ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГИГРОМЕТРЫ ТОЧКИ РОСЫ

Метод точки росы, применявшийся на протяжении многих лет в качестве точного лабораторного метода определения влажности воздуха, за последние десяти­летия стал одним из основных методов автоматического контроля влажности воздуха и других газов. Он нахо­дит широкое применение в промышленности, метеороло­гии, исследованиях атмосферы с помощью летательных аппаратов. При практическом осуществлении метода ■процесс конденсации наблюдается не - на поверхности во­ды или льда, а на поверхности охлаждаемого твердого тела («конденсационной площадке»), которую в даль­нейшем будем называть зеркальцем. Усовершенствова­ние и автоматизация операций охлаждения зеркальца-и обнаружения конденсата на его поверхности преврати­ли определение точки росы т в непрерывный, малоинер­ционный измерительный процесс.

Достоинства гигрометров точки росы — большие пре­делы измерений, вплоть до очень низких т (—100 °С и ниже), в широком диапазоне температур и давлений, охватывающем низкие отрицательные температуры и вы­сокие давления, удовлетворительная точность во всем диапазоне измерений, выходная величина, консерватив­ная по отношению к температуре анализируемого газа, возможность градуировки по температуре, а не по влаж­ности.

Их основными недостатками являются некоторая сложность конструкции (наличие охлаждающего устрой­ства), уменьшение точности измерения с увеличением относительной влажности, зависимость результата изме­рения от характера и состояния поверхности зеркальца, от ее загрязнения.

Измерение температуры точки росы сводится к вы­полнению следующих" операций: 1) понижению темпера - 230 туры поверхности зеркальца; 2) фиксации момента воз­никновения конденсата (в виде росы или льда) на ра­бочей поверхности зеркальца; 3) измерению температу­ры этой поверхности.

Степень автоматизации перечисленных операций определяет тип гигрометра. В неавтоматических гигро - метсах все операции выполняет человек. Полуавтомати­ческие гигрометры характеризуются тем, что одна или две из перечисленных операций выполняются автомати­чески. Наконец, в автоматических приборах автоматизи­рованы все операции, связанные с процессом измерения. Первые два типа охватывают приборы дискретного дей­ствия, третий — гигрометры, предназначенные для'непре­рывного измерения и регулирования. Известно большое количество гигрометров точки росы всех указанных ти­пов, отличающихся своими конструктивными особенно­стями и работой отдельных частей.

Неавтоматические гигрометры точки росы имеют наи­более простую конструкцию и низкую стоимость. Фикса­ция момента начала конденсации несколько условна. Температура появления заметного налета на поверхно­сти зеркальца и температура, при которой этот налет исчезает, значительно разнятся. В неавтоматических гиг­рометрах в качестве - точки росы принимается средняя арифметическая указанных температур, что создает воз­можность субъективных ошибок оператора. В простей­ших .неавтоматических гигрометрах для охлаждения зер­кальца применялись легко испаряющиеся жидкости (эфир и др.). Скорость испарения уменьшается с пони­жением температуры, и этот способ неприемлем при низ­ких т. В полуавтоматических и автоматических гигромет­рах нашли применение охлаждающие смеси, чаще всего смеси твердой углекислоты (сухой лед) с бензином или спиртом (температура —78,6 °С при атмосферном дав­лении). Для более глубокого охлаждения используют сжиженные газы, например азот или жидкий воздух (температура —194 °С).

Полуавтоматические гигрометры позволяют при усло­вии выбора надлежащего охладителя измерять очень низкие температуры точки росы т. Однако при т< <—80 °С сильно возрастает количество газа, необходи­мое для надежного обнаружения глазом слоя конденса­та; соответственно увеличивается длительность одного рпределения. Многочисленные конструкции неавтомати­
ческих и полуавтоматических гигрометров точки росы описаны в {Л. 0-9] и в пособиях по метеорологическим измерениям.

Наибольший интерес представляют автоматиче­ские гигрометры точки росы. Приборы этого типа обладают значительно более высоким быстродей­ствием но сравнению с неавтоматическими приборами и могут работать в автоматических системах. Автомати­ческое фиксирование точки росы по размерам (тблщи - на, диаметр) слоя конденсата является объективным и позволяет правильно выбрать момент измерения и по­высить его точность.

Метрологические и другие технические характеристи­ки автоматического гигрометра точки росы в значитель­ной степени зависят от при­нятого способа охлаждения зеркальца.

Современные приборы это­го типа имеют термоэлек­трическое охлаждение, изме­рительную схему, собранную на статических элементах (магнитных полупроводни­ковых и т. п.), и отлича­ются высокой надежностью, малыми габаритами и ве­сом.

Обобщенная функцио­нальная схема автоматичес­кого гигрометра точки росы приведена на рис. 7-8. Она со­стоит из автоматической сле­дящей системы I и измери­тельной системы II. Входной величиной следящей си­стемы является температура точки росы т исследуемого газа, выходной — автоматически регулируемая темпера­тура 6 зеркальца. Общим объектом для обеих систем является зеркальце 1-2 они не имеют других связей. Физическая величина Х, характеризующая появление и параметры конденсата на охлаждаемой поверхности, преобразуется «детектором конденсата» 3 в величину другого вида (обычно электрическую) хг. На вход регу­лирующего устройства 4 поступает разность текущего и заданного значений Щ—Щ-

Регулирующее воздействие на объект (изМейенйё притока тепла QT и холода Qx) осуществляется с по­мощью двух исполнительных элементов: охлаждающе­го 5 и нагревающего 6 зеркальце. Регулятор 4 может быть плавного или релейного действия и осуществлять регулирование по одному из известных законов.

Вторая система является разомкнутой и состоит из температурного датчика 7, измеряющего температуру О охлаждаемой поверхности зеркальца, и автоматиче­ского прибора 8, измеряющего выходную величину дат­чика.

Отдельные элементы рассмотренной схемы могут быть выполнены на основе различных физических прин­ципов и в различном конструктивном оформлении.

Зеркальце. К материалу и размерам конденсаци­онной площадки предъявляются требования — отсутст­вие сорбции влаги и градиентов влажности (по толщине и радиальных), а также минимальная тепловая инер­ция; последнее обусловлено тем, что температура зер­кальца определяется в динамическом состоянии. При оптическом детектировании росы применяют металличе­ские, тщательно полированные зеркальца, изготовленные из серебра, никеля, нержавеющей стали или других устойчивых - к коррозии металлов; иногда зеркальце из­готовляют из металлов с антикоррозионным покрытием из родия, золота и т. л. Для кондуктометрического де­тектирования зеркальце изготовляется из твердого ди­электрика (чаще-всего стекла) или тонкого слоя диэлек­трика на металлической подложке.

Уменьшение массы зеркальца достигается уменьше­нием его площади и толщины; применялись зеркальца диаметром 1,5—3 мм, а для минимизации толщины зер­кальце выполнялось напылением слоя металла на охлаждаемую поверхность. Однако площадь зеркала определяет порог чувствительности детектора росы и это ограничивает ее минимальную величину.

Датчики для измерения температуры зеркальца. Для измерения температуры рабочей по­верхности зеркальца применяют термопары, проволоч­ные термометры сопротивления и полупроводниковые термисторы. Требованиями, предъявляемыми к датчику любого типа, являются минимальные тепловая инерция и габариты, высокая чувствительность и возможно луч­ший тепловой контакт с 'поверхностью зеркальца.

Детектор конденсата. Наиболее распростра­нен оптический метод обнаружения росы с помощью фо­тоэлементов, в котором используется эффект ослабления светового потока (источником которого обычно служит электрическая лампа накаливания), отраженного и диф - фузно рассеянного металлической зеркальной поверх­ностью, вследствие образования слоя конденсата в твер­дой или жидкой фазе на этой поверхности. Изменение толщины или размеров «пятна» конденсата можно оце­нить по ослаблению интенсивности света, отраженного на фотодетектор (фотоэлемент, полупроводниковый фо­торезистор или фотодиод).

Для уменьшения влияния изменений светового пото­ка, колебаний напряжения и характеристик фотодетек­тора фотоэлектрическое устройство осуществляют по из­вестным схемам сравнения (дифференциальным, уравно­вешенным и т. д.) с применением второго, опорного фо­тодетектора. При этом оптическая система гигрометра

Построена так, что если на основной детектор попадает свет, непосредственно отра­женный от зеркала, то опор­ный воспринимает или часть светового потока осветите­ля или поток, рассеянный зеркалом. Расположение рассмотренных элементов в датчике гигрометра показа­но на рис. 7-9.

Конд-уктомет р и ч е - ский способ фиксации Точки росы основан на изме­рении поверхностного сопро­тивления Rn зеркальца. У стекла, покрытого пленкой конденсата, величина Rn по мере приближения к точке росы уменьшается по закону, близкому к экспоненциаль­ному. Водная пленка образуется на поверхности стекла раньше, чем ее можно обнаружить оптическим спосо­бом, и кондуктометрический метод обладает высокой чувствительностью; он не реагирует также на некоторые факторы (размеры, радиусы кривизны и число капель влаги), оказывающие существенное влияние на оптиче­ские характеристики слоя конденсата. Выходной сигнал кондуктометрического детектора точки росы в известной
степени характеризует массу (толщину) слоя конден­сата между электродами на поверхности зеркальца. Образование конденсата в твердой фазе резко увеличи­вает сопротивление Rn между электродами. Это свойст­во можно использовать для определения фазового со­стояния конденсата, но оно препятствует применению детектора для измерений при отрицательных температу­рах точки росы.

Основным недостатком кондуктометрического способа является зависимость сопротивления Rn от состояния по­верхности между электродами, в первую очередь от за­грязнения этой поверхности. Электроды изготовляют преимущественно в виде тонких слоев металла (напри­мер, платины), нанесенных на поверхность диэлектрика. Для уменьшения величины R„ зазор между электродами уменьшают до десятых долей миллиметра; это, однако, повышает чувствительность детектора к загрязнениям. Предлагалось покрывать поверхность стекла у края каждого электрода клинообразным слоем проводящего материала (например, графита); благодаря этому рас­стояние между электродами можно увеличить до 2 — .10 мм. Более радикальной мерой является выполнение конденсационной площадки в виде слоя гигроскопиче­ской соли (например, - NaCl) [Л. 7-9]. Детектором росы служат два металлических электрода, заложенные в соль вблизи ее поверхности. Конденсация влаги на по­верхности соли при "ее охлаждении до точки росы вызы­вает резкое изменение сопротивления между электрода­ми. Чувствительным элементом детектора может слу­жить также стеклоткань, закрепленная на поверхности зеркальца и пропитанная насыщенным раствором хлори­стого лития.

Родственным кондуктометрическому является детек­тор росы на принципе «гальванического эле­мент а», возникающего при замыкании пленкой конден­сата двух электродов, изготовленных из различных ме­таллов і[Л. 7-10]. У такого детектора отсутствует источ­ник питания током; его выходной величиной является э. д: с. между электродами. О практическом применении этого принципа нет данных.

Радиационные детекторы основаны на по­глощении альфа - или бета-излучения слоем росы (льда). В осуществленных детекторах источником альфа-лучей служил изотоп Ро210, наносимый на поверхность зер­кальца. В одной из первых разработок детектором излу­чения была миниатюрная ионизационная камера. Гигро­метр JJ1. 7-11], использованный для измерения содержа­ния водяного пара в стратосфере, имел детектор по схе­ме сравнения; в опорном канале а-излучение источника ослаблялось эталонным поглотителем. С его помощью вводилось предписанное значение толщины слоя конден­сата; кроме того, 'благодаря схеме сравнения устраня­лось влияние на результаты измерения колебаний плот­ности воздуха в пространстве между источником и де­тектором.

Элементом сравнения служил мультивибратор, на входы которого поступали импульсы обоих каналов, прошедшие через амплитудные дискриминаторы.

Детектор с использованием бета-излучения был вы­полнен в виде тонкого слоя изотопа Ni63, нанесенного рас­пылением в вакууме на поверхность термоэлектрическо­го модуля. В другой конструкции бета-излучение низкой энергии (изотоп С14) рассеивалось площадкой из золота. Достоинством радиационных детекторов является высо­кая чувствительность. Порог чувствительности детектора с альфа-излучением соответствовал поверхностной плот­ности конденсата около 1 мкг/см2, что примерно в 3 ра­за меньше массы, обнаруживаемой фотоэлектрическим детектором. Одной из причин этого является, по-видимо­му, ускорение образования росы на поверхности зер­кала, которая в этих детекторах не полируется и соз­дает ядра конденсации. По некоторым данным альфа - детектор обладает также избирательностью по отноше­нию к фазовому состоянию конденсата.

Наряду с рассмотренными наиболее распространен­ными способами известны и другие, нашедшие лишь огра­ниченное применение. Диэлькометрический детектор был выполнен в виде многопластинчатого воздушного кон­денсатора, подвергаемого попеременно охлаждению и нагреву. Появление между электродами частиц льда или капельной влаги вызывает резкое изменение емкости конденсатора.

Другой емкостный детектор представляет собой кон­денсатор, обкладками которого являются металлическое зеркальце и расположенная параллельно на некотором расстоянии металлическая сетка. Диэлькометрические детекторы, как и кондуктометрические, дают возмож­ность определения фазового состояния конденсата. Де­текторы росы с пьезокварцевыми вибраторами основа­ны на увеличении затухания колебаний кварцевого ре­зонатора тіри осаждении на его поверхности влаги. Квар­цевая пластина с 'большим температурным коэффициен­том частоты ТКЧ, имеющая охлаждаемую поверхность, соприкасающуюся с влажным газом, включается в схему электронного генератора высокой частоты. Образование пленки конденсата на поверхности. кварца вызывает уменьшение амплитуды колебаний или частоты генера­тора. Такой детектор не следует смешивать с пьезоквар­цевыми гигрометрическими датчиками сорбционного ти­па (-см. § 8-2).

Устройства для о х л а ж д е н и я. В автоматиче­ских гигрометрах источником холода могут служить хо­лодильные установки небольшой производительности, компрессионного или абсорбционного типа с примене­нием промежуточной среды—-газа или жидкости для непосредственного охлаждения зеркальца. Для охлаж­дения можно использовать также эффект дросселиро­вания сжатого воздуха или других газов с последующим расширением до атмосферного давления. Этот принцип использован, например, в автоматическом гигрометре ДДН-1 [Л.-0-1]. Его применение целесообразно, если тре­буется измерять влажность сжатых газов, так как в этом случае отпадает необходимость в посторонних источни­ках энергии для холодильника — источником энергии служит сам объект измерения.

Все перечисленные способы охлаждения имеют опре­деленные - недостатки. При 'применении охлаждающих ве­ществ приходится периодически их восполнять; холо­дильные установки громоздки, имеют большую массу и Высокую стоимость.

По указанным причинам и из-за затруднений, связан­ных с использованием перечисленных способов охлаж­дения в автоматической следящей системе, они находят ■применение в автоматических гигрометрах лишь в от­дельных случаях, например для измерения очень низких температур точки росы. Как уже отмечалось, в современ­ных промышленных гигрометрах точки росы общеприня­тым является термоэлектрическое охлаждение с исполь­зованием полупроводниковых элементов.

Термоэлектрическое охлаждение основано на эффек­те Пельтье; основные зависимости, характеризующие это явление, приведены в литературе (см., например, [JI. 7-12]). Для охлаждающих устройств гигрометров превалирующее значение имеет не экономичность охлаж­дения (расход энергии), а достигаемое понижение тем­пературы Л6 (режим максимальной холодо - и теплопро - изводительности). Величина Л'6 определяется электриче­скими и тепловыми свойствами термоэлектродов, но не зависит от их размеров. Наиболее эффективны термопа­ры, изготовленные из полупроводниковых материалов, например твердых растворов на основе теллурида вис­мута: Bi2Te3+Bi2Se3 — для отрицательной n-ветви термо­элемента и Bi2Te3+Sb2Te3 — для положительной р-ветви.

Термоэлектрические охлаждающие устройства, при­меняемые в гигрометрах, состоят из термоэлектрической батареи, охлаждаемой поверхности и системы отвода тепла от батареи. Для получения более низкой темпера­туры холодного спая применяются многокаскадные тер­мобатареи, в которых горячие спаи первого каскада опи­раются на холодные спаи второго, а холодные спаи третьего каскада охлаждают горячие спаи второго и т. д., чем достигается понижение температуры всех горячих спаев. Практически используются два или максимум три каскада: дальнейшее увеличение их числа малоэффек­тивно. При наличии термоэлектрического холодильника плавное регулирование охлаждения и подогрева зеркаль­ца, совмещенного с охлаждающей поверхностью холо­дильника, осуществляется весьма просто и удобно изме­нением силы и направления тока, проходящего через термобатарею. Уменьшению веса и габаритов гигромет­ров и понижению их стоимости способствует также при­менение типовых малогабаритных слаботочных термо­электрических модулей.

К их недостаткам следует отнести неприменимость при очень низких температурах точки росы. Современ­ные термоэлектрические батареи при температуре окру­жающей среды 20—25СС обеспечивают охлаждение зер­кальца относительно температуры окружающего воздуха до -—20 °С для одно каскадного модуля, до —30 -4- 35 °С для двухкаскадного модуля и до —45 °С — для трехкас - кадного. Форсированный теплоотвод с охлаждением го­рячих спаев циркуляцией воды или охлаждающих сме­сей позволяет понизить указанные предельные темпера­туры не более чем на несколько градусов. При этом сила тока, 'протекающего через модуль, находится в пределах от 3—4 до 10 с и больше. при напряжении около 1 в.

Перспективы дальнейшего понижений предельной температуры и уменьшения потребляемого тока связаны с разработкой новых полупроводниковых материалов, обладающих более высокой эффективностью. Предла­галось также использовать для этой цели в сочетании с эффектом Пельтье термомагнитное охлаждение (эф­фект Эттингсгаузена).

Устройство для подогревания зеркаль - ц а. Простейший способ -подогрева зеркальца заключает­ся в использований естественного притока тепла от окру­жающей среды и неохлаждаемых деталей прибора. При этом в автоматическом гигрометре отпадает необходи­мость в источнике-тепла и средствах для изменения его притока. Однако такой «естественный» подогрев не обес­печивает высокого качества - регулирования и, в частно­сти, увеличивает длительность переходного процесса. Поэтому в автоматических гигрометрах обычно преду­сматривают искусственный подогрев, чаще всего элек­трическим током.

Предлагалось также использовать высокочастот­ный индукционный нагрев металлического зеркальца; такой нагрев отличается малоинерционностью и равно­мерностью, но усложняет конструкцию гигрометра и по­вышает его стоимость.

Как уже отмечалось, наиболее простой и удобный способ нагревания зеркальца при применении термоэлек­трического модуля осуществляется реверсированием тока.

Регулирующее устройство состоит из регуля­тора релейного или непрерывного действия и электриче­ского исполнительного элемента. Выбор типа регулятора рассматривается ниже. Регулятор должен не только обеспечить необходимое качество регулирования, но и обладать малыми габаритами и массой, а также высокой надежностью. При применении релейных регуляторов недопустим режим автоколебаний. с большой амплитудой колебаний. В регуляторах обоих типов предпочтительны схемы, построенные на бесконтактных элементах.

Осуществление простейшего закона регулирования — пропорционального — очень упрощает схему регулирую­щего устройства. В качестве примера на рис. 7-10 при­ведена электрическая схема миниатюрного гигрометра, предназначенного для космических исследований, объем которого близок к 25 см3, а масса (без цилиндрического
кожуха диаметром 24 мм) —50 г [Л. 7-13]. Источниками питания служат две батареи напряжением 8,2 в (со ста­билизацией кремниевым стабилизатором) и 1,5 в, 2 а Для питания термопары. Детектор росы имеет два фото­резистора Фі и Ф2 (рабочий и опорный), включенные в два смежных плеча мостовой схемы, уравновешивае­мой задающим потенциометром R. Выход моста подклю­чен к трехкаскадному транзисторному усилителю; пер-

Вый раскад (на триодах 7, Т2) является дифференци­альным, выходной Ті, питает термоэлектрический мо­дуль М.

Перейдем теперь к рассмотрению характеристик гиг­рометра точки росы в целом. Для этого целесообразно описать гигрометр как динамическую автоматическую ■систему. Упрощенная структурная схема автоматическо­го гигрометра с термоэлектрическим охлаждением [Л. 7-14], приведенная на рис. 7-11, базируется на экс­периментальных динамических характеристиках отдель­ных элементов

Согласно {Л. 7-15] модуль в нагруженном состоянии можно описать параллельным согласованным соедине­нием двух типовых линейных звеньев: неидеального диф-

1 Обозначения элементов и сигналов аналогичны принятым на функциональной схеме рис. 7-8.

240
ФеренцирующеГо и апериодического первого Порядка с нелинейным оператором, зависящим от - значения на­пряжения на термоэлементе. Полученная автором экс­периментальная переходная характеристика нагружен­ного модуля типа ТБМ-1 показывает, что при малых отклонениях входного воздействия допустима аппрокси­мация модуля апериодическим звеном первого порядка. Такая аппроксимация приемлема и для модуля вместе

С зеркальцем как элемента системы II (звенья 5-6 и I На рис. 7-11), так как тонкое металлическое зеркальце лишь незначительно увеличивает постоянную времени самого модуля.

Значительно сложнее описание зеркала как объекта управления следящей системы I. Необходимо принять во внимание сложные физические процессы и внешние воз­действия, определяющие динамику процесса образова­ния слоя росы (льда), который в автоматических гигро­метрах непрерывно чередуется с процессом частичного испарения. Важнейшими являются следующие факторы: а) фазовое состояние воды на поверхности зеркальца, неправильный учет которого влечет за собой погрешно­сти измерения; б) переменная скорость охлаждения зер­кальца, сильно уменьшающаяся с понижением т. Очень грубо эту скорость можно описать выражением Dc/Dt= =—k(T—Г0), где а — толщина слоя конденсата; Т, То — текущее и равновесное значения температуры зеркальца;

K — коэффициент, зависящий от Т и некоторых Других величин (вентиляция зеркальца). Для льда и инея вели­чина Da/DT уменьшается в десятки и сотни раз по срав­нению со значениями для росы; в) гистерезис характе­ристик слоя конденсата, в частности оптических, при об­разовании и испарении льда. Ширина гистерезисной пет­ли зависит от значения т, толщины слоя льда, а также от скорости вентиляции зеркальца; г) влияние поверх­ностного натяжения криволинейной поверхности, т. е. радиуса кривизны и размера капелек (эффект Кельви­на), а также концентрации растворенных веществ (эффект Рауля) на равновесное давление слоя конден­сата; д) эффект старения рабочей поверхности зеркаль­ца и ее загрязнений. Особенно опасны загрязнения, кон­денсирующиеся при температурах, близких к измеряе­мым величинам т, а также в виде твердых частиц, соз­дающих на охлаждаемой поверхности ядра конденсации.

В автоматических гигрометрах влияние некоторых из перечисленных факторов удается ослабить. Для устране­ния погрешностей от загрязнений применяется ряд мер, начиная с вертикального расположения охлаждаемой поверхности и фильтрации исследуемого газа и кончая периодической очисткой этой поверхности продувкой чи­стым осушенным воздухом или с помощью дополнитель­ного нагревателя. Роль формы и размеров частиц слоя росы, а также переохлаждения или перегревания зер­кальца уменьшается благодаря тому, что измерения вы­полняются при стабилизированных параметрах слоя конденсата. Однако влиянием этих и других факторов полностью пренебречь нельзя. Математическая модель зеркальца, отражающая достаточно точно все влияю­щие факторы, была бы весьма сложной — нелинейной и с переменными коэффициентами.

Можно, однако, предложить упрощенную линейную модель. Характеристики объекта управления зависят не только от зеркальца и рассмотренных процессов, но и от принципа действия и параметров детектора росы; по­этому правильнее считать объектом совокупность зер­кальца и детектора росы (звенья 2 и 3 на рис. 7-11) и описать его двумя моделями в зависимости от диапазона измеряемых температур точки росы т:

А) при т^ткр (ткР — критическое значение, равное —15-=—20°С) вследствие высокой скорости охлажде­ния, достигающей нескольких десятков градусов в минуту, лед не успевает образоваться и однозначно измеряется температура точки росы. Можно также пренебречь явле­нием гистерезиса и описать объект линейным инерцион­ным звеном с передаточной функцией:

Значение постоянной времени Т2~з, строго говоря, за­висит от т (при т<0°С); практически можно считать Z2-3—const (в малоинерционных гигрометрах не

Превышает нескольких секунд);

Б) при т<т,;р скорость охлаждения и нагрева умень­шается и соответственно увеличивается время, необхо­димое для образования льда и его испарения. Эти про­цессы сопровождаются гистерезисом, которым уже нель­зя пренебречь. Однако в системе, удовлетворяющей в це­лом гипотезе фильтра (благодаря относительно большой инерционности холодильника),.допустима гармоническая линеаризация звена 2-3, имеющего петлевую (гистере - зисную) релейную характеристику. Более грубо его мож­но аппроксимировать линейным звеном с запаздыванием Та, т. е. передаточной функцией статического объекта второго порядка:

K2 Зл ТвР

Величина Т3 является функцией измеряемого значе­ния т и может достичь десятков секунд. Температура точки льда определяется однозначно лишь при т:<—35-ь —40°С — конденсат образуется сразу в твердой фазе. Для диапазона ——20°С существует некоторая неоднозначность при определении фазового состояния конденсата фотоэлектрическим детектором и целесооб­разно введение в регулирующее устройство звена за­держки, обеспечивающего замерзание всего конденсата.

Если учесть, что управляемый выпрямитель (9 на рис. 7-11) аппроксимируется безынерционным звеном, то задача синтеза системы II при принятых упрощающих допущениях сводится к оптимальному выбору закона регулирования и настроек регулятора 4.

Целесообразно использовать для этого моделирова­ние на аналоговых ЭВМ, ввиду того что, как уже отмеча­лось, основные параметры системы (Т, 7V-3, Т3) являют - ся функциями переменной т и могут рассматриваться как постоянные лишь для определенных диапазонов из­менения т. Наиболее подходящим критерием качества регулирования для расматриваемой системы является минимизация интегральной квадратичной оценки, при которой существенно уменьшается максимальное откло­нение, но допускается некоторая колебательность про­цесса.

В fJL 7-14] "показано, - что для диапазона т>—20 °С оптимальным является регулятор пропорционального типа; для т^Г—20 °С (объект со звеном чистого запазды­вания) рекомендуется изодромный регулятор (типа ПИ).

Выбор оптимальной настройки регулятора несложен, ее пи диапазон изменений достаточно узок, чтобы считать параметры звеньев постоянными (например, для —35<^ —20°С или —50sc:t<;—35°С). Задача усложняет­ся при необходимости иметь гигрометр для широкого диапазона т, например —50^т^ +20°С. Можно исполь­зовать регулятор типа ПИ с настройкой по средним зна­чениям параметров, однако в некоторых участках диа­пазона т качество регулирования будет очень низким.

Радикальное решение заключается в применении ре­гулятора с автоматической перенастройкой (изменением параметров) в функции измеряемой температуры т, что, однако, усложнит структуру регулятора и, следователь­но, гигрометра в целом. Паллиативом является автома­тическая коррекция системы, причем корректирующее воздействие может формироваться в функции текущих значений температуры точки росы или силы тока термо­электрического модуля. Оба эти параметра характеризу­ют динамику образования росы (льда), т. е. величину Daldt.

Погрешность измерения можно вычислить, исходя из уравнения Клаузиуса—Клапейрона (6-1). Абсолютная погрешность измерения упругости водяного пара е, со­ответствующая погрешности измерения температуры точ­ки росы (льда) Дт, будет:

* L&t

KT%

Где Тх — температура точки росы. Погрешность измере­ния относительной влажности f составит:

. ЕАе + еАЕ

■ А? =—І—-

Таким образом, погрешность измерения относитель­ной влажности определяется погрешностями измерения температуры точки росы (;Ат) и температуры воздуха (АЕ); при этом предполагается правильное определение фазы конденсата. В свою очередь погрешность Дт имеет две составляющие: первая формируется в результате влияния рассмотренных выше факторов; вторая — по­грешность системы измерения температуры зеркальца — анализируется и минимизируется известными методами измерительной техники. Общая погрешность современ­ных автоматических гигрометров точки росы не пре­вышает ±0,5 °С, а для очень низких точек льда и широ­кодиапазонных приборов ±0,8-4-1 °С.

Инерционность гигрометра точки росы уменьшается с увеличением скорости вентиляции и повышением абсо­лютной влажности воздуха. Для улучшения вентиляции иногда предусматривают сопло, направляющее исследуе­мый газ узкой струей на поверхность зеркальца, и умень­шают до возможных пределов массу зеркальца. Особен­но важно следить за тем, чтобы скорость потока воздуха над поверхностью зеркальца была достаточно высокой, если измерения проводятся при низких температурах.

Постоянная времени современных автоматических гигрометров точки росы, как правило, не превышает не­скольких секунд. Дальнейшее увеличение быстродейст­вия гигрометра, необходимое, например, для зондирова­ния атмосферы, достигается применением наименее инер­ционных измерителей температуры и предельным уменьшением массы зеркальца. Конструкция датчика должна обеспечивать минимальный теплообмен с окру­жающей средой, максимальную подачу и отвод тепла к зеркальцу и от него.

Известны многочисленные конструкции автоматиче­ских гигрометров точки росы. Применение в них термо­электрического охлаждения было предложено в 1955 г. (Л. 7-16]. В последующие годы в СССР было разработа­но много гигрометров с полупроводниковыми термоэлек­трическими холодильниками {Л. 0-1]; зарубежные прибо­ры этого типа описаны в {Л. 0-2 и 0-9].

Было также разработано несколько других модифи­каций обычного метода точки росы; рассмотрим наибо - ле интересные.

Вихревые гигрометры основаны на использо­вании вихревого эффекта {Л. 7-17], реализуемого вихре­вой трубой (труба Ранка—Хилша), которая служит ге­нератором тепла и холода для зеркальца. Она представ­ляет собой гладкую трубу, снабженную тангенциальным соплом, улиткой, диафрагмой с осевым отверстием и дросселем. При поступлении газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, который разделяется на охлажденную составляющую, отводимую через диафраг­му, и подогретую (периферийную), вытекающую через дроссель. С помощью дросселя можно регулировать от­ношение расходов холодного и горячего потоков и их температуры. В разработанных в СССР гигрометрах {Л. 7-17] применена самовакуумирующаяся вихревая трубка, работающая в режиме вакуум-насоса. Благодаря этому создается возможность прокачки и измерения влажности газов при различных значениях давления, в том числе и пониженных до 0,1 кгс/см2. Охлаждаемое зеркальце помещено в сопловой зоне вихревой трубы, имеющей на горячем конце щелевой диффузор; точка росы фиксируется оптическим (фотоэлектрическим) или кондуктометрическим способом. В другой ■конструкции вихревого гигрометра [Л. 7-18] для более глубокого охлаждения зеркальца используется принцип регенера­ции холода с помощью теплообменника.

Компрессионный метод точки росы [Л. 0-9] предназначен главным образом для измерений при низ­ких температурах и нашел некоторое применение в хо­лодильной технике. В гигрометре поддерживают постоян­ную температуру зеркальца и плавно повышают давле­ние контролируемого газа до образования конденсата на зеркальце. Обозначим через р и рх значения давления влажного газа в исходном и конечном состояниях, а со­ответствующие этим давлениям парциальные давления водяного пара в газе — через е и Считая газ (с не­большим содержанием влаги) идеальным, можно напи­сать: Єі/е=р,!р.

Температура поверхности зеркальца поддерживается равной т; при этом она может быть ниже температуры газа на незначительную величину, благодаря чему упро­щается охлаждающее устройство — для охлаждения зер­кальца можно использовать воду или простейший термо­электрический модуль. Кроме того, можно устранить неоднозначность измерения точки росы, соответствую­щую диапазону температур, в котором возможно образо - вйние кристаллов льДа йли капеЛек гіереохЛажДейной воды; для этого достаточно повысить давление р.

Температуре х соответствует давление насыщенного водяного пара Ех. Очевидно, что е, следовательно^

Искомая упругость водяного пара равна:

Измеряя величину давления газа рі в момент пойв* • Л єни я конденсата и зная температуру т и соответствую­щую ей величину можно определить значение е.

В компрессионном гигрометре регулирование темпе­ратуры зеркальца заменено регулированием давления исследуемого газа. Ад и а б атйческй й метод точ* К и росы основан на охлаждении исследуемого газа пу - - тем его адиабатического расширения и определении дав­ления в момент 'возникновения конденсации водяного пара.

Для воздуха основное уравнение адиабатического гигрометра имеет форму:

Где а=0,287; Т, р—начальные температура и давление воздуха; Ти pt-—температура и давление воздуха в мо­мент появления конденсата.

Температура Тх равна температуре точки росы Тх ис­следуемого газа.

Зная величины Тир, можно по результату измере­ния р, определить значение. Тх из формулы (7-6); на прак­тике используются таблицы или графики градуировки, относящиеся к определенному прибору. Адиабатические Гигрометры позволяют определять весьма низкие темпе­ратуры точки росы (—60н 70°С и ниже).