Методы измерений влажности воздуха и газов.

В настоящее время наибольшее распространение в промышленных приборах получили следующие методы измерения влажности газов и воздуха: психрометрический, точки росы, сорбционный и оптический.

Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрической разности температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный фитиль водой. Испарение, а следовательно, и охлаждение с поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разность температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.

Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным находящейся в нем влагой. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара на зеркальной поверхности, температура которой может устанавливаться любой в интервале температур работы влагомера.

Сорбционный метод основан на связи физических свойств гигроскопических веществ с количеством поглощенной ими влаги, зависящей от влажности анализируемого газа.

Оптический метод основан на измерении ослабления инфракрасного (ИК) излучения за счет его поглощения парами воды.

Психрометрический метод. В психрометрическом методе используется зависимость между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:

р_н.м – р = Ар_б(t_c – t_m) (1)

где р — парциальное давление пара в парогазовой смеси; р_н.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра t_m; р_б — барометрическое давление; А — психрометрическая постоянная; t_c — температура сухого термометра.

Относительная влажность φ может быть определена из (1) следующим образом:

φ = р/р_н.с100 = 100[р_н.м - Ар_б(t_c – t_m)]/ р_н.с (2)

где р_н.с, р_н.м — парциальное давление насыщенного пара при температурах t_c и t_m.

В связи с тем, что р_н.с и р_н.м, однозначно определяются t_c и t_m, то при А = const, можно получить зависимость

φ = f(t_c – t_m,t_c) (3)

По этой зависимости можно составить психрометрические таблицы. Таблицы могут быть различными для разных конструкций мокрого термометра. Психрометрическая постоянная А определяется условиями теплоотвода от термометра через фитиль в окружающую среду (размерами и формой резервуара или гильзы термометра, теплопроводностью гильзы и ткани фитиля, смоченностью ткани и другими факторами), поэтому практически для каждой новой конструкции А будет отличным от других. Для обеспечения постоянства А для каждой конструкции обеспечивают такой режим обдува мокрого термометра (как правило, V ≥ 3 м/с), при котором А = const. Зависимость (3) может быть аппроксимирована семейством прямых φ = const в координатах t_m,t_c. Полагая, что прямые φ = const пересекаются в одной точке с координатами t_a,t_b (рис. 1), можно считать,

φ = f(t_m – t_a)/(t_c - t_b) (4)

 

Рис. 1. Зависимость относительной влажности от температур «мокрого» и «сухого» термометров:

1 - 5 - φ = 100 %; 80; 60; 40; 20

 

Рис. 2. Принципиальная схема психрометра с термопреобразователями сопротивления

Принципиальная измерительная схема психрометра с преобразователями сопротивления представлена на рис. 2. При соответствующем подборе плеч мостов можно считать, что Uab = k₁(t_m – t_a) и Ucd = k₂(t_c- t_b). В момент компенсации Uab = Uef = mUcd, где m — относительное положение движка реохорда, тогда

m = k₁ (t_m – t_a)/ [k₂(t_c - t_b)] (5)

Шкала психрометра градуируется в процентах относительной влажности. Возможны различные модификации этой схемы, но, как правило, принцип действия остается неизменным.

Преимущества психрометрического метода — достаточно высокая точность и чувствительность при температурах выше 0 °С. К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с непостоянством психрометрической постоянной А.

Метод точки росы. По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод один из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров, основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало, обдуваемое анализируемым газом. Зеркало необходимо охлаждать, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся в анализируемом газе. Одновременно фиксируется температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).

Для технических измерений разработаны автоматические влагомеры точки росы. Одна из схем такого влагомера представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Принципиальная схема влагомера точки росы:

1 — канал; 2 — камера; 3 — зеркальная поверхность; 4 — источник измерения; 5 — оптрон; 6 — термобатарея; 7 — термопара

Газ, очищенный от примесей и пыли, по каналу 1 поступает в камеру 2, где соприкасается с зеркальной поверхностью оптического канала 3, по которому световой поток от источника 4 попадает на оптрон 5. Поверхность 3 охлаждается термобатареей 6, работающей на эффекте Пельтье. Принцип ее работы состоит в том, что при прохождении тока через соприкасающиеся поверхности разнородных проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. Так, снижение температуры на 50 °С может быть получено при пропускании тока в 6 А при напряжении питания 15 В через термоэлектронную батарею размером 40 х 40 х 40 мм, содержащую 127 элементов. При достижении точки росы на поверхность 3 выпадает роса, оптрон запирается и ток через термобатарею 6 прекращается. Термопара 7 фиксирует температуру выпадения росы. Преобразователь точки росы прибора «КОНГ-Прима» измеряет точку росы в диапазоне -30...30 °С, погрешность составляет ±0,25 и ±1 %.

При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации (выпадения росы) зависит от метода фиксации (оптический, кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы может зависеть от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. Например, наличие жира или нефтепродуктов на поверхности конденсации существенно занижает температуру точки росы. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы вызывают коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.

Сорбционные влагомеры. В сорбционных влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике технических измерений получили распространение следующие разновидности сорбционных преобразователей: электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные.

В электролитических гигрометрах измерительный преобразователь включает влагочувствительный элемент, содержащий электролит. Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что приводит к изменению концентрации электролита во влагочувствительном элементе и соответствующему изменению его сопротивления или емкости. В качестве электролита чаще всего применяют хлористый литий. Измерительные схемы электролитических гигрометров представляют собой различные варианты мостовых измерительных схем. К недостаткам электролитических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества на их показания.

Электролитические преобразователи с подогревом по своему устройству близки к электролитическим преобразователям. Однако их принцип действия отличается. Изменение электропроводности преобразователя вследствие изменения влажности газа вызывает изменение температуры преобразователя. Если влажность газа увеличивается, то электропроводность преобразователя увеличивается, что приводит к возрастанию тока, увеличению температуры преобразователя и испарению влаги из преобразователя. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению электропроводности, тока и температуры преобразователя.

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 термопреобразователем. Электролитические гигрометры с подогревом относительно просты и надежны. Их характеристики практически не зависят от запыленности или загрязнения, скорости измеряемого газа, его давления и напряжения питания.

В кулонометрических преобразователях влажность газа определяют по количеству электричества, затраченного на электролиз влаги, которая поглощается частично гидротированным пентаоксидом фосфора. Измерительный преобразователь в этих приборах состоит из пластмассового корпуса, во внутреннем канале которого расположены два электрода в виде несоприкасающихся спиралей. Пространство между электродами заполнено частично гидратированным пентаоксидом фосфора, являющимся хорошим осушителем. Влага газа, соединяясь с гигроскопическим веществом, образует раствор фосфорной кислоты с большой удельной проводимостью. Подключенное к электродам постоянное напряжение вызывает электролиз поглощенной влаги. Количество поглощенной и разложенной воды при постоянном расходе газа одинаково и определяется концентрацией влаги в анализируемом газе.

Преимуществом кулонометрических гигрометров является независимость их показаний от напряжения питания и состава газа. Загрязнения сорбента практически не влияют на показания прибора, метод не требует градуировки на эталонных смесях и хорош для измерения микроконцентраций влаги в газах.

К недостаткам метода относится необходимость исключения паров и газов, имеющих щелочную реакцию (аммиак, амины). Их присутствие выводит из строя чувствительный элемент. На показания существенно влияют пары спиртов, которые гидролизуются на пентаоксиде фосфора с образованием воды.

В пьезосорбционных гигрометрах используется зависимость частоты собственных колебаний кварцевого резонатора от массы влаги, поглощенной сорбентом, нанесенным на поверхность кварцевой пластины.

Метрологические характеристики пьезосорбционных гигрометров определяются материалом сорбента и технологией его нанесения на поверхность кварцевой пластины. Применение в качестве сорбентов силикагеля, цеолитов, сульфированного полистирола позволяет использовать пьезосорбционный метод для измерения микроконцентраций влаги в газах. Конструкция чувствительного элемента прибора достаточно проста.

Пьезосорбционные гигрометры требуют градуировки по газовым смесям с известной влажностью. Возможны дополнительные погрешности за счет сорбирования помимо влаги других примесей анализируемого газа. Пьезосорбционные гигрометры применяются в химической промышленности и при испытаниях материалов и изделий в термобарокамерах.

64. Принцип действия и назначения диодных, резисторных, транзисторных и тиристорных опто электронных пар.

Оптопара представляет собой оптоэлектронный прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, т.е. связь входа с выходом осуществляется с помощью световых сигналов. В электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. Понятие «оптрон» трактуется в литературе несколько шире, чем оптопара (слово «оптопара» само по себе несет уже некоторое ограничение - пара, т.е. всего два элемента, хотя, как правило, есть еще оптическая иммерсионная среда, да и в одном корпусе зачастую размещается не одна пара элементов). Исторически термин «оптрон» получил изначально право на существование, но вскоре выяснилось, что еще в начале 60-х годов одна из американских фирм была зарегистрирована под названием «Optron», и поэтому международные организации не рекомендуют применять то же слово для названия прибора, чтобы не переносить имя этой фирмы на изделия других производителей. Более того, МЭК (Международная электротехническая комиссия) предложила даже термин transoptor, однако он не прижился. Так или иначе, но сегодня у нас официально (в справочниках, технической документации) применяют термин «оптопара», распространяя его и на приборы с более чем двумя элементами.

Поскольку в большинстве оптопар источником служит излучающий диод, принято классифицировать оптопары по типу фотоприемников -резисторные, диодные и т.п.

3 .Резисторные оптопары

В резисторных оптопарах источником является излучающий диод либо миниатюрная лампа накаливания, а приемником служит фоторезистор, чаще всего на базе селенида кадмия.

Свойства фоторезисторов не зависят от полярности питающего напряжения, поэтому выход резисторной оптопары можно подключить к цепи переменного тока, что иногда имеет существенное значение для схем управления оборудованием в цеховых условиях. Зависимость выходного сопротивления оптопары (передаточная характеристика по сопротивлению) от входного тока (протекающего через источник света), например, для оптопары ОЭП-2 или 3ОР125А показывает, как резко, на несколько порядков падает сопротивление фоторезистора под действием излучения (следует обратить внимание, что масштаб по шкале сопротивлений для этих зависимостей логарифмический, а для 3ОР125А и по оси абсцисс отложен логарифм входного тока). В то же время коэффициент передачи по току (I_вых /I_вх) у оптопар на фоторезисторах невелик - порядка 0,3 (см. токовую передаточную характеристику оптопары АОР124А1).

Помимо функций гальванической развязки оптопары могут выполнять функции разветвления сигнала на несколько независимых друг от друга каналов. Это иллюстрирует схема оптопары 3ОР125А - один излучатель передает световой сигнал одновременно на четыре фоторезистора, каждый из которых может быть подключен к своему информационному каналу. С другой стороны, эта оптопара позволяет увеличить коэффициент передачи по току - если запараллелить все четыре фотосопротивления для одного информационного канала.

Все рассмотренные примеры касались оптопар с внутренней передачей сигнала от излучателя к приемнику через иммерсионную среду, в которую они погружены в корпусе оптрона. В этом случае расстояние между передающим и приемным элементами минимально (доли миллиметра), что позволяет минимизировать потери и иметь максимально возможный коэффициент передачи (следует напомнить закономерность, известную из курса физики, что освещенность падает пропорционально квадрату расстояния от источника до приемника).

Однако оптопара может быть не только передатчиком сигнала, но и служить его первоисточником, выполняя функцию датчика информации. Пример такого рода представляет так называемая оптопара с открытым оптическим каналом В данном случае свет от источника через рабочее окно в корпусе прибора испускается во внешнюю среду, где, отразившись от специально устанавливаемого отражателя (вогнутого зеркала), возвращается в корпус оптрона и падает на два фоторезистора, которые имеют общую точку и могут электрически составлять одну половину измерительного моста (другая половина составляется из двух постоянных сопротивлений). Конструктивно фотосопротивления расположены в линию, поэтому если между оптопарой и зеркалом поместить какой-либо плоский объект, например край листа бумаги, то можно очень точно следить за его перемещением вдоль этой линии. Передаточная характеристика оптопары АОР113А показывает, как линейно реагирует ток в измерительной диагонали моста (I_изм) на перемещения в диапазоне +/-0,2 мм (выделенная на графике зона определяется разбросом параметров).

Такие допусковые пределы на положение кромки листа или бумажного полотна могут контролироваться подобными оптопарами на листовых и рулонных печатных машинах.

Диодные оптопары

В диодных оптопарах фотоприемником служит фотодиод на основе кремния, а источником является инфракрасный диод, излучающий на длине волны около 1 мкм. Поскольку фотодиоды могут работать как в диодном, так и фотогенераторном режиме, то выходная цепь при необходимости может работать автономно - без источника питания (например, подавать сигнал непосредственно на измерительную головку, скажем, стрелочный микроамперметр или милливольтметр). Примером работы диодной оптопары в том и другом режиме служат передаточные характеристики I_вых /I_вх для прибора АОД107, В фотодиодном режиме зависимость близка к линейной, с коэффициентом передачи по току, близким к 5%, в то время как в фотогенераторном режиме нелинейность зависимости становится все более явной по мере увеличения сопротивления нагрузки выходной цепи (по мере превращения фотоприемника из источника тока в источник напряжения), что одновременно влияет на уменьшение коэффициента передачи по току (по мере снижения выходного тока).

Диодный оптрон АОД134АС представляет набор из двух оптопар в одном корпусе, что создает определенные удобства при реализации на них гальванических развязок в электротехнической аппаратуре. Коэффициент передачи по току порядка 1% типичен для диодных оптопар (на графике показана зона разброса и усредненная кривая).

Существенный рост коэффициента передачи по току достигается в диодно-транзисторных оптопарах, у которых приемник - фотодиод - выполнен интегрально на одной пластине с n-р-n-транзистором. Они как бы перекидывают мостик к другому типу оптопар - транзисторным.

Транзисторные оптопары

Типовой источник в транзисторных оптопарах - инфракрасный диод, а фотоприемником служит, как правило, кремниевый (n-р-n) одинарный или составной транзистор. Коэффициент передачи по току у транзисторной оптопары 3ОТ138 (А, Б) намного превышает (50-250%) возможности диодных оптопар (на графике показаны зона разброса и усредненная кривая). Это позволяет усилить слабый токовый сигнал в самой микросхеме оптопары, не рискуя «забить» его шумами и помехами при передаче по сигнальному кабелю. Еще большего усиления добиваются при использовании составных фототранзисторов, как, например, в оптопаре АОТ126 (А, Б). Но, как говорят, медаль имеет две стороны. Повышение коэффициента передачи за счет усиления на транзисторе снижает быстродействие, так как новый элемент привносит свою инерционность за счет межэлектродных емкостей. В литературе приводятся сведения о сравнении этих параметров для оптронов различных типов:

Вид фотоприемника оптрона	Коэффициент передачи, %	Граничная частота, МГц
Фотодиод	0,1
Фототранзистор		0,3
Составной фототранзистор		0,03

Из приведенных данных следует, что на сколько порядков повышается коэффициент передачи, на столько же падает быстродействие, поэтому приходится выбирать - либо то, либо другое. Диодным оптопарам отдается предпочтение в компьютерных каналах связи, где быстродействие - один из определяющих параметров, а сам сигнальный импульс достаточно чист и уверенно воспринимаем. Транзисторные оптопары более применимы к аналоговым сигналам, а то и используются в виде датчиков, как, например, оптопары с открытым оптическим каналом АОТ146 (отражательного типа) или АОТ151А (щелевого типа).

Датчики на базе оптопар отражательного типа, имея источник инфракрасного излучения, хорошо работают в условиях повышенной запыленности (например, бумажной пыли в печатных машинах). Оптопары щелевого типа часто используются в качестве концевых выключателей (например, в принтерах, сканерах), когда, скажем, каретка доходит до крайнего положения и необходимо остановить движение или осуществить реверс. При этом заслонка или «флажок», связанный с кареткой, входит в щель оптопары, прерывая световой поток и сообщая тем самым о достижении крайнего положения.

Тиристорные оптопары

В отличие от транзисторных тиристорные оптопары позволяют усиливать информационный сигнал не только по току, но и по мощности, поскольку приспособлены для работы при напряжениях на входе и выходе, отличающихся на порядки: на входе сигнал уровня 5 В (компьютерный) превращается на выходе в 220 В переменного тока. Такая тиристорная оптопара в свою очередь может использоваться для управления тиристорами на десятки киловольт или сотни ампер (например, в энергетических сетях).

 

Билет 17