Дослідження приладів по вимірюванню вологості (стр. 3 из 5)
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 Iλ – інтенсивність випромінювання, що падає на поглинаючий стовп; N – концентрація поглинаючих атомів (число молекул в одиниці об'єму); l – довжина поглинаючого стовпа, δλ - 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; δλ - 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.
3. Вимір вологості психометричним вологоміром
Вологість газів, рідин і твердих матеріалів - один з важливих 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, ацетоні проводять у процесах нафтопереробки й нафтохімії, у пульпах - у виробництві сірчаної кислоти й мінеральних добрив. Вимір вологості твердих сипучих матеріалів займає важливе місце у виробництві фарб, мінеральних добрив, будівельних матеріалів; вологість волокнистих матеріалів визначає якість продукції при виробництві паперу й картону.
Вологість газів у технологічних процесах звичайно вимірюють психрометричним методом.
Дія психрометричних вологомірів заснована на вимірі двох температур: температури «сухого» термодатчика, поміщеного в аналізований газ, і температури «мокрого» термодатчика, загорненого в панчоху з вологої тканини, кінець якого опущений у воду. За рахунок випару води цей термодатчик прохолоджується до температури меншої, чим температура газу. Зі збільшенням вологості газу випар іде менш інтенсивно й температура «мокрого» термометра росте. При вологості 100% вода взагалі не буде випаровуватися й температури обох термодатчиков зрівняються.
У промислових вологомірах у якості термодатчиков звичайно використовують термометри опору, включені. у схему для виміру відносини їхніх опорів, тобто відносини температур «мокрого» і «сухого» термометрів.
Із принципової схеми вологоміра видно, що вона складається із двох неврівноважених мостів, реохорда, підсилювача, реверсивного електродвигуна й пристрою, що показує. У плечі неврівноважених мостів включені відповідно «сухий» (Rc) і «мокрий» (RM) термометри Вихідний сигнал моста - напруга U2 включений зустрічно з напругою U3, що знімається про движок реохорда. Їхня різниця AU прикладена до входу підсилювача. Там вона підсилюється й пускає в хід реверсивний електродвигун. Вал електродвигуна переміщає движок реохорда й пов'язану з ним стрілку пристрою, що показує.
Стан рівноваги в схемі наступає при рівності напруг U2 і U3. При цьому ?U = 0, тому движок реохорда й стрільця приладу перестають переміщатися. Положення движка реохорода в момент рівноваги залежить від відношення напруг U1 і U2, а виходить, від відношення температур «сухого» і «мокрого» термометрів. Таким чином, положення стрілки приладу однозначно пов'язане з вимірюваною вологістю газу. Для виміру вологості рідин застосовують як спеціальні вологоміри, так і прилади, що вимірюють яку-небудь властивість рідини, якщо воно пов'язане з її вологістю. Наприклад, однієї з характеристик пульп є співвідношення рідина: тверде в її сполуці. Цю величину вимірюють звичайно плотномірами. У тих випадках, коли з пульпи віддаляється тільки рідка фаза (випарювання, фільтрування), показання плотноміра будуть визначатися змістом рідини в пульпі. У цьому випадку плотномір виконує функцію вологоміра.