ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Колебательно-вращательный спектр воды в ближ­ней инфракрасной области при длинах волн Я>0,9 мкм содержит ряд интенсивных полос поглоще­ния с центрами около Х = 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 3,6; 6,3 мкм [Л. 9-8].

Поглощение отдельной линии с чйстотой v описыва­ется основным законом спектроскопических определений концентрации — законом Буггера — Беера:

/(v)=/o(v)e-W (9-1)

Или в дифференциальной форме

Dl(y)=—k(v)l{v)dl, (9-2)

Где /о (v) и / (v) — интенсивности излучения до и после прохождения через слой среды массовой толщиной /; Dl(y)—ослабление интенсивности /(v) при прохожде­нии через слой с массовой толщиной Dl K (v) — коэффи­циент поглощения среды при частоте излучения V. 312

В случае смеси газов, у которых поглощение не за­висит от других компонентов смеси,

Где Рг, РгО----- ПЛОТНОСТЬ Г-ГО ГЭЗЭ СООТВЄТСТВЄІІНО В МОМЄНТ

Измерения и при нормальных значениях температуры и давления.

Для немонохроматического излучения, т. е. для групп перекрывающихся линий в интервале длин волн ft*—?-2 величина / является функцией X:

/ = Ь.(Я) (ехр - zidJL

J { Рю Р20 ' PiO J )

(9-4)

Для водяного пара в реальных газах уравнения (9-1) — (9-4) имеют ряд ограничений, связанных как со свойствами водяного пара и газов, так и с аппаратурой, применяемой для исследования поглощения.

Молекулы 'Н20 характеризуются прерывистым спек­тром поглощения, состоящим из многочисленных, близко расположенных линий, различных по протяженности и интенсивности. Реальная величина коэффициента погло­щения k (v) не постоянна, а зависит от концентрации водяного пара (за исключением диапазона очень низких концентраций), величины /o(v), а также парциального давления непоглощающих компонентов смеси. Резуль­таты измерений спектров поглощения зависят от разре­шающей способности спектрометрического прибора, в частности от ширины спектральной щели, которая даже у спектрометров высокого разрешения больше ширины отдельных линий вращательно-колебательных полос Н20.

Перечисленные и некоторые другие факторы приво­дят к необходимости использования функций поглоще­ния, полученных экспериментальным путем и связываю­щих поглощение с величинами концентрации влаги, давления и температуры воздуха. Экспериментальная функция поглощения А измеряется в определенном спек­тральном интервале (частоты vi—v2) и представляет собой отношение радиации, поглощенной слоем среды, к падающей на этот слои:

J['„(v)-/(v)Hv

А=±-------------------------------------------------------

V2

J/.м-

I cfv

Говард и др. [Л. 9-8] на основании эксперименталь­ных данных, полученных при исследовании поглощения искусственных смесей Н20 с инертным газом (сухой азот), моделирующих воздух в условиях нижних слоев атмосферы, предложили следующие формулы:

Для малых значений .интегрального поглощения полос

Vs

J A (v) dv—cwl 12 (p+e)k; (9-5)

V,

Для больших значений интегрального поглощения

J/l(v)tfv=C + DlgH>-f Kg(p+e), (9-6)

Г. де р — полное давление газовой смеси; е — парциаль­ное давление водяного пара;'та — осажденный слой во­ды, равный толщине слоя воды, получаемой при конден­сации водяного пара на всей длине оптического пути.

■Величина W, мм, связана с абсолютной влажностью а, г/м3, и длиной оптического пути I, м, простым соотноше­нием а> = а/10~3.

Эмпирические константы с, K, С, D, К имеют постоян­ное значение в пределах .определенной полосы.

-Формулы Говарда были получены при температурах, близких к +20 °С, и не учитывают влияния температуры; это влияние отражено в уравнении Эльзассера:

A — k У j - уГ Цг Vw, (9-7)

Где ро, Т0 — исходные (градуировочные) давление и аб­солютная температура воздуха; р, Т — эти же парамет­ры исследуемого воздуха; K — коэффициент, величина которого зависит от используемого участка спектра излучения и частично от влагоеодержания воздуха. 314

В 40-х годах в. инфракрасной гигрометрии применй - лись спектрофотометрическйе приборы. В последующем благодаря появлению возможности выделения монохро­матических пучков излучения с помощью узкополосных интерференционных фильтров получили распростране­ние более простые, специализированные ИК-гигромет - ры. Эти приборы по-своему устройству сходны сИК-вла - гомерами (§ 5-3) и тоже могут быть построены по одно - и двухлучевой схеме с применением одно - и двухволно - вого метода измерения. Применение простейшей однолучевой и одноволновой схемы целесообразно, например, в лабораторных приборах при наличии надежного внешнего эталона. Важнейшей разновидностью совре­менных ИК-гигрометров являются двухволновые прибо­ры с автоматическим уравновешиванием (рис. 9-4) [Л. 9-9].

Пучок лучей источника (лампы накаливания /), кол - лимированный плосковыпуклой линзой, модулируется с частотой 60 гц диском 4 с двумя фильтрами (Хав= =,2,60 мкм и /"«т=2,45 мкм), вращаемым синхронным электродвигателем 5. Измерительной камерой служит труба 9, через которую с помощью насоса 15 и клапана 6

Пропускается исследуемый воздух 7. Выходной сигнал детектора излучения — сернистосвинцового фоторезисто­ра 10 (две синусоиды с частотой 60 гц, сдвинутые по фазе на 180°) — поступает на фазочувствительный уси­литель И, управляющий исполнительным реверсивным электродвигателем 12. Уравновешивающим органом служит оптический стеклянный клин 2. При равенстве интенсивностей излучений на обеих длинах волн резуль­тирующий сигнал равен нулю. Появление сигнала рас­согласования вызывает перемещение клина до полной компенсации. Клин связан через электрический преобра­зователь 13 с автоматическим потенциометром 14, шкала которого градуирована в единицах абсолютной влажно­сти воздуха. Для настройки нуля гигрометра использу­ется второй клин 3 с ручным управлением; при этом измерительная камера заполняется сухим воздухом из осушителя 8.

Из конструктивных особенностей других гигрометров заслуживает внимания электромагнитный вибрацион­ный модулятор светового потока с применением одного оптического фильтра, колеблющегося с частотой 60 гц. Используется зависимость спектральной полосы много­слойного серебряного интерференционного фильтра от угла наклона к оптической оси. Сдвиг Хац= 1,3425 мкм И ХЭт= 1,3375 мкм очень невелик, но устранениеі второго фильтра и - вращающегося модулятора упрощает кон­струкцию гигрометра. Дальнейшее упрощение достига­ется отказом от' разложения спектра излучателя и ис­пользованием оптико-акустического метода, применяе­мого и в других областях газового анализа. Если через газ пропускают прерывистое излучение и он содержит компонент, сильно поглощающий излучение данной дли­ны волны, то энергия возбуждения преобразуется в теп­ловую и вызывает возникновение звуковых колебаний с частотой, равной частоте прерывания радиации. Интен­сивность акустических колебаний измеряется обычными методами, например по давлению, создаваемому на мембрану микрофона (мембранного конденсатора). Выпускаемый в ФРГ прибор URAS {Л. 0-9] имеет изме­рительную камеру, через которую протекает исследуе­мый газ, и опорную, заполненную аммиаком, спектр поглощения которого аналогичен спектру водяного пара. Лучеприемник, состоящий из' двух одинаковых частей, разделенных мембранным конденсатором и заполненных газом, Позволяет измерять разность йнтенсивностей из­лучения, прошедшего через обе камеры.

Инфракрасные гигрометры измеряют абсолютную влажность, причем характерной для малых концентра­ций влаги является линейная зависимость поглощения

От У W [уравнения (9-5) и (9-7)]. Основными парамет­рами газа, влияющими на результаты измерения, явля­ются давление и температура, а также содержание в нем поглощающих примесей. При измерениях в при­земном слое атмосферы можно пренебречь колебаниями атмосферного давления, однако измерения в верхних слоях требуют введения поправки на давление. Чувст­вительность инфракрасных гигрометров повышается при увеличении давления и, как у всех спектроскопиче­ских приборов, длины оптического пути. Для увеличения этой длины (без излишнего увеличения размеров при­бора) применяют многоходовые кюветы, например, с многократным отражением пучка. Кроме того, измере­ния. на очень длинных оптических путях создают воз­можность оценки интегрального влагосодержания зем­ной атмосферы, определения вертикальных профилей влажности атмосферы и т. п.; при этом источником излу­чения служит солнечная радиация. Положительной особенностью инфракрасных гигрометров является рост чувствительности с уменьшением упругости водяного пара и связанные с этим широкие пределы измерений — от очень низких влагосодержаний до близких к насы­щению.

Рассмотренные выше модели поглощения позволяют вычислить зависимость поглощения от влагосодержа­ния; однако фигурирующие в них постоянные соответ­ствуют лишь, определенным условиям эксперимента, ввиду чего на практике градуировка инфракрасных гиг­рометров выполняется эмпирически.

Основной областью применения инфракрасных гигро­метров до настоящего времени были метеорологические и аэрологические исследования — получение информа­ции о влагосодержании нижних и верхних слоев атмо­сферы как с помощью наземных приборов, так и путем зондирования с борта самолета, стратостата в свобод­ном пространстве и т. п.

В микрометеорологии и микроклиматологии эти при­боры применялись для исследования микроструктуры

Поля влажности в приземном слое атмосферы, например, для контроля процессов испарения с поверхности почвы и воды. Промышленные применения несколько ограни­чены сложностью и высокой стоимостью гигрометров известных типов, а также влиянием поглощающих при­месей, в частности содержащихся в воздухе газов, полосы поглощения которых перекрываются с полосами водяного пара. Из известных немногочисленных приме­нений отметим испытание упаковочных пленочных мате­риалов на паропроницаемость, а также автоматический контроль содержания капельной влаги в потоке пара в корабельных паропроводах.

Значительно меньше используется в гигрометрии ультрафиолетовая область спектра. Извест­ные ультрафиолетовые гигрометры основаны на погло­щении водяным паром излучения с длиной волны 121,56 нм (лин-ия Л айман-и-изл учения атомарного водо­рода). Выбор длины волны обусловлен тем, что в «ва­куумной» ультрафиолетовой области спектра (Х<350 нм) Главным фоновым газом, влияющим на результаты измерения, является молекулярный кислород; макси­мальная относительная разрешающая способность соот­ветствует линии Лайман-а, на которой коэффициент поглощения водяного пара равен 387 см~1,.а кислоро­да — 0,3 смг1.

Важнейшим элементом ультрафиолетового гигромет­ра [Л. 9-Ю] является источник излучения — специально разработанная газоразрядная водородная лампа, за­полненная смесью'водорода и инертного буферного газа (90% водорода и 10% неона или смесь водорода и арго­на с примесями — менее 1%—кислорода и азота).

При надлежащем выборе давления и силы тока лам­пы она создает очень высокую интенсивность линии Лайман-а; однако срок службы невелик (в пределах 100 ч). Приемником излучения служила фотоиониза­ционная камера, заполненная окисью азота. Источник и приемник имели окна из фтористого лития. Гигрометр построен по однолучевой схеме: ионизационная камера подключена к электрометрическому усилителю с выход­ным записывающим прибором. Выходной ток / усили­теля уменьшается с'ростом упругости е водяного пара по закону, близкому к линейному; увеличение длины оптического пут-и или силы тока лампы вызывает парал­лельное перемещение кривой /(е). Это обстоятельство было использовано для построения ультрафиолетового гигрометра с автоматическим уравновешиванием (рис. 9-5) [Л. 9-11]. Цепь обратной связи, образованная решающим усилителем, подключенным к выходу элек­трометрической лампы, изменяет потенциал управляю­щей сетки пентода, который выполняет роль уравнове­шивающего элемента. Изменение тока ионизационной камеры влечет за собой изменение тока через лампу, выходной прибор гигрометра подключен к выходу ре-

Шающего усилителя. Аналогичная обратная связь ис­пользуется и в схеме двухлучевого гигрометра. Ультра­фиолетовые гигрометры использовались для измерений с борта самолета и в радиозондах; опыт их применения невелик.

В последнее время автором и Б. М. Бржозовским [Л. 9-12] были разработаны гигрометры с оптическим квантовым генератором — лазером. Приме­нение источников направленного, монохроматического и когерентного излучения дает некоторые преимущества по сравнению с рассмотренными гигрометрами. Ширина спектральной линии излучения лазера меньше ширины линии поглощения Н20; это почти полностью освобо­ждает от влияния на показания гигрометра прерывисто­сти спектра поглощения Н20 и уширения спектральной линии в результате взаимодействия с молекулами дру­гих компонентов газовой смеси.

Лазер должен генерировать излучение с длиной волны, соответствующей полосе поглощения водяного пара. С его помощью можно оценить: а) интегральную влажность газовой среды на оптическом пути (расстоя­нии от лазера до приемника), который может быть очень, большим (десятки - и сотий километров); б) среднюю Влажность сравнительно небольшого объема газа.

В обоих случаях принцип действия гигрометра основан на зависимости коэффициента Поглощения исследуемой среды от концентрации водяного пара; можно исполь­зовать также воздействие влагоеодержания на фазовый сдвиг излучения, прошедшего через объект измерения.

Для решения второй из перечисленных задач была разработана установка (рис. 9-6,с), принцип действия которой основан на зависимости добротности оптиче­ского резонатора от коэффициента погло­щения среды, запол­няющей его.

Газовый лазер, ге­нерирующий на волне 1,15 мкм, имеет газо­разрядную трубку 2 и оптический резонатор, состоящий из зеркал 1 и 4. Измерительная ка­мера 3 позволяет про­водить дискретный ана­лиз образцов газа, заполняющего ее полость, или непрерывный — потока газа, проходящего через нее. Камера отделена от зеркал резонатора окнами из оптического стекла, прозрачного для излучения, защищающими поверхность зеркал от механических и химических воздействий исследуемой среды. Изменение выходной мощности, вызванное изме­нением добротности резонатора, воспринимается измери­тельным устройством, состоящим из ф ото'п р и ем'ни к а 5, Выходного преобразователя 6 и показывающего прибора 7. Градуировочная характеристика прибора — зависи­мость показаний N выходного прибора от абсолютной влажности воздуха а (при постоянных температуре и давлении воздуха) приведена на рис. 9-10,6.

Лазер был использован также в «двухпараметриче - ском» гигрометре для измерений интегральной влажно­сти атмосферы на оптическом пути большой протяженно­сти (15 и 65 км) {Л. 9-13]. Однако в этом случае оптиче­ское излучение с длиной волны 0,6328 мкм, нечувстви­тельное к влагосо держанию, служило для создания опорного капала, компенсирующего влияние атмосферно­го давления. Основной — измерительный — канал образо­ван еВЧ-рефрактометром (7=9,6 Ггц). Измерительное
устройство измеряет разность сдвигов фаз в обоих каналах; сигналы обоих каналов модулированы часто­той 80 кгц.

Это один из немногочисленных примеров применения в гигрометрии «многопараметрических» методов; не под­лежит сомнению, что они могут найти в измерениях влажности - газов такое же разностороннее применение, как и 'во влагомерах (§ 5-4). Радиометрические методы применялись для измерения - паросодержания пароводяных смесей (двухфазных систем) в различных элементах котельных агрегатов, паровых турбин, атом­ных реакторов 1[Л. 9-14]. Задача сводится к определению содержания жидкой (капельной) воды независимо от ' состояния и размеров капель без отбора пробы бескон­тактным и - малоинерционным-способом. Показатель каче­ства смеси — паросодержание можно характеризовать различными величиными; чаще всего его 'выражают объемной долей пара в смеси ф, при этом объемная доля воды равна 1—ф. Влажность пароводяной смеси W мож­но также выразить через ее плотность р, если известно давление (или температура насыщения) смеси, 'позволят

Ющее определить плотность сухого насыщенного пара р":

Р

•Изменению W на I % соответствует изменение р всего на 2 ■ Ю-5 г/см3; аппаратура, измеряющая р, должна обладать высокой чувствительностью.

Измерения паросодержания сходны, следовательно, с измерениями плотности 'различных сред по методу ос­лабления интенсивности радиоактивных излучений. В них используют все главные типы радиоактивных излучений: гамма-, бета - и альфа-излучения, чаще всего первые два. Выбор типа излучения зависит от размеров (сечения) объекта измерения и давления смеси. Бета-излучение, обладающее значительно меньшей проникающей способ­ностью, чем гамма-лучи, - применяют при измерениях в объектах малого сечения в области низких давлений. Верхним пределом измерений с помощью бета-излучений можно считать общую массовую толщину объекта изме­рения, равную 1,2 г/см2. Измерения с помощью альфа-лу­чей ограничены областью давлений ниже 0,5—1 кгс/см2. Целью производственных измерений обычно является оценка средних значений 'паросодержания или плотности; в исследовательских работах часто возникают задачи

Измерения локальных значений р или <р для получения картины их распределения по высоте или сечению иссле­дуемого объекта. В первом случае объект просвечива­ют широким пучком гамма - или бета-лучей, во втором— узким (коллимированным) пучком.

Альфа-лучи (изотоп Ри239) "были применены в изме­рительной установке для давлений начиная с 0,03— 0,05 кгс/см2 [Л. 9-15]. Использовались два метода изме­рения— по ослаблению интенсивности излучения и ком­пенсационный. Во втором методе расстояние между излучателем и детекторами заполнено тремя слоями по­стоянной толщины—исследуемой пароводяной смеси, ком­пенсирующей среды (воздух, гелий, аргон) и разделяю­щей их алюминиевой перегородки. Интенсивность альфа - излучения, падающего на детектор, поддерживают постоянной, изменяя давление или плотность компенси­рующей среды; изменение этих параметров характери­зует паросодержание смеси.