Устройства, используемые для измерения уровня влажности, называются гигрометрами или просто датчиками влажности. В быту влажность является важным параметром, часто используемым в различных ситуациях, например, при работе различных приборов, в сельском хозяйстве (влажность почвы), а также в повседневной жизни.
Датчики влажности — как устроены и работают
Первичные
преобразователи резистивного типа
· Резистивный
тип чувствительного элемента
(осуществляется преобразование
«влажность-сопротивление»);
·
Логарифмическая зависимость передаточной
характеристики «влажность-сопротивление»;
· Измерение
относительной влажности в естественном
диапазоне;
· Малые
габаритные размеры;
· Стабильность
в работе долгое время;
· Применение:
увлажнители, деувлажнители воздуха,
гидрометры, управление влажностью.
Первичные
преобразователи емкостного типа
· Емкостной
тип чувствительного элемента.
· Высокая
линейность передаточной характеристики
«влажность-емкость»;
· Измерение
относительной влажности в полном
диапазоне;
· Длительный
срок службы;
· Применение:
метеоприборы, увлажнители и деувлажнители
воздуха, кондиционеры, видеомагнитофоны,
видеокамеры, автомобильная электроника,
антиобледенители и т.п.
Датчики
для измерения влажности и температуры
· Резистивный
или емкостной типы чувствительного
элемента для определения влажности;
· Встроенный
терморезистор для измерения температуры;
· Выходной
сигнал: напряжение для влажности,
сопротивление для температуры.
· Высокая
линейность преобразования.
· На основе
первичного преобразователя емкостного
типа (осуществляется преобразование
«влажность-емкость-напряжение»).
· Высокая
стабильность (1% в год).
· Сменное
защитное канифольное покрытие позволяет
использовать датчики в плохих условиях
окружающей среды.
· Применение:
метеорологические станции, контроль
влажности в производственных помещениях,
устройства для измерения относительной
влажности и т.д.
Датчик
влажности ДВТ-02И создан на базе двух
приборов:
Датчика влажности ДВТ-02 и Индикатора
токовых
сигналов ИТС 4–20
Датчик
влажности ДВТ-02 предназначен для контроля
и регулирования относительной влажности
и температуры газообразных неагрессивных
сред в промышленных, технологических
и лабораторных установках и отображения
измеренных значений на ж/к индикаторе.
Технические
характеристики датчика влажности
ДВТ-02И
Регулятор
влажности предназначен для автоматического
поддержания относительной влажности
воздуха в диапазоне от 20 до 95% с точностью
не хуже ± 1,5%. Прибор (рис. I 20) состоит из
гигрометрического датчика – гигристора
R1, релейного устройства на транзисторах
V2-V4, V7 и блока питания.
На транзисторах
V2-V4 релейного устройства собран триггер
Шмитта. При относительной влажности
воздуха, ниже установленной на шкале
переменного резистора R3, транзистор V4
открыт до насыщения, и на диоде V5 имеется
таксе напряжение, которое закрывает
транзистор V2. Транзистор V7 выходного
каскада также закрыт положительным
напряжением на конденсаторе С2. Реле К1
обесточено. Воздух увлажняется.
При увеличении
относительной влажности сопротивление
гигристора R1 уменьшается, а следовательно,
увеличивается отрицательное напряжение
на базе транзистора V2. Когда оно превысит
напряжение на диоде V5, триггер Шмитта
переключится транзистор V2 откроется,
a V4 закроется. Транзистор V7 откроется,
сработает реле К1, контакты которого
управляют исполнительным механизмом.
Для повышения стабильности уровней
срабатывания триггера Шмитта транзисторы
V2 и V4 связаны через эмиттерный повторитель
на транзисторе V3.
О включении
напряжения питания и о режимах работы
регулятора сигнализирует лампа Н1. При
включении регулятора в сеть и малой
относительной влажности ток через лампу
HI ограничивается резистором R9*, и она
светится слабо. Увеличение относительной
влажности вызовет срабатывание реле
К1, шунтирование резистора R9* контактами
К1.1 и яркое свечение лампы HI.
В регуляторе
реле К1 – РПУ-2 или РПГ на напряжение 24
В. В объектах с агрессивными или
взрывоопасными средами реле К1
герметизируют.
Трансформатор
Т1 намотан на магнитопроводе ШЛ12 X 16.
Обмотка I содержит 5300 витков провода
ПЭВ-1 – 0,1, обмотка II – 480 витков провода
ПЭВ-1 – 0,35, III -145 витков провода ПЭВ-1–0,21.
Сигнальная лампа HI – КМ на 24 В и 35 мА.
Налаживание
регулятора начинают с подбора резистора
R2* для установки границ шкалы резистора
R3, а затем градуируют шкалу. Для этого
гигристор и контрольный психрометр
помещают в камеру с изменяющейся
влажностью. Психрометром определяют
влажность в камере и, изменяя сопротивление
резистора R3, добиваются срабатывания
реле К1. Каждому значению влажности в
камере соответствует свое положение
движка резистора R3. По полученным точкам
строят шкалу регулирования влажности.
При
эксплуатации автоматического регулятора
следует избегать конденсации влаги на
гигристоре. Изменение характеристик
датчика от запыления можно предотвратить,
установив его вертикально и поместив
в защитный кожух.
Гигростат
в комнатном исполнении HGMINI
Гидростат
типа HG mini является контроллером с
двухпозиционным (вкл выкл)
Регулированием
относительной влажности воздуха. Он
используется для управления работой
увлажнителей и осушителей в офисах,
компьютерных комнатах. Другими областями
применения являются хранение пищевых
продуктов, склады для хранения овощей
и фруктов, теплицы, текстильная продукция,
бумажная и печатная промышленности,
производство пленок, медицинские
учреждения. Гидростат HG Mini может
использоваться при решении многих задач
регулирования и мониторинга влажности.
Комнатный
гидростат HG Miniсконструирован таким
образом, что ручка настройки находится
внутри корпуса. Это усложняет доступ к
регулятору посторонних лиц.
Влагочувствительный
элемент, производимый компанией Galltec
под торговой маркой «Polyqa», состоит из
нескольких синтетических нитей, каждая
из которых содержит в себе 90 отдельных
волокон диаметром 0,003 мм. После специальной
обработки нити приобретают гигроскопические
свойства.
Измерительный
элемент абсорбирует и испаряет влагу,
эффект набухания, проявляющийся главным
образом в увеличении длины, передается
системой рычагов микровыключателю с
очень маленьким ходом штока. На изменение
влажности воздуха измерительный элемент
реагирует быстро и точно. При настройке
уставки с помощью ручки регулятора
система рычагов приводится в действие
таким образом, что когда достигается
установленное значение влажности
воздуха, активируется микровыключатель.
Измерительный
элемент располагается внутри корпуса
и должен быть защищен от попадания пыли,
грязи и воды. Данные гидростаты
сконструированы для систем с нормальным
атмосферным давлением.
Положение
при монтаже должно быть выбрано таким
образом, чтобы конденсат не мог проникнуть
во внутренние части корпуса. При установке
может быть выбрано любое положение,
когда вентиляционные отверстия
перпендикулярны направлению воздушного
потока.
· Нельзя
допускать прямого контакта гигростатов
с водой (например брызги при уборке
климатических камер и т.п.);
· Место
установки гигростата должно быть выбрано
таким образом, чтобы влажность воздуха
в этом месте соответствовала влажности
воздуха измеряемого помещения;
· Гигростат
должен располагаться в потоке воздуха.
Регуляторы
относительной влажности воздуха типа
ВЧ-510М и ВЧ-536М
применяются
в системах микроклимата животноводческих
помещений. Принцип действия двухпозиционного
регулятора ВЧ-510М и трехпозиционного
ВЧ-536М, работающих в комплекте с первичным
преобразователем ДОВП-1, основан на
методе «нуль- индикатор». При подключении
первичного преобразователя влажности
к влагорегулятору происходит сравнение
напряжения постоянного тока преобразователя
влажности, которое пропорционально
значению относительной влажности
воздуха, с напряжением постоянного
тока, снимаемого с датчика влажности.
Напряжение рассогласования поступает
на модулятор и усиливается при помощи
усилителя переменного тока. В зависимости
от знака напряжения рассогласования
фазочувствительный каскад управляет
работой симметричного статического
триггера в двухпозиционном регуляторе
ВМ – 510М или двумя триггерами в
трехпозиционном регуляторе ВЧ – 536М.
Триггеры
подключены к обмоткам электромагнитных
реле, которые обеспечивают включение
и отключение исполнительных устройств
в системе регулирования.
Влагорегуляторы
ВМ – 510М и ВЧ – 536М выполнены в металлическом
корпусе прямоугольной формы. Их соединяют
с первичным преобразователем отдельным
экранированным кабелем. Длина
соединительного кабеля до 300 метров.
Вероятность безотказной работы прибора
за 2000 часов не менее 0,94. Ниже приводятся
основные технические данные приборов.
Влажность
газов, жидкостей и твердых материалов
– один из важных показателей в
технологических процессах. Влажность
газов, например, необходимо измерять в
сушильных установках, при очистке газов,
в газосборниках, при кондиционировании
воздуха и т.д. Измерение содержания воды
в нефти, спиртах, ацетоне проводят в
процессах нефтепереработки и нефтехимии,
в пульпах – в производстве серной
кислоты и минеральных удобрений.
Измерение влажности твердых сыпучих
материалов занимает важное место в
производстве красок, минеральных
удобрений, строительных материалов;
влажность волокнистых материалов
определяет качество продукции при
производстве бумаги и картона. В данной
курсовой работе мною были рассмотрены
методы и средства измерения влажности,
приборы для измерения влажности, а также
регуляторы влажности, позволяющие
контролировать влажность в помещении
на необходимом уровне.
Влагомеры для газов
С
изменением температуры состояние
влажности
смеси газа меняется. При повышении
температуры из насыщенного влажного
газа смесь газов превращается в
ненасыщенную, и наоборот. Предельное
значение содержания водяного пара в
газовой смеси зависит не только от
температуры, но и от давления. С повышением
давления газовой смеси содержание
водяного пара, соответствующее состоянию
насыщения, понижается, а при понижении
давления — повышается.
Общее
давление газовой смеси р
равно сумме парциальных давлений газов,
составляющих эту смесь. Парциальным
давление каждого входящего в смесь газа
называется давление, которое имел бы
этот газ, если бы он один при той же
температуре, занимал тот же объем, что
и смесь
где
рг—парциальное
давление сухого газа; рв.п.—парциальное
давление водяных паров.
определяется суммой плотностей сухого
газа
,
взятых при парциальных давлениях.
Содержание
влаги в газе характеризуется его
абсолютной или относительной влажностью.
Масса
водяного пара в 1 м3
газа называется абсолютной
влажностью.
Абсолютная влажность может характеризоваться
различными величинами:
1)
массой водяного пара в 1 м3
газа в рабочем состоянии, что численно
равняется плотности водяного пара при
данной его темтературе и парциальном
давлении (f,
г/м3);
2)
массой водяного пара в 1 м3
влажного
газа при нормальных условиях, т. е.
при t=0°С
и fн.вл,
г/ м3;
3)
массой водяного пара в 1 м3
сухого газа при нормальных условиях
(fн.сух.г/м3)
— влагосодержание.
Абсолютную
влажность, отнесенную
к сухому газу
???,
по известной абсолютной влажности,
отнесенной к влажному газу, и наоборот,
определяют по соотношениям
где
804 — плотность
водяного пара, отнесенная к объему газа
при нормальных условиях, г/м3
???.
При
охлаждении влажного газа водяные пары,
находящиеся в нем, начинают конденсироваться.
Температура tр,
при которой водяные пары в газе достигнут
насыщения, называется точкой росы.
Отношение
плотности водяного пара в газовой смеси
к максимально возможной плотности
водяного пара ρmax
при той же температуре или отношение
абсолютной влажности при нормальных
условиях к абсолютной влажности при
полном насыщении называется относительной
влажностью φ, или степенью насыщения
газа.
Относительную
влажность газа φ можно выразить как
отношение парциальных давлений
водяного пара
в
данной газовой смеси к
приведенные
в формулах, имеются в специальных
таблицах.
Для
измерения влажности газа более широко
применяют следующие методы:
психрометрический, при котором влажность
газа определяется по разности температур
сухого и мокрого термометров;
гигрометрический, основанный на измерении
линейных размеров или электрических
параметров влагосорбирующего материала;
весовой; конденсационный (точки росы).
Психрометры.
Психрометрический метод основан на
психрометрическом эффекте, т. е. на
зависимости скорости испарения влаги
от влажности окружающей среды. Психрометр
состоит из двух одинаковых термометров,
у одного из которых, называемого мокрым,
чувствительная часть все время остается
влажной, так как на нее надет постоянно
смачиваемый чулок. При омывании газом
чувствительной части мокрого термометра
вода испаряется. Так как на испарение
воды с поверхности термометра затрачивается
теплота, температура термометра
понижается. В результате возникает
разность температур между сухим и мокрым
термометрами.
Чем
суше газ, тем выше скорость испарения,
тем больше теплоты затрачивается на
испарение влаги, тем больше разность
температур между термометрами.
Психрометрический
эффект определяется зависимостью между
парциальным давлением пара в парогазовой
смеси и показаниями сухого и мокрого
термометров:
где
ρн.м
— парциальное давление насыщенного
пара при температуре смеси tсм;
р
— парциальное давление пара;
А
— психрометрическая постоянная;
В
— барометрическое давление; tc
и tм
— температуры сухого и мокрого
термометров.
Относительную
влажность вычисляют следующим образом:
где
рн.с.
— парциальное давление насыщенного
пара при температуре tc.
В
связи с тем что рн.м.
и
рн.с
однозначно
определяются по tм
и tc,
если А = const, можно получить зависимость:
Величину
А определяют конструктивными и другими
особенностями мокрого термометра.
По
этой разности температур, называемой
психрометрической
разностью, относительная влажность
газа может
быть
найдена по специальным номограммам
(рис. 1) и психрометрическим
таблицам.
Рис.
1. Зависимость
относительной
влажности от температуры
мокрого и сухого термометров
В
плечо моста 1 (рис. ХШ-2) автоматического
психрометра, предназначенного
для измерения влажности
воздуха, включен сухой термопреобразователь
сопротивления 4,
в
плечо моста 2
—
мокрый термопреобразователь
сопротивления 3.
Разность
потенциалов на вершинах
диагонали моста 1
пропорциональна
температуре сухого термометра.
Разность потенциалов на вершинах
а и с диагонали моста 2
пропорциональна
температуре мокрого термометра.
Мосты
1 и 2
работают
в неравновесном режиме; таким образом,
на вершинах b
и
с
диагонали
двойного моста имеется разность
потенциалов,
пропорциональная разности температур
сухого и мокрого
Термометров, т. е. психрометрической
разности.
Напряжение,
усиленное с помощью электронного
усилителя 6,
подается
на реверсивный двигатель 5,
перемещающий
движок реохорда
и связанный с ним указатель шкалы до
положения равновесия
измерительной схемы. При этом положение
движка реохорда
является мерой психрометрической
разности, т. е. относительной
влажности контролируемого газа. Таким
образом осуществляется
непрерывное автоматическое измерение
относительной
влажности.
Аспирация
термометров осуществляется с помощью
вытяжного устройства,
вентилятор которого отсасывает воздух
измеряемой среды,
обдувает им термопреобразователи
сопротивления. Вода для
смачивания чулка мокрого термопреобразователя
сопротивления
поступает из специального бачка
автоматически постоянно.
Выпускаемый
серийно психрометрический автоматический
гигрометр
типа АПГ
Рис.2.
Схема
автоматического психрометра с
термопреобразователем
сопротивления
Электрические
гигрометры. В
гигрометрическом методе измерения
влажности газов использована зависимость
электрических параметров
влагосорбирующих материалов от влажности
газов, при
этом чувствительный элемент находится
в гигрометрическом равновесии с
измеряемым газом. В промышленности
применяют следующие
разновидности датчиков электрических
гигрометров: электролитические,
электролитические с подогревом и
сорбционные.
В электролитических гигрометрах
содержится влагочувствительный
элемент с электролитом.
Изменение
влажности газа вызывает изменение
количества влаги,
содержащейся во влагочувствительном
элементе, что приводит
к изменению концентрации электролита
в нем и соответствующему изменению
его сопротивления или электропроводности.
В
качестве электролита чаще всего применяют
хлорид лития. Измерительные схемы
электролитических гигрометров
представляют
собой различные варианты мостовых
измерительных схем.
Электролитические
гигрометры с подогревом по своему
устройству
близки к электролитическим без подогрева.
Однако принципы
действия их различны. Изменение
электропроводности датчика
вследствие изменения влажности газа
вызывает изменение его
температуры. Таким образом автоматически
поддерживается режим,
соответствующий равновесному состоянию
между парциальным
давлением паров воды в анализируемом
газе и
парциальным давлением пара над насыщенным
раствором электролита. Температура,
соответствующая этому равновесию,
измеряется каким-либо термометром.
Чувствительный
элемент электролитического гигрометра
с подогревом (рис. ХШ-3) представляет
собой тонкостенную трубку 1, покрытую
стеклянной ватой, пропитанной раствором
хлористого лития. На стеклянную вату
намотаны изолированные друг от друга
спирали 4 из серебряной проволоки. Сверху
на элемент надевается металлическая
трубка с сетчатой вставкой 5, которая
задерживает сильные газовые струи.
Внутри трубки 1 помещается малоинерционный
термопреобразователь сопротивления
3, к которому подключен измерительный
(вторичный) прибор 2. Серебряные спирали
питаются переменным током напряжением
24 В.
Рис.
4. Схема
электрического влагомера с пленочным
датчиком ДИВ2
При
подаче напряжения на серебряные спирали
через раствор хлористого лития проходит
электрический ток, вызывающий нагрев
раствора. Раствор нагревается до
температуры кристаллизации хлористого
лития; образование твердой соли приводит
к резкому увеличению сопротивления
между электродами, ток уменьшается, и
температура датчика понижается. Понижение
температуры продолжается до тех пор,
пока вследствие поглощения влаги из
окружающей среды проводимость раствора
между электродами не повысится вновь,
что повлечет за собой увеличение тока
и повышение температуры датчика.
Таким
образом, температура в датчике
автоматически поддерживается на уровне
равновесной, соответствующей влажности
окружающей газовой среды. Для точного
измерения влажности температура
исследуемого газа должна быть ниже
равновесной температуры чувствительного
элемента, но выше точки росы. Вторичный
прибор 2, подключенный к термопреобразователю
сопротивления, градуируется в единицах
абсолютной влажности.
В
сорбционных гигрометрах используется
изменение физических свойств сорбционных
материалов (керамики, микропористых
материалов, оксида алюминия и др.) от
содержания в них влаги, которое
определяется влажностью газа.
Как
правило, с изменением влагосодержания
изменяется либо электрическое
сопротивление, либо емкость, либо тангенс
диэлектрических потерь, либо какой-нибудь
другой параметр измерительного
преобразователя.
Рис.
5. Диаграммы области применения подогревных
датчиков влажности:
а—для
измерения температуры точки росы; б —
для измерения относительной влажности
подогревных
хлористолитиевых датчиков влажности,
где 1 — неустойчивая
работа, 2—
нормальная работа и область 3
—
работа с
ограниченным сроком службы датчика. Из
диаграмм видна ограниченная область
применения датчиков по температуре
измеряемой
среды до 100 °С, а также по температуре
точки росы 60
°С.
Весовые
влагомеры. Весовой
метод определения влажности основан
на поглощении водяных паров из газа
реактивами. Определенное
количество газа просасывается через
U-образные
трубки,
заполненные веществом, жадно поглощающим
влагу (хлорид кальция,
фосфорный ангидрид и др.).
Поглотительные
трубки предварительно взвешивают на
аналитических весах. После этого
через них пропускают определенное
количество газа, учитываемое газовым
счетчиком, и вновь взвешивают.
Приращение веса дает количество
поглощенной из газа влаги;
частное от деления этой величины на
количество прошедшего
газа дает абсолютную влажность газа.
Весовой метод определения
влажности газов применяется в лабораторной
практике и
при исследовательских работах.
Конденсационные
гигрометры. Конденсационный
метод определения
влажности газов заключается в резком
понижении температуры
исследуемого газа, в результате чего
основное количество влаги
выпадает в конденсационном сосуде,
остальной газ становится
насыщенным; измеряя его температуру,
можно определить в
нем содержание водяного пара. Суммируя
эту величину с влагой, оставшейся
в конденсационном сосуде, получим
абсолютную влажность
газа.
В
автоматических конденсационных
гигрометрах используется метод
точки росы, заключающийся в охлаждении
испытуемого газа
до наступления состояния насыщения, т.
е. до точки росы. По
этой температуре, используя таблицы,
определяют влажность контролируемого
газа. Момент наступления точки росы
определяется по появлению росы на
зеркальной поверхности, охлаждаемой
металлической пластинки, соприкасающейся
с контролируемым
газом.
Рис.
6. Схема
автоматического
влагомера точки
росы
Схема
автоматического влагомера точки росы
приведена на рис.
ХШ-6. В камеру 2
через
патрубок 1 поступает очищенный от
примесей и пыли анализируемый газ
постоянного давления, который
затем удаляется по патрубку 3.
Проходя
через камеру, газ омывает
зеркало 12.
На
зеркало от лампы 15
через
линзу 14
направляется
луч света, который, отразившись от
зеркала 12,
попадает
через линзу 13
на
фотоэлемент 9.
Возникающий
в фото-
элементе
ток через усилитель 1 поступает на
регулятор 11, который изменяет питание
нагревателя 5. Зеркало 12 охлаждается
жидкостью, поступающей через патрубок
4 и уходящей через патрубок 7.
Температура
зеркала измеряется термоэлектрическим
термометром 8, подключенным к вторичному,
измерительному, прибору 6. Если на зеркале
нет влаги, то луч света от него практически
без потерь поступает на фотоэлемент. В
этом случае регулятор уменьшает нагрев
охлаждающей жидкости, температура
которой уменьшается до тех пор, пока на
зеркале не выпадет роса. Тогда на
фотоэлемент будет поступать ослабленный
световой поток (падая на зеркало, покрытое
пленкой росы, свет будет рассеиваться)
и регулятор будет увеличивать нагрев
охлаждающей жидкости. Таким образом,
температура зеркала будет поддерживаться
близкой к температуре точки росы.
Вторичный
прибор б градуируют в единицах абсолютной
влажности. Точность измерения 1 %. Такая
высокая точность измерения может быть
обеспечена при работе гигрометра на
чистых газах. При контроле агрессивных
и загрязненных сред, от которых может
меняться чистота поверхности зеркала,
в результаты измерения вносится
дополнительная погрешность, зависящая
от состояния поверхности зеркала.
ВЛАГОМЕРЫ
ДЛЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Содержание
влаги в материале характеризуют две
величины: влагосодержание (абсолютная
влажность) и влажность (относительная
влажность). Под влагосодержанием
понимается отношение массы влаги М,
находящейся в материале, к массе материала
Мо в сухом состоянии:
Под
влажностью ω понимается отношение
массы влаги М, содержащейся в теле, к
массе влажного материала М1
Иногда эти величины
выражают в процентах:
Иногда
эти величины выражают в процентах:
Для
указания содержания влаги в материале
можно применять любую из этих величин.
Переход от одной величины к другой может
быть осуществлен по соотношениям
Существует
несколько методов контроля влажности
материалов:
кондуктометрический,
основанный на зависимости между
влажностью материала и его
электропроводностью;
диэлектрометрический
(емкостный), основанный на зависимости
между влажностью материала и его
диэлектрической проницаемостью;
оптический,
базирующийся на том, что величина
отношения коэффициентов отражения
материалом двух монохроматических
инфракрасных излучений с длинами волн
λ =1,95 мкм и λ = 1,75 мкм однозначно зависит
от влажности;
высокочастотные,
основанные на зависимости между
содержанием влаги в материале и
коэффициентом отражения от него (или
коэффициентом прохождения через нее)
высокочастотного электромагнитного
излучения.
Кондуктометрические
влагомеры.
В результате увлажнения большинство
тел, которые в сухом виде являются
диэлектриками, становятся проводниками.
Зависимость электрического сопротивления
от влажности кожи видна из графика на
рис. 7, выражающего следующую функцию:
где
Rx — сопротивление; A и n — постоянные,
зависящие от исследуемого материала;
ω — влажность материала, % от массы
сухого вещества.
При
измерении влажности кондуктометрическим
методом на результат измерения значительно
влияет ряд побочных факторов (плотность
насыпки пробы, температура, структура
вещества и др.), затрудняющих применение
этого метода в приборах для непрерывного
измерения влажности.
Датчики
кондуктометрических влагомеров
представляют собой два электрода,
конструкция которых зависит от свойств
и структуры измеряемого вещества. Для
определения влажности тканей датчики
имеют форму роликов, для жестких кож
применяются игольчатые датчики,
вкалываемые в материал, для мягких кож
—многоигольчатые датчики, прижимаемые
к поверхности материала грузом. Датчики
для сыпучих материалов снабжаются
устройством, спрессовывающим навеску
между электродами.
Наиболее
распространенными измерительными
схемами кондуктометрических влагомеров
являются: схема омметра постоянного
тока с непосредственным отсчетом и
мостовая схема.
По
принципу измерения проводимости работают
различные влагомеры, применяемые в
промышленности. Влагомер типа ЭВК-1
предназначен для измерения влажности
различного рода кож. Он выполнен в виде
переносного прибора и состоит из
измерителя ИВК-01 и двух датчиков: ДВК-01
и ДВК-02. Первый датчик включает две
стальные иглы-электрода, вкалываемые
в жесткие кожи; второй имеет электроды
в виде зубчатой гребенки (используют
для мягких кож). Влагомер представляет
собой ламповый омметр, собранный на
двойном триоде по схеме балансного
усилителя на шесть диапазонов измерения.
По
такому же принципу построена работа
влагомера типа ЭВК-02, предназначенного
для измерения влажности кож для низа
обуви от 10 до 30 %.
Датчик
влажности кондуктометрического типа
для тканей (рис.8) представляет собой
контактные ролики 2, катящиеся по ткани
3, проходящей через направляющий валик
4. При этом измеряется электрическое
сопротивление ткани по толщине прибором
1. Обычно применяют три параллельно
включенных контактных ролика, один из
которых установлен посередине полотна
ткани, а два других у кромок. Это позволяет
контролировать наиболее важные места
ткани.
Контактные
ролики прижимаются к ткани либо своим
весом, либо дополнительным усилием от
пружины или груза на рычаге. Выходным
сигналом датчика является ток I=U/RX.
Электрическое сопротивление Rx текстильных
тканей, измеренное на постоянном токе
при наличии воды, сорбированной волокнами,
характеризуется уравнением
Кроме
того, сопротивление ткани зависит от
ее температуры. В связи с этими факторами
при использовании датчика влажности
роликового типа необходима индивидуальная
градуировка прибора, так же как и для
большинства кондуктометрических
влагомеров.
Емкостные
влагомеры.
При емкостном методе измерения влажности
используется влияние наличия влаги в
твердом теле на величину диэлектрической
проницаемости.
Рис.
9. Зависимость приращения емкости ∆ С
датчика от влажности ω при измерении
на разных частотах:
а
— для штапельного и шерстяного волокна;
б — для кож хромового дубления
Емкость
конденсатора определенных геометрических
размеров может быть выражена формулой
где
К — постоянная, определяемая геометрическими
размерами и формой конденсатора; ε —
диэлектрическая проницаемость материала,
определяемая его влажностью.
На
рис. 9, а приведена зависимость приращения
емкости в пикофарадах конденсатора от
влажности в процентах для штапельного
и шерстяного волокна; на рис. 9, б — для
кож хромового дубления при разных
частотах измерения.
Датчики
емкостных влагомеров выполняют в виде
двух плоских пластин или двух
концентрических цилиндров, пространство
между которыми заполняется исследуемым
материалом. Для большинства материалов
абсолютная величина емкости датчиков
составляет несколько пикофарад. Во
влагомерах, работающих по принципу
измерения емкости, могут быть использованы
различные схемы измерения.
Рис.
10. Принципиальная схема емкостного
влагомера
Диэлектрическая
проницаемость большинства веществ
зависит также и от температуры. В связи
с этим во влагомерах предусматривается
автоматическая компенсация температуры,
выполняемая различными способами.
Наиболее простой способ компенсации
температуры — параллельное присоединение
к датчику конденсатора с температурным
коэффициентом, равным по величине
температурному коэффициенту исследуемого
материала, но обратным по знаку.
Температурная
компенсация может быть также осуществлена
подбором размеров и материалов электродов
датчика так, чтобы при изменении
температуры изменение размеров
конденсатора и связанное с этим изменение
его емкости компенсировало изменение
емкости, вызванное влиянием температуры
на диэлектрическую постоянную исследуемого
материала. Температурная компенсация
может также осуществляться с помощью
термометра сопротивления или термистора,
включенного в измерительную схему.
Напряжение
небаланса моста, пропорциональное
приращению емкости преобразователя,
которое зависит от влажности ткани,
усиливается в усилителе 3.
Напряжение
с выхода усилителя выпрямляется и
подается в цепь 4, в которую включен
миллиамперметр 5, служащий для измерения
силы тока.
Фильтр,
образованный конденсатором С5 и
резисторами R4, R5, обеспечивает необходимую
постоянную времени измерительного
устройства Т = 3 с.
Рис.
11. Схема
оптического инфракрасного влагомера
Недостаток
емкостных преобразователей, выполненных
в виде конденсаторов того или иного
типа, состоит во влиянии на результаты
измерения (изменения) поверхностной
плотности ткани, так как приращение
емкости преобразователя зависит как
от влажности ткани, так и от ее поверхностной
плотности, поэтому неровнота материала
вносит дополнительную погрешность при
измерении влажности.
Принцип
работы инфракрасного влагомера (рис.
11) основан на измерении влажности по
степени отражения.
Для
получения сигналов, характеризующих
влажность ткани, используют два
монохроматических световых потока с
длинами волн λ1
= 1,75 мкм и λ2=1,95
мкм. Отражательная способность ткани
при λ2=1,95
мкм сильно зависит от присутствия влаги,
а при λ1=
1,75 мкм мало зависит.
Влажность
ткани характеризуется отношением
интенсивности световых потоков,
отраженных от ткани при этих длинах
волн.
Прибор
состоит из оптического преобразователя,
блока измерения и питания 8 и вторичного
показывающего и самопишущего прибора
9 потенциометра КСП-3.
Из
оптического преобразователя световой
поток от осветителей 2 падает на ткань
1. Отраженный от ткани световой поток
оптической системой 3 направляется на
светоприемник 6 (фоторезистор). Перед
фоторезистором вращается с помощью
электродвигателя обтюратор 4 (диск с
вырезами), на котором установлено два
интерференционных светофильтра, имеющих
узкие спектральные полосы пропускания
в области длин волны λ1
и λ2.
Высокочастотные
влагомеры. СВЧ — метод определения
влажности основан на измерении потери
энергии в поле токов высокой и сверхвысокой
частоты. СВЧ-колебания частотой 10’° Гц
и длиной волны 3 см, модулированные
низкочастотным напряжением прямоугольной
формы, проходят по волноводу и в виде
плоской электромагнитной волны попадают
под определенным углом на измеряемый
материал. Волна неполностью проходит
через материал, часть ее отражается и
по волноводу поступает в приемник
электромагнитного излучения — детектор.
Этот сигнал зависит от амплитуды
отраженной волны, которая в свою очередь
зависит от массы воды, содержащейся в
1 м2
поверхности материала.
Измеритель
влажности представляет собой прибор
для измерения коэффициента СВЧ-колебаний,
распространяющихся в свободном
пространстве, при их отражении влажным
листовым или рулонным материалом,
который расположен в плоскости,
перпендикулярной направлению
распространения.
Прибор
(рис. 12) содержит источник 2 СВЧ-колебаний,
направляющую волноводную систему,
излучающую (приемную) антенну 5, устройство
3 разделения излучаемых и принимаемых
колебаний и устройство индикации. Кроме
того, прибор содержит ряд дополнительных
узлов и приспособлений, обеспечивающих
стабильность его работы и уменьшение
погрешности измерений. Для повышения
точности контроля влажности за счет
уменьшения погрешности измерительного
преобразователя, связанной с нестабильностью
источника СВЧ-колебаний и чувствительного
элемента — СВЧ-детектора, использована
схема с созданием двух каналов —
опорного и измерительного и временным
их разделением. СВЧ-генератор,
выполненный на диоде Ганна, генерирует
колебания в диапазоне длин волн λ=
3 см. Напряжение питания на СВЧ-генератор
поступает от стабилизированного
источника 1. СВЧ-колебания от генератора
через устройство 3 разделения
излучаемой и отраженной волн поступают
к ключу 4. При подаче на ключ 4
управляющего напряжения от генератора
13 управляющих напряжений замкнутый
ключ не пропускает СВЧ-колебания в
антенну 5, а отражает их. Отраженные
колебания через устройство 3 разделения
поступают на СВЧ-детектор 7, на
нагрузке которого выделится сигнал,
амплитуда его зависит от амплитуды
сигнала, коэффициента передачи
открытого ключа 4, коэффициента
преобразования антенны и коэффициента
отражения влажного материала 6.
Таким
образом, на нагрузке детектора образуется
последовательность импульсов.
Эти
импульсные сигналы далее усиливаются
блоком усилителей, который осуществляет
временное разделение опорных и
измерительных импульсов.
Опорный
импульс усиливается усилителем 11,
преобразуется в постоянное напряжение
выпрямителем 12 и поступает на управляющий
вход регулируемого усилителя.
Рис.
14. Зависимость показаний СВЧ-влагомера
от изменения толщины материала
На
выходе блока усилителей 8 выделяется
измерительный импульс, который затем
проходит усилитель 9, преобразуется в
постоянное напряжение выпрямителем 10
и по линии связи поступает в блок 14
питания и индикации, далее в блок 15
выходных преобразователей, обеспечивающий
получение стандартных входных сигналов
по току и напряжению.
Градуировку
и поверку промышленных влагомеров
производят путем определения влажности
контролируемых материалов лабораторными
методами. Для влажности газов применяют
весовой метод. Может быть применен также
образцовый гигростат типа ГПТ-130, для
твердых и сыпучих материалов — метод
высушивания, при котором влажность
материала определяется по разности
весов влажного и высушенного материалов.
Виды гигрометров
Емкостные гигрометры в простейшем случае представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в пространстве.. Известно, что диэлектрическая проницаемость воздуха напрямую связана с влажностью, а изменение влажности диэлектрика вызывает изменение емкости воздушного конденсатора.. Более сложный вариант емкостного датчика влажности воздушного зазора содержит диэлектрик, диэлектрическая проницаемость которого может сильно изменяться под воздействием влажности. Такой подход делает качество датчика лучше, чем просто воздух между пластинами конденсатора.
Емкостной датчик влажности
Второй вариант хорошо подходит для проведения измерений относительно содержания воды в твердых веществах. Исследуемый объект размещается между обкладками такого конденсатора, к примеру объектом может быть таблетка, а сам конденсатор присоединяется к колебательному контуру и к электронному генератору, при этом измеряется собственная частота полученного контура, и по измеренной частоте «вычисляется» емкость, полученная при внесении исследуемого образца.
Безусловно, данный метод обладает и некоторыми недостатками, например при влажности образца ниже 0.5% он будет неточным, кроме того, измеряемый образец должен быть очищен от частиц, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость, к тому же важна и форма образца в процессе измерений, она не должна изменяться в ходе исследования.
https://youtube.com/watch?v=wQo0JrWtHUI%3Fwmode%3Dtransparent%26rel%3D0%26feature%3Doembed
Третий тип емкостного датчика влажности — это емкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика.
Резистивный датчик влажности
Такой датчик включает в себя два электрода — они нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, сильно, однако, меняющимся в зависимости от влажности.
Резистивный датчик влажности
Подходящим материалом в устройстве может выступать оксид алюминия. Данный оксид хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа — малая их цена.
Термисторный датчик влажности
Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что термистор — это нелинейный электронный компонент, сопротивление которого сильно зависит от его температуры.
Один из включенных в схему термисторов размещают в герметичной камере с сухим воздухом. А другой — в камере с отверстиями, через них поступает воздух с характерной влажностью (значение которой требуется измерить). Термисторы соединяют по мостовой схеме, на одну из диагоналей моста подается напряжение, а с другой диагонали считывают показания.
Термисторный датчик влажности
В случае, когда напряжение на выходных клеммах равно нулю, температуры обоих компонентов равны, следовательно, одинакова и влажность. В случае, когда на выходе будет получено не нулевое напряжение, то это свидетельствует о наличии разности влажностей в камерах. Так, по значению полученного при измерениях напряжения определяют влажность.
У неискушенного исследователя может возникнуть справедливый вопрос, почему же температура термистора меняется при его взаимодействии с влажным воздухом? А дело все в том, что при увеличении влажности, с корпуса термистора начинает испаряться вода, при этом температура корпуса уменьшается, и чем выше влажность, тем более интенсивно происходит испарение, и тем стремительнее остывает термистор.
Оптический (конденсационный) датчик влажности
Этот вид датчиков наиболее точен. В основе работы оптического датчика влажности — явление связанной с понятием «точка росы». В момент достижения температурой точки росы, газообразная и жидкая фазы — в условии термодинамического равновесия.
Так, если взять стекло, и установит в газообразной среде, где температура в момент исследования выше точки росы, а затем начать процесс охлаждения данного стекла, то при конкретном значении температуры на поверхности стекла начнет образовываться водяной конденсат, это водяной пар станет переходить в жидкую фазу. Данная температура и будет как раз точкой росы.
Оптический (конденсационный) датчик влажности
Так вот, температура точки росы неразрывно связана и зависит от таких параметров как влажность и давление в окружающей среде. В результате, имея возможность измерения давления и температуры точки росы, получится легко определить и влажность. Этот принцип служит основой для функционирования оптических датчиков влажности.
Простейшая схема такого датчика состоит из светодиода, светящего на зеркальную поверхность. Зеркало отражает свет, меняя его направление, и направляя на фотодетектор.
https://youtube.com/watch?v=rvAQ8YC7w1o%3Fwmode%3Dtransparent%26rel%3D0%26feature%3Doembed
В данном случае зеркало можно подогревать или охлаждать посредством специального устройства регулирования температуры высокой точности. Часто таким устройством выступает термоэлектрический насос. Конечно же, на зеркало устанавливают датчик для измерения температуры.
Прежде чем начать измерения, температуру зеркала выставляют на значение, которое заведомо выше температуры точки росы. Дальше осуществляют постепенное охлаждение зеркала.
В момент, когда температура начнет пересекать точку росы, на поверхности зеркала тут же начнут конденсироваться капли воды, и световой луч от диода приломится из-за них, рассеется, а это приведет к уменьшению тока в цепи фотодетектора. Через обратную связь фотодетектор взаимодействует с регулятором температуры зеркала.
Так, опираясь на информацию, полученную в форме сигналов от фотодетектора, регулятор температуры станет удерживать температуру на поверхности зеркала точно равной точке росы, а термодатчик соответственно покажет температуру. Так, при известных давлении и температуре можно точно определить основные показатели влажности.
Оптический датчик влажности обладает самой высокой точностью, недостижимой другими типами датчиков, плюс отсутствие гистерезиса. Недостаток — самая высокая цена из всех, плюс большое потребление электроэнергии. К тому же необходимо следить за тем, чтобы зеркало было чистым.
Гигрометр электронный
Принцип работы электронного датчика влажности воздуха основан на изменении концентрации электролита, покрывающего собой любой электроизоляционный материал. Существуют такие приборы с автоматическим подогревом с привязкой к точке росы.
Часто точка росы измеряется над концентрированным раствором хлорида лития, который является очень чувствительным к минимальным изменениям влажности. Для максимального удобства такой гигрометр зачастую дополнительно оборудуют термометром.
Этот прибор обладает высокой точностью и малой погрешностью. Он способен измерять влажность независимо от температуры окружающей среды.
Популярны и простые электронные гигрометры в форме двух электродов, которые просто втыкаются в почву, контролируя ее влажность по степени проводимости в зависимости от этой самой влажности. Такие сенсоры популярны у поклонников Ардуино, поскольку можно легко настроить автоматический полив грядки или цветка в горшке, на случай если поливать в ручную некогда или неудобно.
Измерение влажности
Влажность
газов, твердых и сыпучих тел — это один
из важных показателей целого ряда
технологических процессов и производств
легкой и текстильной промышленности.
В
тех производствах, где имеется
влажно-тепловая обработка материала и
воздушно-конвективная сушка, влажность
материала после сушки или отжима, а
также влажность воздушной среды внутри
сушилок и отработавшего воздуха являются
главными параметрами качества проведения
технологического процесса и его
технико-экономических показателей.
Влажность
различного рода волокна, кожевенного
полуфабриката, сыпучих химикатов,
древесной щепы и пр.— далеко не полный
перечень материалов текстильной,
кожевенной, трикотажной и обувной
промышленности, где этот параметр
является важнейшим для исходного сырья
и при расчетах с поставщиками.
Влажность
— понятие неоднозначное при применении
его к газам и твердым материалам. Методы
измерения влажности газов и материалов
существенно отличаются.
Для чего нужны гигрометры
В частности, наше здоровье в значительной степени зависит от уровня влажности воздуха. Люди, чувствительные к климату, и те, кто страдает от высокого артериального давления, бронхиальной астмы или сердечно-сосудистых заболеваний, особенно чувствительны к влажности.
Когда воздух становится очень сухим, даже здоровые люди испытывают дискомфорт, сонливость, зуд и раздражение кожи. Сухой воздух часто становится причиной респираторных заболеваний — от ОРЗ и ОРВИ до пневмонии.
Для чего нужны гигрометры
В промышленности влажность воздуха может влиять на сохранность продукции и оборудования, а в сельском хозяйстве однозначно влияние влажности почвы на плодородие и т. д. Здесь спасает использование датчиков влажности — гигрометров. Некоторые технические устройства изначально калибруются со строго необходимой важностью, а иногда для настройки прибора важно иметь точное значение влажности окружающей среды.
Выводы
Перед тем, как покупать датчик, нужно определиться с тем, что вам нужно будет измерять — относительную или абсолютную влажность, воздуха или почвы, какой предвидится диапазон измерений, важен ли гистерезис, и какая нужна точность. Самым точным датчиком является оптический. Стоит обратить внимание на класс защиты IP, на диапазон рабочих температур, в зависимости от конкретных условий, где будет использоваться датчик, подойдут ли вам параметры.
https://youtube.com/watch?v=ND-hRZLMYmU%3Fwmode%3Dtransparent%26rel%3D0%26feature%3Doembed
