ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГИГРОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВ

К данной категории относятся диэлькометрические гигрометры диапазонов средних и коротких воли и СВЧ^ а также гигрометры на принципе коронного разряда.

Основой диэлькометрического метода является зави­симость диэлектрической проницаемости газов от их влагоеодержания. Диэлектрическая проницаемость воз­духа и других газов в абсолютно сухом состоянии (в'с) мало отличается от є вакуума; в табл. 9-1 приведены значения е'с некоторых газов при температуре 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.

Таблица 9-1

При изменении влагоеодержания г' изменяется не­значительно: _изменению относительной влажности воз­духа на 1% при температуре 20 °С соответствует изме­нение є' приблизительно на 2ХІ0-6. Для измерения влажности газов диэлькометрическим методом необхо­димы, следовательно, технические средства, позволяю­щие определять є' с точностью до пятого-шестого знаков (после запятой). На практике, как и в диэлькометриче­ских влагомерах (§ 4-2 и 4-3), измерения выполняются в диапазоне низких радиочастот — до 10 Мгц (макси­мум до 50 Мгц) или при СВЧ — преимущественно на

Сантиметровых волнах. В последнем диапазоне исполь­зуются методы и устройства СВЧ рефрактометрии, на­шедшей широкое применение для исследования распро­странения радиоволн в тропосфере.

Известен ряд эмпирических формул, связывающих е' газа с его влажностью, температурой или давлением, причем, как это принято в СВЧ-рефрактометрии, є' вы­ражается через коэффициент преломления п= ]/"є' или индекс (показатель) преломления N—(n—3)106.

По {Л. 9-1] показатель преломления атмосферного воздуха определяется уравнением

«г_____________ ' А(Р — е) ■ Aze,Ase

Iv J, I *P I »

Где А і, A2, А з — эмпирические постоянные; P — давление воздуха; е — парциальное давление водяного пара; Т — термодинамическая температура воздуха.

Для широких диапазонов частот (0—30 Ггц), тем­ператур (—50ч-+40°С), давлений (200—1 100 мбар) и парциальных давлений (0—30 мбар) были предложены формулы [Л. 9-2]:

N = 77,6 -}- 72 75 • 10s

Или в упрощенной форме

W = 4810е/Т)(р и е-в мбар, Т-В°К).

Эти формулы, основанные на обработке эксперимен­тальных данных многих исследователей, нашли широ­кое применение; они позволяют вычислить относитель­ную влажность воздуха:

У=2,68-Ю-4 (77V-77,6р),%

Где Е — упругость насыщенного пара, мбар, при темпе­ратуре Т.

Относительное влияние параметров воздуха на ре­зультат измерения N. было выражено значениями чув­ствительности, полученными [Л. 9-3] в лабораторных условиях:

DN/DT=—L,2CKri; DN/Dp=0,3 мбар-1; DNjde=4 мбар-1. 304

ДиэлькомеТриЧеские гигрометры, работающие При низких радиочастотах, нашли весьма ограниченное при­менение. Для получения необходимой чувствительности и точности в их измерительных устройствах применяется преимущественно метод биений; конструкция датчиков определяется задачей, для которой предназначен гигро­метр, а его размеры — также необходимостью повыше­ния чувствительности, т. е. увеличения площади элек­тродов и уменьшения расстояния между ними. Особен­ностью емкостных датчиков гигрометров является также то, что их tg6 определяется почти исключительно поте­рями в изоляционных деталях, так как проводимость газов ничтожно мала.

Возможность использования датчика весьма малых размеров и безынерционность измерения послужили основанием для применения рассматриваемого метода в биологических исследованиях — для контроля влаж­ности воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого человеком, а также для измерения градиентов влажности.

В fJI. 9-4] были предложены датчики с внешним полем (полем рассеяния) с подложкой из твердого гидрофобного непористого диэлектрика (ситал, кварц, фторопласт), на который наносятся электроды, напри­мер, в форме меандра. При этом измеряют диэлектри­ческие свойства адсорбционной пленки, образующейся на поверхности диэлектрика, которые характеризуют относительную влажность окружающей газовой среды. По механизму действия такие датчики близки к ЭГД сорбционного типа (§ 8-2).

Емкость конденсаторного датчика сильно увеличи­вается при появлении влаги в жидкой фазе в между­электродном пространстве или на поверхности обкладок. В связи с этим диэлькометрический метод был применен для измерения количества капельной воды в потоке воздуха.

Фактором, который может в значительной степени исказить результаты измерения, является загрязнение исследуемого газа парами других жидкостей. Это отно­сится в первую очередь к парам полярных жидкостей с высокой є: ацетона, четыреххлористого углерода, хло­роформа, этилового спирта и т. д.

Гигрометры СВЧ основаны на резонаторном методе (другие СВЧ-методы измерения не применялись в гигрометрии) и работают чаще всего на длинах волн, близких к 3 см. Датчиками служат объемные реЗойа- торы различных типов, имеющие высокую добротность и полностью заполненные анализируемым газом. При этом диэлектрические параметры определяются выра­жениями, справедливыми для резонаторов всех типов:

Е' —

/С

Где /о, Qo—резонансная частота и добротность пустого резонатора; J, Q — эти же параметры резонатора, запол­ненного газом.

Иногда добротность резонатора оценивают по отно­шению мощностей Ро/Р, прошедших через резонатор при частотах /о и /:

Qo/Q= (Ро! Р)т•

Как правило, измерение основано на сравнении резо­нансных частот двух резонаторов — измерительного, в который поступает контролируемый газ, и опорного, заполненного образцовым газом.

Измерительные схемы известных гигрометров СВЧ основаны на двух различных принципах. Объемный резонатор может служить элементом, задающим часто­ту колебаний генератора СВЧ; измерительная схема содержит два генератора (соответственно с измеритель­ным и опорным резонаторами), разность частот которых измеряется, например, методом биений. В схемах второй группы в элементе сравнения сопоставляются выходные величины двух цепей с измерительным и опорным резо­наторами. Обе цепи питаются от общего генератора, и их выходные величины связаны с разностью резонанс­ных частот резонаторов.

Блок-схема гигрометра по первому принципу (рис. 9-1) содержит два клистронных генератора: А— измеритель­ный и Гг — опорный, частоты которых определяются резонансными частотами объемных резонаторов Bi и Вг. В первый резонатор непрерывно поступает контролируе­мый воздух; второй (/о=9,4 Ггц) герметически закрыт и откачан до вакуума. Разность частот обоих генерато­ров іД)F, изменяющаяся в функции показателя преломле­ния воздуха, поступающего в Bi, преобразуется в бло­ке М (содержащем смеситель, усилитель, ограничитель, частотный детектор и звенья настройки) в напряжение постоянного тока, измеряемое показывающим или запи­сывающим прибором П.

Описанная схема была в последующем усовершенст­вована введением цифрового выходного устройства и

Автоматической компенсации погрешностей от изменений температуры и давления.

Рефрактометр, основанный на втором из рассмотрен­ных принципов [Л. 9-5], содержит один клистронный генератор 1 (рис. 9-2) с несущей частотой 9 100 Мгц;

Частота генератора модулируется генератором 2 пило­образного напряжения низкой частоты (120 гц). Мощ­ность СВЧ через аттенюатор 3 и волиоводный тройник 4 Поступает в два одинаковых тракта, содержащих объем­ные резонаторы — измерительный 5 и опорный 6. К вы­ходу резонаторов через полупроводниковые диоды 7 присоединены усилители 8 с полосой пропускания 35— 3 ООО гц, управляющие через ограничители 9 триггерной

307

Схемой 10. Ограничители подрезают пик резонансного сигнала; импульсы первого тракта запускают триггер 10, Импульсы второго — отключают его. Выходной сигнал триггера — прямоугольные, импульсы постоянной ампли­туды, но переменной ширины — поступает на усили­тель 11, к выходу которого подключен показывающий прибор (микроамперметр).

Средняя величина выходного сигнала триггера и си­ла тока, измеряемого показывающим прибором, про­порциональны длительности импульсов, т. е. разности частот резонаторов.

Описанный метод был применен и в ряде других гигрометров.

Гигрометры СВЧ градуируются эмпирически, причем для этой цели применялись неполярные газы (N2, Нг), у которых электрическую восприимчивость можно счи­тать пропорциональной плотности. Из источников по­грешностей СВЧ гигрометров важнейшим является тем­пература. Для устранения температурной погрешности резонаторы иногда термостатируют; можно также изго­товлять. оба резонатора в виде двух полостей в одном блоке металла. Лучшим материалом для "изготовления резонаторов является инвар или аналогичные сплавы. Для устранения ошибок, связанных с колебаниями атмосферного давления, в некоторых рефрактометрах резонаторы заключены в металлические полые камеры, внутреннее пространство которых эвакуировано.

Метрологические качества СВЧ гигрометров — точ­ность и чувствительность — в значительной степени опре­деляются их устойчивостью. Недостатком приборов по схеме с модуляцией частоты является дрейф нуля. Дол­говременный дрейф обусловлен главным образом не­постоянством характеристик клистронов; его причинами могут быть также температурные погрешности, измене­ния є образцового газа, изменения амплитуды модули­рующего напряжения й т. д.

Для повышения устойчивости и точности рефракто­метра можно применить нулевой компенсационный ме­тод с использованием в качестве уравновешивающего органа резонатора, снабженного подстроечным механиз­мом с поршнем или штырьком, изменяющими рабочий объем резонатора.

При тщательном изготовлении рефрактометров со всеми перечисленными предосторожностями были до­стигнуты весьма высокие показатели. У лучших рефрак­тометров погрешность измерения (при стабилизации температуры и давления) была близка к 1—2N, что со­ответствует ~ 1 %' относительной влажности при темпе­ратуре 20 °С.

Таким образом, важнейшими достоинствами метода СВЧ являются высокие чувствительность и точность, а также качества, общие для всех спектрометрических методов: безынерционность измерения, отсутствие воз­действия на исследуемый газ, применимость в широком диапазоне температур и давлений, интегральная оценка влажности газа на пути излучения. В то же время изме­рительная аппаратура, применяемая в этом методе, сложна л имеет высокую стоимость. Применение низких радиочастот позволяет существенно упростить аппара­туру, но при этом сильно ухудшаются точность и чув­ствительность измерения. При любых частотах резуль­таты измерения влажности зависят от температуры и давления газа; необходимо стабилизировать эти пара­метры или компенсировать их влияние. Источником больших погрешностей может служить наличие в ана­лизируемом газе загрязнений, капельной влаги, паров некоторых жидкостей и других газов. По указанным причинам и главным образом из-за сложности аппара­туры гигрометры СВЧ до - сих пор почти не применялись для контроля производственных процессов. Они исполь­зовались преимущественно в качестве авиационных бор­товых приборов для зондирования влажности атмосферы на различных высотах, определения содержания влаги в облаках, изучения структуры водяного пара атмосфе­ры и других аналогичных задач. Для радиозондов был разработан малогабаритный гигрометр с конденсатор­ным датчиком, имеющим пластины из инвара и пред­назначенным для широкого диапазона частот — от 10 Мгц до 25 Ггц. Примером применения гигрометров СВЧ в научных исследованиях других областей может служить измерение упругости Водяного пара над поверх­ностью листьев растений, выполненное с помощью мини­атюрного резонатора (диаметр 45 мм, высота 30 мм), В который воздух засасывался с помощью иглы для инъекций [J1. 9-3].

Гигрометры сдатчиками коронного раз­ряда основаны на влиянии влажности газа на пара­метры коронного разряда — стационарного электриче­
ского разряда, возникающего в сильном неоднородном электрическом поле. Выходной величиной датчика ко­ронного разряда может служить сила тока, протекаю­щего через электроды при постоянной величине прило­женного напряжения, большего, чем напряжение начала короны, и меньшего, чем напряжение. пробоя. Гигромет­ры этого типа были разработаны в последние годы [Л. 9-6].

Исследование датчиков с различными типами газо­разрядных промежутков показало, что оптимальным является датчик в виде коаксиальных цилиндров. Элек-
другого гйзо - и влагопроницаемого и токопроводящего материала. Благодаря этому создается возможность измерений в неподвижной среде, отпадает необходи­мость в устройствах для подвода и отвода газа и рабо­чее пространство датчика предохраняется от попадания механических загрязнений газа. Для улучшения формы поля по обе стороны внешнего электрода 2 (рис. 9-3,А), Охватывающего проволочный электрод 1, располагаются электроды 3, электрически отделенные от измеритель­ного электрода изолирующими шайбами 4. Электроды 3 Находятся под тем же потенциалом, что и электрод 2. Электрод 1 расположен на изолирующих шайбах 5. Газопроницаемые электроды 2 и 3 для придания им механической прочности укрепляются ребрами жестко^ сти 6, на которых располагаются электрические клем­мы 7. В случае использования датчика в быстрых газовых потоках или при необходимости электрической экранировки электрода 2 от внешних электромагнитных полей датчик помещают в кожух 8, который является также механическим фильтром крупных пылевых вклю­чений в исследуемом газе и замедлителем газового потока.

Для повышения чувствительности измерения можно увеличить длину датчика и число коронирующих элек­тродов. Гигрометр (рис. 9-3,6) состоит из высоковольт­ного блока /, стабилизатора напряжения 2, датчика 3, выходного измерительного прибора 4 и блока питания 5. На вольт-амперной характеристике датчика можно вы­делить две зоны [Л. 9-7]. В области повышенных напря­жений, приближающихся к напряжению пробоя, сила тока разряда уменьшается с ростом влажности; во вто­рой зоне (пониженные напряжения) сила тока возра­стает с увеличением влажности. Промежуточный диапа­зон напряжений непригоден для измерений влажности. Первая зона (повышенные напряжения) благоприятна для измерений низких влагосодержаний; в ней можно увеличивать чувствительность гигрометра, повышая на­пряжение до предела, допустимого по пробою. У опыт­ного образца гигрометра сила тока короны изменялась в пределах 0—150 мка при напряжениях 3,5—5,5 кв.

Оптимальным для гигрометров является диапазон средней напряженности поля с коэффициентом неодно­родности (отношением максимального градиента элек­трического поля к среднему значению) в пределах 20— 60; этому диапазону соответствует достаточно высокая чувствительность датчика, а для стабилизации высоко­вольтного источника напряжения можно применить достаточно простые типовые устройства. Эксперименты показали возможность измерений методом коронного разряда при нормальном атмосферном давлении и тем­пературах от —5+0°С до +200°С и выше. Во избежа­ние воздействия озона, образующегося в газоразрядном промежутке, на коронирующий электрод скорость газо­вого потока в этом промежутке должна быть не ниже определенного значения (2—З місек для датчиков диа­метром 10 мм)~, это является необходимым условием для сохранения устойчивости вольт-амперной характе­ристики. Малая инерционность гигрометров коронного разряда позволяет применить их и для измерения влаж­ности твердых тел по методу гигротермического равно­весия (см. § 10-2), однако пока еще пет достаточного опыта практического применения этих приборов и в са­мой гигрометрии.