Общие понятия о влажности

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий опреде­ляется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30°С в Сибири, где зи­мой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0°С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно. (Естественно, что здесь учитываются только климатические факторы и не рассматриваются экономические, культурные и политические). Работа многих устройств (высокоимпедансных электрон­ных схем, электростатических чувствительных элементов, высоковольтных приборов и т.д.) также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20-25°С. Ре­комендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях (правда, здесь существуют исключения: например, в производственных комнатах Класса А влажность должна быть 38%, а в больничных операционных - 60%. Влага входит в состав боль­шинства выпускаемых изделий и материалов. Можно сказать, что большую часть вало­вого национального продукта любой страны составляет вода [1].

Для измерения влажности используются приборы, называемые гигрометрами. Пер­вый гигрометр был создан Джоном Лесли (1760-1832) [2]. Чувствительный элемент гигро­метра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и темпера­туры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптичес­кими. Оптические газовые датчики определяют точку росы, в то время как оптические гиг­рометры измеряют содержание воды в органических растворах по поглощению излучения ближнего ИК диапазона в интервале 1.9...2.7 мкм [3] (см. рис. 14.18 главы 14).

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются раз­ные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м³). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ррm).

Приведем несколько полезных определений:

Влага - это количество воды, содержащееся в жидкости или твердом теле, которое может быть удалено без изменения химических свойств вещества.

Удельная влажность r — это масса паров воды на единицу массы сухого газа.

Абсолютная влажность (массовая концентрация или плотность паров воды) - это масса паров воды т на единицу объема влажного газа v: d_w=m/v. Другими словами, аб­солютная влажность — это плотность водяных паров. Для ее определения известное количество газа, например, воздуха, пропускается через влагопоглощающий материал (такой как силикагель), который взвешивается до и после этой процедуры. Абсолют­ная влажность выражается в г/м³. Поскольку на результаты таких измерений оказывает влияние атмосферное давление, они редко используются в инженерной практике

Относительная влажность Н— это отношение давления паров воды в воздухе P_w, измеренное при некоторой температуре (парциальное давление), к максималь­ному давлению насыщенного пара Р при той же температуре. Относительная влаж­ность (RH) всегда определяется в процентах:

(13.1)

Величина H выражает содержание пара в виде процента от концентрации водя­ных паров, при которой происходит его насыщение (т.е. образование капель воды (росы) при заданной температуре). Существует еще одно определение RH: отно­сительная влажность — это отношение мольной доли паров воды в заданном объеме к мольной доле насыщенных водяных паров в том же объеме. Сумма парциаль­ных давлений влажного Р_w и сухого воздуха Р_a равна давлению в замкнутом объе­ме или атмосферному давлению Р_atm, если этот объем незамкнут:

(13.2)

При температуре выше точки кипения пары воды вытесняют все остальные газы из заданного объема. Тогда вся атмосфера состоит только из перегретого пара. В этом слу­чае, Р_w=Р_atm. При температурах , больших 100°С, Р_s всегда выше Р_атм , и максимальная относительная влажность никогда не может достичь 100%. При нормальном атмос­ферном давлении и температуре 100°С, максимальная относительная влажность равна 100%, в то время как при температуре 200°С она составляет только 6%. При температу­ре выше 374°С давление насыщенных паров термодинамически не определено.

Точка росы — это температура, при которой парциальное давление водяных паров становится максимальным, что соответствует состоянию насыщения пара, при котором пар и жидкая фаза воды находятся в равновесии. Точка росы - это температура, при которой относительная влажность воздуха равна 100%. Други­ми словами, точка росы определяет температуру воздуха, при которой он облада­ет максимальной влажностью. При охлаждении воздуха до точки росы, он стано­вится насыщенным, что может привести к появлению тумана, росы или инея.

Точку замерзания можно определить как температуру, при которой при изоба­рическом охлаждении смеси газа и водяных паров (при постоянном давлении) образуется иней или лед (минуя стадию конденсации).

Используя следующие уравнения [4], можно определить температуру точки росы (DP) по величине относительной влажности и температуре. Все температу­ры должны быть выражены в °С. Давление насыщенных паров над поверхностью воды находится при помощи выражения:

Тогда точка росы определяется по аппроксимационной формуле:

где

Относительная влажность обратно пропорциональна температуре Точка росы обычно определяется при помощи холодного зеркала. Однако при температуре точки росы ниже 0°С такие измерения становятся неточными, поскольку вода за­мерзает, что ведет к медленному образованию кристаллической решетки, напо­минающей снежинку. Тем не менее при температурах ниже нуля вода еще дли­тельное время может находиться в жидкой фазе. Это время зависит от перемеши­вания состава, скорости конвекции, температуры газа, загрязнения и т.д

Емкостные датчики

Конденсаторы с воздушным зазором могут использоваться как датчики относи­тельной влажности, поскольку от количества водяных паров в атмосфере зависит диэлектрическая проницаемость воздуха [5]:

где Т— абсолютная температура (в Кельвинах), Р — давление влажного воздуха (в мм рт.ст.), Р_s — давление насыщенных водяных паров при температуре Т ( в мм рт.ст.), Н — относительная влажность (в %). Из уравнения (13.5) видно, что диэ­лектрическая проницаемость влажного воздуха, а значит и его емкость, пропор­циональны относительной влажности.

Пространство между пластинами конденсатора может быть заполнено не воз­духом, а соответствующим диэлектрическим материалом, проницаемость кото­рого сильно зависит от влажности окружающей среды. Например, существуют емкостные датчики, сформированные на основе гигроскопической полимерной пленки с нанесенными с двух сторон металлическими электродами. В работе [6] приведено описание такого датчика, реализованного на основе гидрофильной полимерной пленки толщиной 8... 12 мкм, изготовленной из ацетобутирата цел­люлозы и диметилфталата, используемого в качестве пластификатора. Размеры пленочного датчика составляют 12x12 мм. Методом осаждения в вакуумной ка­мере на полимер наносятся электроды из пористого золота (толщиной 200А) в форме диска диаметром 8 мм. Пленка подвешивается на специальных держате­лях, а электроды соединяются с выводами. Емкость такого датчика почти про­порциональна относительной влажности Н:

где С₀ — емкость при H=0.

На рис. 13.1 показана схема, позволяющая при помощи емкостного датчика измерять относительную влажность воздуха в диапазоне 5...90% с точностью 2%, а на рис. 13.2 приведены передаточные характеристики датчика и интерфейсной схемы. Номинальная емкость датчика при 75% RH составляет 500 пФ. Он облада­ет квазилинейной передаточной функцией со смещением при нулевой влажнос­ти, равным 370 пФ, и наклоном 1.7пФ/%RН. Показанная на рисунке схема вы­полняет две функции: преобразует емкость в напряжение и компенсирует емкость

смещения для получения нулевого выходного напряжения при нулевом уровне RH. Основной частью схемы является аналоговый ключ LT1043 с автосинхронизацией, подключаю­щий несколько конденсаторов к точ­ке суммирования — на вход ОУ U₁, (эта точка иногда называется виртуальной землей). Конденсатор С₁ использует­ся для компенсации емкости смеще­ния, а конденсатор С₂ включается последовательно с емкостным датчи­ком S₁. Среднее напряжение на дат­чике должно быть равно нулю, в про­тивном случае электрохимические процессы могут вывести его из строя. Неполярный конденсатор С₂ защи­щает датчик от статического электричества. Переменный резистор P₂регулирует ве­личину тока, поступающего на датчик, а P₁, подстраивает ток смещения. Конденса­тор С₃ стоящий в цепи ОС, используется для интегрирования результирующего за­ряда, а конденсатор С, поддерживает уровень выходного напряжения неизменным во время отсоединения точки суммирования ОУ от датчика.

Такой же подход может быть использован для определения содержания влаги в образцах различных материалов [7]. На рис. 13.3 показана схема емкостной систе­мы измерений, где изменение диэлектрической проницаемости образца приводит к изменению частоты генератора. Этот метод измерения влажности широко при­меняется в системах контроля фармацевтической продукции. Диэлектрическая про­ницаемость большинства медицинских таблеток по сравнению с водой (рис. 3.7 главы 3) достаточно низкая (2...5). Образец исследуемого материала помещается между двумя пластинами, формирующими конденсатор, подсоединенный к LC-колебательному контуру. Счетчик измеряет частоту, по которой определяется вели­чина влажности. Для уменьшения влияния таких параметров окружающей среды, как температура и атмосферная влажность, рекомендуется использовать дифферен­циальные датчики. В этом случае определяется разность частот Df = f₀ – f₁ где f₀ — частота, измеренная при пустом контейнере, a f₁ — частота, измеренная с контейне­ром, заполненным исследуемым материалом. Этот метод имеет ряд ограничений: он весьма неточен при влажности ниже 0.5%; образец должен быть очищен от по­сторонних частиц с относи­тельно высокой диэлектри­ческой проницаемостью (например, от металла и пла­стика), а также геометрия об­разца не должна меняться во время проведения экспери­мента.

Тонкопленочный емкостной датчик влажности может быть изготовлен на кремниевой подложке [8]. Для этого на кремниевой подложке n-типа выращи­вается слой Si0₂ толщиной 3000А(рис. 13.4Б), а на него наносятся два электро­да из алюминия, хрома или легирован­ного фосфором поликремния, для чего применяется метод осаждения из газо­вой фазы, проводимый при низком дав­лении (LPCVD). Толщина электродов, имеющих гребенчатую форму (рис. 13.4А), лежит в пределах 2000...5000 А. Для обеспечения дополнительной ком­пенсации изменения окружающей тем­пературы на той же самой подложке формируются два термочувствительных резистора. На верхнюю часть датчика на­носится диэлектрический слой толщи­ной 300...4000А , для получения которо­го могут использоваться разные матери­алы, например, химически осажденные из газовой фазы Si0₂ или фосфорное си­ликатное стекло.

На рис. 13.5 показана упрощенная эквивалентная схема тонкопленочного датчика влажности. Каждый компонент схемы является элементом RС-линии передач [9]. При увеличении относитель­ной влажности распределение сопро­тивления поверхности уменьшается, а эквивалентная емкость между выводами 1 и 2 возрастает. Величина емкости зависит от частоты. Следовательно, при измере­нии низких значений влажности частота должна быть порядка 100 Гц, в то время как для высоких величин влажности, ее надо выбирать в пределах 1...10 кГц.

Поиск по сайту: