Измерване на влажност

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2010

Измерване на влажност

Широко използвани методи за определяне на влажността

    Влажността е един от основните параметри на околната среда и базова характеристика за много газообразни вещества. В много индустриални производства съществуват изисквания за контрол на съдържанието на влага. Атмосферната влажност влияе на усещането за комфорт, а също така е важен параметър за осигуряване на оптимална експлоатация на складови стопанства за хранителни и нехранителни стоки, строителни материали, музейни ценности и др. В този аспект, влажността на продуктите влияе върху себестойността и гарантира дълготрайно съхранение, което важи с особена сила за зърнените храни, фуражите, чая, кафето, месните продукти и т.н. Също така, в индустриални производства, свързани с използване на въздух и други технически газове, с цел оптимално протичане на процеса, е необходимо влажността да се контролира в съответствие с технологичните изисквания. Например, влагата в природния газ влияе върху горивните процеси и е фактор от значение в процеса на експлоатацията на газопроводите и съоръженията.

Характеристики на влажността
За целите на измерването е необходимо да се изяснят редица основни понятия, включително:
Абсолютна влажност. Характеристиката отразява количеството водни пари, съдържащи се в единица обем. Абсолютната влажност се измерва в g/m3. За разлика от относителната, тя не зависи от околните температура и налягане.
Относителна влажност. Отразява в проценти съдържанието на водните пари спрямо максимално възможното при същите условия. Максималното количество на водните пари зависи от температурата и от налягането на околната среда.
В случаите, при които се измерва влажността на атмосферния въздух, се ползват и двете характеристики. Атмосферата би могла да се разглежда като вода, разтворена във въздух. Съответно, когато се достигне до насищане на разтвора, започва да вали. В подобни случаи се говори за 100% относителна влажност. При повишаване на температурата, способността на въздуха да разтваря вода се увеличава. Например, при 20 оС, тя е 20 g, при 40 оС - 60 g, при 60 оС - 120 g, при 80 оС - 270 g, при 95 оС - 450 g. Следователно, при непроменена абсолютната влажност, относителната влажност намалява.
Влагосъдържание. Представлява отношение на масата на водните пари към масата на сухия газ. Измерва се в kg/kg;
Температура на оросяване (точка на роса). Дефинира се като температурата, при която съдържащата се в газа водна пара, достига състояние на насищане и кондензира.
Описаните параметри са свързани графично в психрометрична диаграма. В нея графично са свързани всички параметри, които определят топлинно-влажностното състояние на въздуха за определено барометрично налягане, включително температура, относителна влажност, влагосъдържание, специфична енталпия, парциално налягане на водните пари и точка на роса.

Влажност на твърди тела и насипни материали
За измерване влажността на твърди тела и насипни материали се използват следните понятия:
Влагосъдържание. Дефинира се като отношение на масата на влагата към масата на абсолютно сухото тяло (kg/kg). Изразява се в проценти.
Влажност. Представлява отношение между масата на влагата към масата на влажното тяло.
Използват се различни понятия в зависимост от целите и задачите, които се решават във всяко конкретно приложение. Например, при измерване на ограничено съдържание на влага в чисти газове е целесъобразно да се използва влагосъдържанието, а при транспортиране на газове по газопроводи следва да се знае точката на роса. Когато се измерва влажността на материалите, трябва да се отчита формата на свързване на влагата с материала. Различните форми на свързване оказват влияние върху физичните свойства на материала и резултатите от измерването.
Съществуват различни методи за измерване на влажността. Общото между тях е, че с развитието на микропроцесорната техника приложението се улеснява, а точността се повишава.
Сред наложилите се методи за измерване на влажността е:

Психрометричният метод
Представлява един от базовите методи. Основава се на зависимостта между парциалното налягане на водните пари, паро-газовата смес и показанията на сух и мокър термометър. При класическия подход се използват два живачни термометъра. Единият от тях, наречен "сух", се използва за измерване температурата на газа, а другият термометър, наречен "мокър", е обвит най-често в памук или марля. Тя се поддържа в мокро състояние с помощта на фитил, потопен във вода. Известно е, че процесът на изпарение е свързан с поглъщане на топлина. Колкото по-интензивно е изпарението, т.е. колкото по-сух е газът, толкова по-голямо е охлаждането на "мокрия" термометър. Понижението в температурата продължава до момента, в който загубите на топлина се изравнят с притока на топлина вследствие на конвективния, турбулентния и други видове топлообмен с въздуха. Температурата, която показва "мокрият" термометър, винаги е по-ниска или равна на отчетената от "сухия". Разликата зависи от влажността. На базата на психрометрично уравнение се изчислява относителната влажност на въздуха.
j = (p/pн.с)100 =
= 100/ pн.с [pн.м - Apб (qс - qм)]
В зависимостта qм е температура на "мокрия" термометър; qс - температура на "сухия" термометър; p - парциално налягане на водните пари в паро-газовата смес; pн.м - парциално налягане на наситената пара в температурата на сместа qм; pн.с - парциално налягане на наситената пара в температурата на сместа qс; pб - атмосферно барометрично налягане; А - психрометрична константа. Стойностите на pн.м и рн.с се определят в зависимост от температурите на "сухия" и "мокрия" термометър. При  А = константа, зависимостта има вида
j = f (qс - qм qс).
На базата й се съставят психрометрични таблици, които са различни за отделните конструкции на мокрия термометър. Психрометричната константа А зависи от условията на топлообмен между "мокрия" термометър и околната среда. С цел осигуряване постоянство на константата се осигуряват постоянни условия на обдухване и др. Съществуват и готови таблици за определяне на влажността на газа в зависимост от психрометричната температурна разлика между "сухия" и "мокрия" термометър, температурата и налягането на атмосферния въздух. За разлика от пълното психрометрично уравнение, в тези таблици не се отчитат спецификите на различните конструкции термометри.
Съвременното приложение на метода включва използване на термосъпротивления, благодарение на което се осигурява последваща обработка на електрическите сигнали (линеаризиране и преобразуване от аналогов в цифров вид). Също така става възможно изчисляване влажността на газа от микропроцесорен модул и визуализирането й върху дисплей. Предимство на психрометричния метод е високата му чувствителност при температури по-високи от 0 °С. Недостатъци на метода са малката чувствителност при ниска температура и грешката, внесена от психрометричната константа А.

Друг метод, основан на температурата на оросяване
включва определяне на температурата, при която влагата в газа достигне точката на насищане, т.е. наблюдава се 100% относителна влажност. Класическият вариант включва определяне на температурата, в която започва кондензацията на водните пари, съдържащи се в газа, върху огледало. Температурата му би могла да се променя в целия измервателен обхват. Понижаването на температурата би могло да се реализира с елементи на Пелтие (плочка, съдържаща голям брой термодвойки, която при протичане на ток от едната страна се охлажда, а от другата се загрява. Други подходи са адиабатното разширение на газа, чиято влажност се измерва или използването на външен източник за охлаждане. Моментът на оросяване се определя оптически, с фотоелемент или с друг чувствителен на влага елемент. Съвременните уреди за измерване точката на роса използват и сорбционни чувствителни елементи (алуминиев окис и др.), като при тях, за да се извърши измерване, предварително газът се филтрира, редуцира и дроселира.
На фиг. 1 е илюстриран принципът на работа на капацитивен чувствителен елемент. Функцията на електроди на кондензатора се изпълнява от порест златен филм и алуминиева подложка. Капацитетът се променя в границите от 10 nF до 200 nF, за температура на оросяване от -90 до 30 оС. Уредът се използва в приложения, към които са поставени високи изисквания за отсъствие на влага в газовете. Влагата в газа би могла да нанесе големи повреди на оборудването, тъй като при адиабатно разширение температурата се понижава и водата замръзва. Водещите фирми предлагат уреди, измерващи температура на оросяване в обхвата -100 до 30 °С, при температура на газа над 100 °С  и точност 1 °С. Изходният им сигнал би могъл да бъде аналогов 4 - 20 mА, като те покриват и изискванията за използване във взривоопасна среда.

Хигрометричният метод
се базира на промяна на физичните свойства на някои материали в зависимост от влажността на газа, с който се намират в контакт. Към групата на влагомерите, работещи на основата на този метод, се отнасят уредите с чувствителен елемент, удължаващ се под действие на влагата (например човешки или друг косъм). Друг вид хигрометрични влагомери използват елементи, променящи проводимостта или диелектричната си проницаемост. Характерно за всички тях е, че чувствителният елемент се намира в хигрометрично равновесие с измервания газ. Най-голямо приложение намират следните разновидности на хигрометрични влагомери: електролитни, електролитни с подгряване и сорбционни.
При електролитните влагомери влагочувствителният елемент е във вид на пореста тъкан, която съдържа хигроскопичен електролит. Изменението на относителната влажност на газа води до промяна на влагата в елемента и съответно до електропроводимостта му. За електролит най-често се използва литиев хлорид. Този метод се отличава със съществени недостатъци, сигналът от измерването е нестабилен и се влияе от температурата и концентрацията на електролита.
Електролитните елементи с подгряване са близки като конструкция, но с различен принцип на действие. При тях изменението на електропроводимостта на елемента води до нарастване на тока през него и до загряване, при което настъпва изпарение на порестата тъкан. Следователно, влагата, електропроводимостта, токът и температурата на елемента се намаляват. Описаните процеси продължават до достигане на равновесно състояние на парциалните налягания на водните пари в газа и парите над разтвора на електролита в чувствителния елемент. Отчитаната температура на равновесието зависи от влажността на газа.

В практиката се използват и сорбционни влагомери
основани на свойствата на някои сорбционни материали (микропорести материали, керамики, алуминиеви окиси и полимери и др.) да променят електрическите си параметри под въздействие на влагата.
Известно е, че някои съединения значително увеличават проводимостта си под влияние на водните пари. Обикновено тези елементи се нанасят във вид на тънък филм върху керамична плоча. Изменението на проводимостта е от няколко мегаома - при ниска влажност, до няколко килоома - при висока влажност. Недостатък на елементите е, че след известно време променят характеристиките си, като обикновено съпротивлението им намалява. Причината е в отлагането на соли и други вещества, съдържащи се в атмосферата върху сензора.

Сред видовете уреди за измерване на влажност са и капацитивните влагомери
Работата им се основава на зависимостта между диелектричната проницаемост и влажността. Много често в качеството на капацитивен сензор се използва високомолекулярен полимер (полиестер) или алуминиев окис, който при поглъщане на водните молекули променя електрическия си капацитет. Обикновено тези сензори са с капацитет от около 100 до 1000 pF. Капацитетът им нараства с увеличаване на влажността. Освен от влажността, капацитетът зависи и от температурата. Това налага схемна или програмна компенсация по температура. Капацитивните елементи са подходящи за измерване на относителна влажност в интервала от 10% до 90%, като не се допуска кондензация върху чувствителния елемент. Също така те са чувствителни към органични разтворители.
Подобрени решения на описания метод се използват в индустриални трансмитери за влажност. При тях, върху чувствителния слой се нанася допълнителен полимерен и порест платиниев слой, който има защитна функция. Повечето разтворители, масла и други замърсители не оказват влияние върху стабилността и точността на сензора. Обхватът на измерване е от 0% до 100% относителна влажност. С цел постигане на висока точност се прави температурна компенсация с тънкослоен платиниев термоелемент, монтиран върху същата измервателна плоча. Индустриалните трансмитери за влажност позволяват настройка при полеви условия, както и подмяна на чувствителния елемент при повреда. Изходният сигнал обикновено е от 4 до 20 mА, температурният обхват най-често е от -40 до 80 °С, точността - до 2%, а хистерезисът - 1%.

Измерване влажност на насипни материали и твърди тела
Методите, които се използват за измерване влажността на насипни материали и твърди тела, могат да се разделят на две групи: преки и косвени.
Преките методи са свързани с директно определяне масата на влагата или сухото вещество след изсушаване и измерване на промяната на теглото му. Описаният подход се прилага при измерване влажността на различни продукти. Характеризира се с висока точност, но дълъг период на измерване. Например, при зърно се прилага изсушаване при температура около 140 °С в продължение на 3-4 часа.
Косвените методи се базират на промяната на някои параметри, функционално свързани с влагосъдържанието. Използват се кондуктивни и капацитивни средства за измерване, базиращи се на свойството на материалите и телата с капилярна пореста структура да променят съпротивлението и диелектричната си проницаемост в зависимост от влагосъдържанието. При навлажняване, тези вещества могат да се превърнат в проводници със съпротивление до 10 kW.m. За да се използват косвените методи, е необходима предварителна информация за стойностите на съпротивлението или на диелектричната проницаемост в сухо състояние при дадената температура. Влияние върху резултатите от измерването оказват температурата и структурата на материалите, съдържанието на електролити, типът и контактната площ на електродите и др.
За измерване влагосъдържанието на насипни материали и дървесина се използват също и влагомери, работещи на електромагнитен принцип. Те измерват влагата с помощта на сензор, засичащ промяната на електромагнитното поле в дълбочина на материала без да имат физически контакт с него. Измерването ще бъде коректно, ако предварително е известно специфичното тегло на материала или на тялото в абсолютно сухо състояние.
Водещите в областта производители/компании предлагат разнообразни решения за измерване на влажност, подходящи за широк кръг от приложения, включително за използване в силно агресивни или взривоопасни среди. Опционално, тези прибори поддържат възможности за едноточкова настройка, калибриране на място и резервираност на чувствителния елемент. Посочените възможности дават свобода на проектантите и инженерите по поддръжка при намиране на най-доброто решение от технологична и метрологична гледна точка при измерване на влажност.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top