Измерение влажности

1.

Тема 2. ИЗМЕРЕНИЕ
ВЛАЖНОСТИ

2.

СОДЕРЖАНИЕ ТЕМЫ
2.1. Психрометрический метод измерения влажности.
2.2. Деформационные гигрометры.
2.3. Конденсационные гигрометры.
2.4. Электролитические гигрометры.
2.5. Сорбционные гигрометры.
2.6. Радиационные гигрометры.
2.7. Конденсаторные гигрометры.

3.

Параметры влажности
С понятием «влажность воздуха» связаны следующие величины:

4.

Параметры влажности
С понятием «влажность воздуха» связаны следующие величины:
1. Абсолютная влажность воздуха – а – масса водяного пара,
содержащаяся в единице объема воздуха.
2. Парциальное давление водяного пара – е.
3. Давление насыщения – Е. E = max e.
4. Относительная влажность воздуха f
e
100% .
E
5. Массовая доля водяного пара – с – количество водяного пара
в единице массы воздуха.
6. Температура точки росы – td – та температура, при которой
водяной пар становится насыщенным (f = 100%).

5.

Параметры влажности

6.

Параметры влажности

7.

2.1. Психрометрический метод.
Психрометрический
метод заключается в
измерении разности
температур между сухим
и смоченным
термометрами.
С поверхности смоченного термометра
происходит испарение воды.
Затраченное тепло уходит с водяным
паром, температура смоченного
термометра понижается.
Скорость испарения тем больше, чем ниже относительная
влажность. Разность температур между сухим и смоченным
термометром зависит от влажности.

8.

2.1. Психрометрический метод.

9.

2.1. Психрометрический метод.
t ' - температура смоченного термометра,
t - температура сухого термометра,
e - парциальное давление водяного
t
z
e; t
Q3
пара,
E ' - давление насыщения при
температуре t ' ,
Q1
t
E
Q2
Q1 - поток тепла, связанный с
испарением,
Q2 - поток тепла из воздуха к
охлажденному термометру,
Рис. 2.1.1. Смоченный термометр.
Q3 - поток тепла по стержню
термометра к охлажденному
резервуару.

10.

2.1. Психрометрический метод.
t’
t
t
e; t
Q3
Q1
t
Q2
E
Q1 Q2 Q3
Q1 Q2 Q3
Q1 Q2 Q3
τ
Рис. 2.1.2. Изменение температуры
смоченного термометра.
Температура смоченного термометра постоянна при условии:
Q1 Q2 Q3
(2.1.1)

11.

2.1. Психрометрический метод.
Психрометрическая формула:
Где:
e E Ap (t t )
А - психрометрический коэффициент.
a
A A 1
V
А
V
Рис.2.1.3 Зависимость психрометрического
коэффициента от скорости ветра.
Для термометров ТМ-4 психрометрический коэффициент
принимается равным A = 7,947 10 -4 К-1. Скорость ветра внутри
будки принимается равной 0,8 м/c.

12.

2.1. Психрометрический метод.
|S|, K/%
Чувствительность
психрометра отрицательна,
т.к. при увеличении
влажности Δt уменьшается.
0,1
-30
0
30 t, C
Рис. 2.1.4. Зависимость чувствительности
психрометра от температуры.

13.

2.2. Деформационные гигрометры.
Деформационные гигрометры основаны на свойстве некоторых
материалов - волос, органических пленок - изменять свои
размеры при изменении влажности.
Это происходит потому, что
волосы и другие
органические материалы
имеют пористую структуру.
В порах происходит
конденсация водяного пара.
Волос растягивается.
Рис. 2.2.1. Структура
человеческого волоса.
Длина волоса связана с влажностью логарифмической
зависимостью. Поэтому шкалы таких приборов нелинейные.

14.

2.2. Деформационные гигрометры.
На этом основан волосной гигрометр
(рис.2.2.2)
1 – человеческий волос,
2 – рама для крепления,
3 – стрелка с противовесом,
4 – шкала.
Рис. 2.2.2. Волосной
гигрометр.

15.

2.2. Деформационные гигрометры.
1 – органическая пленка,
2 – стрелка с противовесом,
3 – шкала.
Рис. 2.2.3. Пленочный
гигрометр

16.

2.2. Деформационные гигрометры.
Пучок волос
Рис.2.2.4. Волосной гигрограф.

17.

2.2. Деформационные гигрометры.

18.

2.2. Деформационные гигрометры.

19.

2.3. Конденсационные гигрометры.

20.

2.3. Конденсационные гигрометры.
По определению температуры
точки росы:
fd
e
1
Ed
e Ed
Зная температуру точки росы td , можно
рассчитать Ed и определить относительную
влажность при температуре Т:
f
e Ed
E E
Температуру точки росы можно определить
по появлению конденсата на поверхности
металлического зеркала. Этот процесс
выполняется автоматически.

21.

2.3. Конденсационные гигрометры.

22.

2.3. Конденсационные гигрометры.
B
К источнику
тока
VD1 – светодиод,
VD2
VD1
VD2 – фотодиод,
О
У
З
Х
Х
Рис. 2.3.1. Автоматический
конденсационный гигрометр.
О – объектив,
З – металлическое
зеркало,
Х–
микрохолодильники,
У – усилитель.

23.

2.3. Конденсационные гигрометры.
Диод –
полупроводник:
-+
-+
Светодиод – испускает
свет при прохождении
тока:
Фотодиод – проводит
электрический ток при
облучении светом:
+
-
+
-

24.

2.3. Конденсационные гигрометры.
B
Свет
светодиода
Пучокотсвета
VD
VD
VD
1 превращается
Фотодиод
отражается
от
объективом
ОТок
в от
Усиленный
ток
открывается.
О
зеркала
и
попадает
При достижении
У
параллельный
и.
поступает
на
источника
В
проходит
на
фотодиод
VD
Свет
не
попадает
2 на
температуры точки
поступает
на зеркало
микрохолодильники.
на
усилитель
При
температуре
фотодиод
и
росы td на онУ. выше
З
З.
Они
начинаютТок не
tповерхности
Х
Х
закрывается.
d конденсат зеркала
работать.
испаряется.
Свет снова
идет на
образуется
Температура
зеркала
отражается
от
зеркала
микрохолодильники,
и
конденсат.
понижается.
и
процесс
повторяется.
они
не работают.
Отражение
Таким образом, температура зеркала
Охлажденное
зеркало
становится
Автоматический
конденсационный
гигрометр
незначительно колеблется около точки росы. Её
нагревается
диффузным.
представляет
собой
еще один
пример
следящей к
можно измерить
терморезистором,
подклеенным
окружающим
системы
с отрицательной
обратной
связью.
внутренней
поверхности зеркала.
воздухом.
К источнику
тока
2
1

25.

2.3. Конденсационные гигрометры.
S, K/%
f=0,2
0,8
0,6
f=0,4
0,4
f=0,8
0,2
-30
-20
-10
0
10
20
30
tC
Рис.2.3.2. Чувствительность конденсационного гигрометра в
зависимости от температуры и относительной влажности воздуха.

26.

2.3. Конденсационные гигрометры.
Чувствительность конденсационного
гигрометра в несколько раз выше
чувствительности психрометра!
За точность измерения необходимо платить
временем, затраченным на измерение!
Конденсационные гигрометры являются
одними из самых точных приборов для
измерения влажности воздуха. Однако, в
метеорологических измерениях их
употребляют редко из-за их инерционности.

27.

2.3. Конденсационные гигрометры.

28.

2.3. Конденсационные гигрометры.
FPH охлаждает небольшое
полированное
металлическое зеркало,
расположенное в потоке
воздуха, до тех пор, пока на
зеркале не образуется
тонкий слой росы или инея
(конденсата).
Структурная схема гигрометра
точки замерзания NOAA (FPH)

29.

2.4. Электролитические гигрометры.
Электроды
Пленка,
пропитанная
раствором
Если оставить раствор на
воздухе, то практически всегда
Е* = е.
E E 1 i c
Подложка из
пластика
Рис. 2.4.3. Датчик влажности (гигристор).
E* - давление насыщения над раствором,
i – коэффициент Вант-Гоффа,
С – концентрация раствора,
μ – относительная молекулярная масса
воды,
μ* – относительная молекулярная масса
растворенного вещества.

30.

2.4. Электролитические гигрометры.
Зависимость сопротивления пленки с
электролитом от влажности R(f)
R
0
1
f
При увеличении влажности зависимость отличается от той,
которая наблюдается при ее уменьшении. Это – гистерезис.

31.

2.4. Электролитические гигрометры.
f
R
f
0
1
f
Гистерезис проявляется из-за запаздывания реакции
внутренних слоев на изменение влажности. Внутренний слой
сохраняет память о предыдущем состоянии раствора.

32.

2.4. Электролитические гигрометры.
Погрешности электролитического гигрометра.
1. Гистерезис пленки.
Способ уменьшения – использование тонких пленок.
2. Разложение раствора электрическим током.
Способ уменьшения – использование переменного тока.

33.

2.4. Электролитические гигрометры.
3. Температурная погрешность.
Способ уменьшения – компенсационная схема.
Схема f
i(f,t)
Сумматор
Схема t
Выход
i(f)
i(t)
Рис. 2.4.5. Схема термокомпенсации.
Если при изменении t ток со схемы f увеличивается, то ток
со схемы t уменьшается на ту же величину. Сумма токов
зависит только от влажности.

34.

2.5. Сорбционные гигрометры.
Сорбционные гигрометры имеют такой же датчик, как
электролитические. Но соль в пленке сорбента содержится в
сухом виде и ее количество гораздо больше.
Однако, зависимость сопротивления от влажности для
сорбционного гигрометра противоположная
R
1
2
f
При изменении влажности
концентрация раствора не меняется.
Изменяется лишь масса насыщенного
раствора.
Зависимость сопротивления от
влажности: 1- для электролитического
гигрометра; 2 - для сорбционного.
Погрешности этого метода – те же, что и для электролитического

35.

2.6. Радиационные гигрометры.

36.

2.6. Радиационные гигрометры.
Молекула водяного пара
Собрав такую установку, можно измерить абсолютную влажность
воздуха.
J0
J
l
Фотоприемник

37.

2.6. Радиационные гигрометры.
Известно, что каждый газ имеет полосу поглощения.
Самая глубокая полоса поглощения водяного пара имеет
максимум на длине волны λ = 694,383нм – в ближней ИК
области.
Если на расстоянии l от источника находится приемник света, то
принятое излучение J определяется законом Бугера-Ламберта:
J J0 e
k l a
(2.6.1)
k - массовый показатель поглощения k м 2 / кг
a - абсолютная влажность воздуха.
,

38.

2.6. Радиационные гигрометры.
Погрешности радиационных гигрометров.
1. Влияние селективно поглощающих газов с полосой
поглощения, близкой к Н2О (прежде всего, углекислый газ СО2).
Путь уменьшения: принцип «мухи и слона».

39.

2.6. Радиационные гигрометры.
CO2
Фотоприемник
Рис. 2.6.2. Углекислотный фильтр.
Основное поглощение излучения углекислым газом происходит в
фильтре. Небольшие вариации СО2 в атмосфере не оказывают
влияния.

40.

2.6. Радиационные гигрометры.
2. Влияние неселективно поглощающих примесей – аэрозолей.
Путь уменьшения: применение двух лазеров с
различными длинами волн.
1
2
CO2
CO2
J1
J2
Фотоприемник
1
Фотоприемник
2
1 - в полосе поглощения Н2О.
2 - вне полосы поглощения Н2О, но рядом с ней.
Тогда отношение
J1
зависит только от содержания водяного пара.
J2

41.

2.6. Радиационные гигрометры.
3. Влияние паразитных источников излучения.
Путь уменьшения – модуляция (прерывание) сигнала
В данном случае можно применить импульсный лазер с
известной частотой импульсов.
Достоинства радиационных гигрометров.
1. Полное отсутствие инерции.
Недостатки радиационных гигрометров.
1. Необходимость достаточно протяженной базы.
2. Сложность изготовления и высокая стоимость.

42.

2.7. Конденсаторные гигрометры.

43.

2.7. Конденсаторные гигрометры.
Емкость конденсатора С определяется по формуле:
C
S
d
0 s
d
S – площадь пластин конденсатора,
d – расстояние между пластинами,
ε – диэлектрическая проницаемость
диэлектрика.

44.

2.7. Конденсаторные гигрометры.
С другой стороны, диэлектрическая проницаемость воздуха
зависит от влажности f :
a
E
1 ( p b f )
T
T
(2.7.2)
Здесь а, b – размерные константы,
Т – температура по шкале Кельвина,
p – атмосферное давление,
Е – давление насыщения.
Следовательно, емкость конденсатора с воздушным
диэлектриком зависит от влажности. На этом принципе основан
конденсаторный гигрометр.

45.

2.7. Конденсаторные гигрометры.
Чувствительность зависит от температуры и влажности
S, 1/%
10-4
f=0,9
f=0,5
f=0,1
-40
-20
0
+20
+40
t
Рис. 2.7.2. Зависимость чувствительности
конденсаторных гигрометров от температуры.
Видно, что чувствительность конденсаторных гигрометров
невелика, особенно при низкой температуре и влажности.

46.

2.7. Конденсаторные гигрометры.
Достоинства конденсаторных гигрометров.
1. Полное отсутствие инерции.
2. Малые размеры датчика.
3. Возможность обработки и записи электрического сигнала.
Недостатки конденсаторных гигрометров.
1. Малая чувствительность.
Конденсаторные гигрометры выпускаются финской фирмой
«Vaisala».

47.

2.7. Конденсаторные гигрометры.