ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГИГРОМЕТРЫ С ПОДОГРЕВНЫМИ ДАТЧИКАМИ

Принцип действия подогревных электролитических датчиков основан на зависимости максимальной упруго­сти водяного пара над поверхностью насыщенного рас­твора гигроскопической соли от температуры. Чувстви-

Тельный элемент датчика может изготовляться с йриме* нением кристаллов ионной соли или ее водного насыщенного раствора.

Использование кристаллов чистых солей основано на постоянстве значения влажности, при 'котором при неиз­менной температуре могут сосуществовать в равновесии друг с другом твердая соль, насыщенный раствор на ее поверхности и водяной пар в окружающей среде. Для значений влажности ниже указанного (назовем его «влажностью перехода») поверхностный слой насыщен­ного раствора отсутствует. Этот слой возникает при до­стижении влажности перехода, а при ее превышении .толщина слоя увеличивается. Достижение влажности перехода легко установить по резкому увеличению элек­трической проводимости кристалла; дальнейшее повыше­ние влажности влечет за собой рост проводимости.

Описанные свойства кристаллов солей использова­лись в некоторых простейших (релейного типа) сигнали­заторах влажности воздуха.

Можно достичь точки перехода и другим путем — икусственным изменением температуры поверхности кри­сталла. Достижение влажностного равновесия опреде­ляется по изменению поверхностного сопротивления кристалла; для оценки влажности используются показа­ния термометра, измеряющего температуру перехода. На таком принципе основаны гигрометры с ионным мо­нокристаллом (чаще всего хлористого калия). Ввиду сложности конструкции и недостаточной надежности они нашли весьма ограниченное применение.

В противовес этому чрезвычайно широкое распрост­ранение получили электролитические подогревные датчи­ки, у которых влагочувствительным элементом служит насыщенный водный раствор соли, покрывающий по­верхность чувствительного элемента термометра. Как и в гигрометрах точки росы, состояние равновесия с окру­жающей средой достигается изменением (повышением) температуры чувствительного элемента, которая одно­значно характеризует влажность окружающего газа. Преимуществом подогревного датчика является то, что равновесие достигается нагревом датчика, который осу­ществляется легче и проще, чем охлаждение зеркальца в гигрометре точки росы." Обычно используется насыщен­ный раствор хлористого лития, - для которого минималь­ная равновесная влажность достаточно низка (ф~ 12-г - 13% при комнатных температурах). Справочные данные об упругости водяного пара над раствором LiCl, приве­денные в различных источниках, имеют некоторые рас­хождения; для диапазона температур от +5 до +65°С можно использовать данные fJL 7-19]. На рис. 7-12 (Л. 7-20] приведена зависимость максимального значения давления водяного пара над плоской поверхностью во­ды и насыщенного раствора LiCl от температуры. В со­ответствии с законом Рауля первая кривая (давления водяного пара) проходит выше второй (кривая кристал­лизации LiCl). Если парциальное давление водяного па­ра исследуемого влажного газа выше давления насы­щенного солевого раствора, последний поглощает пар. Повышая температуру раствора, можно достичь равенст­ва обоих давлений без изменения концентрации раство­ра. При давлениях пара более низких, чем давление па­ра над поверхностью LiCl, равновесие достигается пони­жением температуры раствора. В обоих случаях температура, соответствующая равновесию, т. е. пере­ходу системы в состояние, при котором сосуществуют твердая соль, насыщенный раствор и пар, однозначно определяет величину давления водяного пара. Эту тем­пературу перехода в дальнейшем будем называть «равно­весной температурой» и обозначать /р.

Две особенности рассматриваемого метода непосред­ственно вытекают из рассмотрения кривых рис. 7-12. Во-первых, достижение равновесия повышением темпе­ратуры раствора может быть достигнуто только для зна­чений температур и давлений, находящихся в области между кривыми 1 и 2. Во-вторых, кривая перехода для LiCl (кривая 2) имеет несколько точек излома, соот­ветствующих образованию перечисленных ниже гидра­тов соли:

Диапазон температур, °С Ниже—16,5 —16,5-^+19,1 + 19,1-н93,6 Гидрат LiCl L1C1-3H20 L1C1-2H20 L1C1-H20

Как известно, в точках гидратного перехода изменя­ются электропроводность и давление пара над поверх­ностью раствора.

Основную характеристику датчиков — зависимость равновесной температуры от влажности окружающей газовой среды — можно построить на основании данных, приведенных на рис. 7-12.

Проще всего определить температуру точки росы т. Так, например, равновесной температуре £Р=48°С (точ­ке А на кривой 2) соответствует точка В на кривой 1, т. е. точка росы т=9,3°С и упругость водяного пара е= =8,8 мм рт. ст. Зависимость т (tv) нелинейна, однако-при

Изменениях Tv, не превышающих 40—50 °С, ее можно ли­неаризовать. Так, для —Ю^/р^ +40°С была предложе­на зависимость: t=0,G977 iy,—24,33.

Предлагались и другие эмпирические формулы. Рас­хождения между ними характеризуют упомянутую неод­нозначность справочных данных, по которым нецелесо­образно градуировать подогревные датчики.

Главной особенностью рассматриваемых датчиков является наличие следящей системы, непрерывно и авто­матически приводящей чувствительный элемент к рав­новесной температуре. Это еще одна аналогия с автома­
тическими гигрометрами точки росы. Обычно датчик име­ет чулочек, надеваемый на чувствительный элемент тер­мометра и изготовленный из тонкого слоя гигроскопиче­ской ткани, пропитанной насыщенным раствором LiCl. Чулочек снабжается двумя проволочными электродами, позволяющими пропускать через него ток (во избежание поляризации применяется переменный ток). Ток нагре­вает раствор до температуры кристаллизации LiCl; об­разование твердой соли влечет за собой резкое увели­чение сопротивления между электродами, уменьшение силы тока и температуры датчика. Понижение темпера­туры продолжается до тех пор, пока вследствие погло­щения влаги из окружающей среды вновь не повысится проводимость раствора между электродами, что повлечет за собой увеличение силы тока и повышение температу­ры датчика. В датчике, следовательно, будет иметь ме­сто колебательный процесс регулирования температуры вблизи среднего значения, равного равновесной темпе­ратуре, соответствующей влажности газовой среды, окру­жающей датчик.

В датчиках рассматриваемого типа используются тер­мометрические измерительные преобразователи различ­ных видов, чаще всего электрические термометры сопро­тивления.

Общепринятым материалом'для изготовления чулоч­ка является стеклянное волокно, а для электродов — го­лая платиновая или серебряная проволока.

Устройство электролитического подогревного датчика показано на рис. 7-13. Проволочные электроды 1 намо­таны спирально поверх чулочка из стекловолокна 2, уло­женного на термометр сопротивления 5. Последний име­ет защитную металлическую трубку 4, Покрытую слоем лака 3 для электриче­ской изоляции и защиты от корро­зии.

Защитное покрытие. металлическо­го кожуха увеличивает инерцию дат­чика; кроме того, ввиду большой аг­рессивности солевого раствора, нахо­дящегося при высоких и переменных температурах, возможен выход из строя термометра сопротивления, вы­званный коррозией кожуха при обра­зовании трещин в защитной лаковой
йленке. ЙногДа заіЦитную Трубку изготовляют из йержаёё - ющей стали или вводят термометр сопротивления в стек­лянную трубку; в последнем случае инерция датчика еще больше увеличивается. В конструкции датчика по'[Л. 7-21] в качестве чувствительного элемента применены малога­баритные и малоинерционные термометры сопротивления.- остеклованные или керамические. В обоих случаях тер­мочувствительный элемент герметизирован и покрыт слоем стекла, имеющим толщину не больше десятых долей миллиметра, или размещен в каналах керамиче­ского каркаса. Чулочек надевается непосредственно на термометр сопротивления. У датчиков этого типа отпа­дает необходимость в противокоррозионной защите и значительно уменьшается постоянная времени — до 25 — 30 сек (у остеклованного) или 30—40 сек (у керамиче­ского) .

Значительно реже применяют в подогревных датчи­ках термисторы и термопары.

Электроды датчика включаются в цепь переменного тока, получаемого обычно от сети 50 гц, через трансфор­матор, вторичное напряжение которого равно 24 в (ино­гда 30 в). Величина этого напряжения несколько влияет на быстродействие датчика, однако повышение напряже­ния сверх указанных значений не дает заметного эф­фекта.

Если включить датчик после длительного выключения питания электродов, после пропитки свежим раствором или пребывания его в среде с высокой влажностью, то вследствие низкого сопротивления электролита ток через электроды может возрасти в 10 раз и более. Во избежа­ние этого последовательно с электродами датчика в цепь низкого переменного напряжения включают ограничи­вающее сопротивление. Предлагалось также использо­вать понижающий трансформатор с круто падающей зависимостью вторичного напряжения от нагрузки; та­кая зависимость обеспечивает установление малой силы тока в цепи электродов, если их сопротивление пони­жается.

Прекращение пита'ния цепи электродов может иметь и другие отрицательные последствия. При конденсации водяного пара на поверхности неподогреваемого датчика происходят стекание раствора, разбавление раствора, пропитывающего чулочек, и искажение показаний гигро­метра. Это ограничивает возможность безнадзорной ра­боты датчика, особенно при высокой влажности й ййЗ- ких температурах. Для устранения этого недостатка стремятся в процессе эксплуатации не выключать ток питания цепи электродов. Известны и более эффектив­ные способы защиты, которые, однако, усложняют кон­струкцию и работу гигрометра, как, например, автома­тическое переключение электродов на питание от бата­реи (через вибропреобразователь) при исчезновении

Напряжения переменного тока [J1. 7-22]. Датчик, разра­ботанный для автоматических информационно-измери­тельных метеорологических станций [J1. 7-23], включает­ся периодически, а в промежутки времени между вклю­чениями автоматически переключается на воздух, осу: шенный сорбентами.

При применении электрических термометров сопро­тивления используются серийные вторичные приборы, предназначенные для измерения температуры, но их шкала градуируется в единицах температуры точки росы

253

Шій другой величины, характеризующей абсолютную влажность.

Более сложны устройства, - предназначенные для не­посредственного измерения относительной влажности. В них, кроме подогревного датчика, используется второй датчик, измеряющий температуру газа. Задача получе­ния шкалы, градуированной в процентах относительной влажности ф, решается, как и у электрических 'психроме­тров, линейной аппроксимацией показанного на рис. 7-14,а семейства кривых постоянной относительной влажности в координатах Tv(T), где /р—равновесная температура датчика влажности; T — температура кон­тролируемого газа. В обоих датчиках обычно применяют­ся термометры сопротивления.

Имеются два способа аппроксимации: а1) семейством параллельных прямых, имеющих оди­наковый угол наклона а относительно оси сопротивления термометра R (рис. 7-14,6).

При таком допущении значение относительной влаж­ности ф однозначно определяется абсциссой точки пере­сечения соответствующей прямой ф=const и оси R. Ука­занная величина /ч(ф) связана с сопротивлениями термометра датчика влажности и R — температурного датчика следующей зависимостью:

Fi(q>)=R—RVctga.

Для воспроизведения этой зависимости применяется мостовая измерительная схема (рис. 7-15,а), в которой одно плечо моста образовано термометром сопротивле­ния R, а в смежное плечо включен термометр сопротив­ления с последовательным и параллельным добавоч­ными сопротивлениями, величина которых подбирается для получения постоянного значения ctga. Разность со­противлений смежных плеч измеряется логометром JI Или другим дифференциальным указателем в измери­тельной диагонали моста;

Б) веерообразным пучком прямых, пересекающихся в точке с постоянными координатами — абсциссой а и ординатой Ь (рис. 7-14,в). Аналогичный способ применя­ется и в автоматических психрометрах (рис. 7-5);' мерой относительной влажности является величина угла между соответствующей прямой и осью абсцисс:

F2( Ф) = ctg Р= (R—A)I(Rv—b).

Для измерения FZ(Xf) по этому способу используется схема (рис. 7-15,6), состоящая из двух мостов и автома­тического потенциометра К, на вход которого подается разность потенциалов между вершиной температурного моста и движком уравновешивающего реохорда Р. Прак­тически оба моста имеют два общих (постоянных) плеча и один источник питания. Сопротивления плеч мостов

Подбирают так, чтобы выходные напряжения небаланса были равны: у моста влажности (/) Ui=K(Rv—Ъ), у тем­пературного моста (II) Un=K(R—А) (K — коэффициент пропорциональности).

На вход компенсатора поступает напряжение, равное разности t/д—'t/ж (Ux — напряжение между движком реохорда и общей вершиной обоих мостов). Б момент компенсации Ux='Uii, т. е.

X=rUnfUi=ir(R—a)/(Rv—b),

Где г — - полное сопротивление реохорда; х — сопротивле­ние его участка между началом и движком.

При аппроксимации по обоим способам шкала изме­рительного прибора в процентах относительной влажно­сти неравномерна; цена деления уменьшается с ростом ф. Способ, указанный в п. «б», более точен.

Динамические свойства электролитического подогрев­ного датчика можно описать различными математически­ми моделями. Простейшая из них представляет собой инерционное звено второго порядка. Для более точного описания необходимо ввести в структурную схему отри­цательную обратную связь, характеризующую зависи­мость упругости водяного пара над поверхностью чулоч­
ка (над насыщенным раствором LiCl) от ее темпера­туры.

На основании ранее разработанных аналитических описаний Ф. Бернгард [Л. 7-24] предложил структурную схему датчика, которой соответствует передаточная функция:

+ р<*+<4

Где tK— температура термометра; а — абсолютная влаж­ность воздуха; 1/Vo— коэффициент усиления; TD—/по­стоянная времени; D — степень демпфирования (затуха­ния); Too —собственная частота незатухающих колеба­ний.

Значения перечисленных коэффициентов определяют­ся параметрами датчика, параметрами процесса тепло - и массообмена с окружающей средой и температурной характеристикой максимальной упругости водяного пара над насыщенным раствором LiCl. Кроме того, коэффи­циенты уравнения датчика зависят от режима его рабо­ты — от величины напряжения, приложенного к электро­дам, и, что самое важное, от величины измеряемой влаж­ности.

Таким образом, если даже отказаться от рассмотре­ния датчика с распределенными параметрами, приходит­ся считаться с его нелинейностью и переменностью ко­эффициентов. Однако, ограничиваясь малыми отклоне­ниями от рабочей точки (от состояния равновесия), мож­но рассматривать датчик как линейную систему. У ре­альных датчиков величина постоянной времени TD мала и в соответствии с (7-7) датчик можно аппроксимировать линейным колебательным звеном 2-го порядка. Экспери­ментальные переходные и частотные характеристики ре­альных подогревных датчиков подтверждают возмож­ность такой аппроксимации.

Для аналитического получения модели подогревного датчика в [Л. 7-25] использованы уравнения теплового баланса, составленные отдельно для чулочка с нагрева­телем и для термометра сопротивления. Передаточная функция датчика имеет вид:

Wlr'__________ ЬЛій—__________ Z,P + Zg____ — (7.R

УР,—є (P) (УіР + 1) (Угр* + Y3P+ К4)- іу

Где /д — выходная величина датчика температуры; є — упругость водяного пара исследуемого воздуха; Zu Z& Yi—У5—коэффициенты, характеризующие параметры пропитанного чулочка и термометра, а также условия теплообмена.

Можно отметить аналогию между формой переда­точных функций (7-7) и (7-8); последняя отличается введением дополнительного инерционного звена — мно­жителя (Уір+1) в знаменателе..

Математическая модель (7-8) была использована для выбора оптимальных параметров подогревного датчика при помощи моделирования на АВМ, причем критерием оптимальности являлась минимизация длительности пе­реходного процесса. С целью минимизации квадратич­ной интегральной оценки рекомендуется поддерживать скорость воздуха, омывающего чувствительный элемент датчика, в пределах 0,09—2 Місєк.

Для повышения быстродействия датчика следует уменьшать междувитковое расстояние электродов и плот­ность материала чулочка и увеличивать сорбционную поверхность чувствительного элемента.

В заключение нужно еще раз отметить нелинейность характеристик реальных датчиков при значительных от­клонениях от установившегося значения. Одно из ее проявлений заключается в значительном уменьшении бы­стродействия датчика при понижении температуры (в об­ласти отрицательных температур).

Рассмотрим статические свойства гигрометров с элек­тролитическими подогревными датчиками. Как уже ука­зывалось', эти датчики можно использовать лишь в определенных пределах колебаний влажности и тем­пературы контролируемой газовой среды. Нижняя гра­ница определяется уеловием (Tp — равновесная тем­пература датчика; T — температура газа). Это условие вытекает из самого принципа устройства и действия дат­чика. По температуре нижний предел измерений ограничен тем обстоятельством, что кривые давления водяного пара и кристаллизации LiCl (1 и 2 на рис. 7-12) пере­секаются при ttt—36 °С, в связи с чем минимальную температуру газа ограничивают не точкой замерзания насыщенного раствора LiCl, а величиной, близкой К Тмип= 30 С.

Область высоких температур менее ограничена; дав­ление водяного пара-над растворами LiCl измеряли при температурах до 180 °С. Однако при температурах выше 100 °С датчики работают неустойчиво.

Обычно ограничиваются измерением точки росы не выше тМакс=60°С при температуре газа не выше 100 °С.

Указанные ограничения (тМин=—30°С, тМакс=60°С и /макс=Ю0сС, а также Tv>T) определяют область приме­нения, показанную заштрихованной площадью на графи­ках, построенных в координатах: абсолютная влажность или точка росы — температура газа (рис. 7-16,а) и от­носительная влажность — температура газа (рис. 7-16,6). Из графиков видно, что если при отрицательных темпе­ратурах около —20 °С можно измерять только высокую относительную влажность (от 55—60 до Ю0%), то спо-

Вышением температуры нижний предел измеряемой влажности понижается. В интервале температур от 15 до 50 °С можно измерять ф в пределах от 13—15 до 100%. Этот диапазон наиболее благоприятен для применения подогревных датчиков.

■Важным фактором, определяющим пределы и точность измерения, является изменение кристаллогидратного со­стояния хлористого лития (см. стр.249). Некоторые авто­ры считают невозможным измерение в области равновес­ных температур ниже Tv— 19,1 °С, соответствующей пере­ходу от водного соединения LiCl - НгО к высшему кри­сталлогидрату LiCl • 2HgO. Такое условие ограничивает нижний предел измерений температурой точки росЫ Хюш^—10°С. Практически благодаря большей устойчи­вости моногидрата переход к дигидрату происходит при более низких температурах т. Однако в областях, близ­ких к гидратному переходу, может возникнуть неодно­значность показаний гигрометра. В зависимости от на­правления перехода датчик может работать на линии моногидрата или дигидрата, причем разность равно­весных температур Д||р составляет при т=—20 °С Atp= = 3,4 °С, а при х=— 30 °С А/Р=б,4 °С {Л. 7-26]. Вторая зона неопределенности соответствует диапазону 34^. <.т<41 °С.

В. А. Усольцев {Л. 7-23] считает, что лавинообразный процесс образования высших кристаллогидратов вызы­вают локальные понижения температуры чулочка. При­менив малогабаритный датчик со специальным режимом включения (переход от осушенного воздуха к влажному), он не наблюдал погрешностей от изменения кристалло - гидратного состояния соли вплоть до т=—40 °С.

Вторым существенным фактором является температу­ра T исследуемого газа.* Естественная выходная величина влагочувствительного элемента датчика — равновесная температура Tv раствора LiCl на поверхности чулочка — консервативна в отношении температуры окружающей среды. Однако выходная величина-датчика в целом мо­жет отличаться от /р на величину, зависящую от градиен­та температур поверхности чулочка и чувствительного элемента.

На величину температурного градиента влияют как количество выделяемого тепла і(величина, меняющаяся в широких пределах в зависимости от режима ра­боты датчика), так и температура окружающей среды. Поэтому температура окружающей среды влияет на бы­стродействие и динамические погрешности датчика. О влиянии T на статическую характеристику датчика су­ществуют противоречивые мнения. Некоторые исследова­тели {Л. 0-4] считают необходимым введение поправки на температуру окружающего газа, т. е. рассматривают, ее изменения при точке росы х= const как источник си­стематической погрешности-датчика. Известен ряд пред­ложений, направленных на устранение этой погрешности. Предлагалось автоматически вводить в результат изме­рения поправку, являющуюся функцией tux, или ра­ботать на одной и той же точке сорбционной изотермы стекловолокна, для чего применялась система авто­матической стабилизации силы тока нагрева дат­чика.

Указанные способы сильно усложняют датчик или из­мерительное устройство, а необходимости учета темпера­туры T противоречат экспериментальные данные, относя­щиеся к подогревным датчикам различных типов. По­грешности от изменений T, как и некоторые другие свойства датчиков, зависят от их конструктивного выпол­нения. При наличии в датчике металлической гильзы, покрытой слоем лака, или защитной стеклянной трубки, толстого слоя стекловолокна и т. п. существует устано­вившийся (остаточный) градиент температур между по­верхностью чулочка и чувствительным элементом термо­метра; рациональная конструкция датчика устраняет или минимизирует этот градиент и температурную погреш­ность.

Подогревные датчики могут работать в любых сре­дах, не воздействующих на раствор LiCl и не являющих­ся взрывоопасными.

Обычные изменения атмосферного давления не ока­зывают влияния на характеристики подогревных датчи­ков. Они могут работать и при повышенных давлениях— до нескольких сотен кгс/см2. В этих условиях необходи­мо принимать меры для устранения повышенных потерь тепла датчика в окружающую среду, которые могут в пределе превысить приток тепла от нагревателя. Одним из возможных решений является подогрев газа, находя­щегося под высоким давлением, до его соприкосновения с чувствительным элементом датчика.

В отличие от психрометрических датчиков подогрев­ные работают без значительных' погрешностей в непо­движном воздухе. Напротив, повышение скорости газа выше определенного предела (несколько метров в секун­ду) нежелательно, так как это приводит к усиленному охлаждению чувствительного элемента и нарушению его нормальной работы. Аналогичное явление наблюдалось и при работе подогревных датчиков в газовых смесях ■с высоким содержанием (свыше 50%) водорода, обу­словливающим значительное повышение теплопроводно­сти газа.

В промышленных гигрометрах чувствительный эле­мент датчика для защиты от сильных воздушных по­токов (а также для уменьшения отложений пыли) обыч-

Но закрывают металлической сеткой. Увеличение (в Дб* пустимых пределах) скорости газового потока повышает быстродействие датчика, а наличие защитной сетки уменьшает его.

Подогревные датчики значительно менее чувствитель­ны к механическим (электрически непроводящим) за­грязнениям и запылению, чем гигрометрические датчики большинства других типов. В случае сильного загрязне­ния чулочек промывают или кипятят в дистиллированной воде, а затем пропитывают вновь раствором LiCl; по­вторная пропитка - восстанавливает нормальную работу датчика и после стекания раствора.

Подогревные датчики взаимозаменяемы и могут иметь единую стандартную градуировку, если этим качеством обладают использованные в них термометрические дат­чики.

Погрешности от старения серийных подогревных дат­чиков при испытаниях в течение 17 мес. |[J1. 7-27] со­ставляли в среднем 1±0,5°С (по температуре точки росы).

Как вытекает из сказанного, электролитические подо­гревные датчики обладают определенными преимущест­вами по сравнению с другими. С применением этих дат­чиков легко автоматизировать контроль и регулирование влажности. Они обладают большей надежностью и тре­буют меньшего ухода, чем электрические гигрометры других типов. Однако преимущества подогревных датчи­ков можно реализовать только в рассмотренных выше пределах их применения; эти пределы уже, чем в ряде электрических гигрометров других типов, что является существенным недостатком. Точность этих датчиков тоже не всегда достаточна.

Электролитические подогревные датчики, - появившие­ся в конце 40-х годов, имеют широкую область примене­ния, охватывающую метеорологические измерения (включая телеметрические системы), контроль и регули­рование влажности в промышленности, в системах кон­диционирования воздуха производственных и жилых по­мещений, в установках централизованного контроля влажности воздуха в складских помещениях, корабель­ных трюмах и т. п. Миниатюрные подогревные датчики применяются в научных исследованиях, например, для измерения влажности воздуха между телом человека и отдельными слоями его одежды.