95 До 95 Габарити, мм
/>
/> Маса, кг 4 4
Висновок
Вологість газів, рідин і твердих матеріалів — один зважливих показників у технологічних процесах. Вологість газів, наприклад,необхідно вимірювати в сушильних установках, при очищенні газів, прикондиціюванні повітря й т.д. Вимір змісту води в нафті, спиртах, ацетоніпроводять у процесах нафтопереробки й нафтохімії, у виробництві сірчаноїкислоти й мінеральних добрив. Вимір вологості твердих сипучих матеріалів займаєважливе місце у виробництві фарб, мінеральних добрив, будівельних матеріалів;вологість волокнистих матеріалів визначає якість продукції при виробництвіпаперу й картону. У даній курсовій роботі мною були розглянуті методи й засобивиміру вологості, прилади для виміру вологості, а також регулятори вологості,що дозволяють контролювати вологість у приміщенні на необхідному рівні.
Список літератури
1. Богословський В.Н. Будівельнатеплофізика. – К., 2004
2. Коряків В.И., Запорожець А.С.Прилади в системах контролю вологості твердих речовин і їхні метрологічніхарактеристики. – К., 2004
3. Івченко Ю.А., Федоров А.А.Чим виміряти вологість? –К., 2004
4. Баркалов Б.В., Карпис Б.Е.Кондиціювання повітря в промислових, суспільних і житлових будинках. – К., 2006