Метод электрических гигрометров

Для измерения влажности в агропромышленном комплексе нашли широкое применение приборы с электронными пирометрическими датчиками (ЭГД), имеющими чувствительный элемент, выполненный из гигроскопического материала, который при измерениях влажности находится в гидротермическом равновесии с контролируемым газом. Выходной величиной ЭГД является тот или иной электрический пара­метр влагочувствительного элемента. Эти датчики могут работать как в неподвижном газе, так и при изменении его скорости в широких пределах, не требуют применения подводящих коммуникаций, кроме кулонометрических, регуляторов расхода или давления газа. Благодаря возможности миниатюризации ЭГД можно применять для измерения влажности очень малых объемов газа. К достоинствам ЭГД относятся также простота конструкции, возможность дистанционных измерений, низкая стоимость, малые габариты и масса.

Основной недостаток многих ЭГД — их старение в процессе эксплуатации или хранения.

Электрические гигрометрические датчики принято делить на электролитические, сорбционные и кулонометрические.

Электролитические датчики состоят из жидкой или сухой пленки электролита, которая поглощает влагу из окружающей среды до тех пор, пока давление пара над поверхностью образующегося раствора не достигнет равновесия с давлением водяного пара окружающей среды. Дальнейшее изменение влажности среды в зависимости от знака этого изменения вызовет поглощение влаги чувствительным элементом или испарение ее до достижения нового состояния.

В зависимости от влажности окружающего газа изменяется сопротивление элек­тролитической пленки которое, в свою очередь, зависит еще от температуры и кон­центрации растворенного вещества. Как правило, эти зависимости нелинейны, поэтому электролитические ЭГД градуируют опытным путем. Примером такого датчика может служить преобразователь типа ЭВ4, имеющий диапазон контролирования влажности от 35 до 80 или от 60 до 90 %. Инерционность датчика 5 мин. Основная погрешность 3-5 %.

Существует большое число разнообразных чувствительных элементов, из которых для примера можно выделить хлористо-литиевый гигрометрический датчик с гребенкообразными электродами (рис.2.5, а), зависимость сопротивления которого от влажно­сти воздуха показана на рисунке 2.5, б. Из графика видно, что он может работать в диапазоне температур от - 40 до +40 °С. Инерционность таких датчиков 1..2 мин.

Промышленность выпускает преобразователи типов ДЭВС-1 и ДИВ. Преобразователь ДЭВС-1 работает в диапазоне температур 20....40 °С диапазон измерений влажности 50...90 % с погрешностью 3 %. Он имеет довольно большую инерционность — до 10 мин, чувствителен к запыленности воздуха, параметры его нестабильны во времени.

Преобразователь ДИВ-2 реагирует на изменение влажности воздуха от 20 до 90 % с основной погрешностью 3,5 %, постоянная времени 20 мин. Обычно этот датчик служит чувствительным элементом влагомера ВВ2. Преобразователь ДИВ-2 более стабилен во времени и долговечен.

Электрические сорбционные датчики можно разделить на адсорбционные и абсорбционные. В первых используется явление адсорбции влаги внешней поверхностью материала в виде тонкого слоя, а объектом измерения являются электрические

характеристики этой поверхности (например, поверхностное сопротивление), обусловленные наличием на ней водной пленки с нонами водорастворимых веществ.

Рисунок 2.5 - Хлористо-литиевый пирометрический датчик (а) и кривые (б)

зависимости его сопротивления от влажности воздуха (при температуре: 1) - 40 °С;

2) -20 °С; 3) 0°С; 4) +20 °С; 5 +40 °С); гигротермодатчик (в) и зависимость его

полного сопротивления от влажности воздуха (г).

В ЭГД второй группы чувствительный элемент представляет собой тонкий слой вла-гочувствительного материала на водостойкой подложке или определенный объем капиллярно пористого материала. Механизм действия датчиков второй группы аналогичен: водяной пар, содержащийся в газе, поглощается капиллярами всего объема чувствительного элемента и изменяет его объёмное сопротивление.

Наибольшее практическое применение получили сорбционные датчики следующих типов: угольные, пьезокварцевые и алюминиево-оксидные. Алюминиево-оксидный гигротермодатчик с температурной компенсацией показан на рисунке 2.5. На внутренней и внешней цилиндрических поверхностях тонкостенной алюминиевой трубки 4 имеются оксидные слои 3 и 5. Поверх этих слоев нанесены проводящие графитовые слои (электроды) 2. Внутренняя полость трубки 4 заполнена влагоизолирующим лаком 1, вследствие него влагочувствительный слой 3 находится в гигротермическом, а слой 5 — только в термическом равновесии с окружающей средой. Такой «совмещенный» гигротермодатчик позволяет одновременно измерять влажность и температуру среды.

Влажностные характеристики датчиков получают экспериментальным путем при постоянной температуре. На рисунке 2.5, г приведена снятая при t =20°C влажностная характеристика датчика, показывающая зависимость полного сопротивления от относительной влажности воздуха при частоте 50 Гц.

Промышленность выпускает пьезосорбционные преобразователи относительной влажности ДОВП-1, которые применяют в составе влагорегуляторов В4-536У и В4-510У в теплицах и овощехранилищах. Диапазон контролирования этих преобразователей от 0 до 100 % с погрешностью 2,5 %. Они позволяют дистанционно контролировать влажность (до 1000 м) и имеют небольшую инерционность (2 мин).

Принцип действия гигрометров с кулонометрическими датчиками основан на непрерывном поглощении влаги пленкой гигроскопического вещества и одновременном электролитическом разложении поглощенной влаги. Наиболее простой и распространенный кулонометрический датчик — трубчатый. Он состоит из цилиндрической пластмассовой втулки, на внутренней поверхности которой за креплены два проволочных (платиновых) электрода в виде параллельных геликоидальных спиралей. На поверхности между электродами нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора. Датчик закреплен в корпусе (пластмассовом или металлическом) с контактами для соединения датчика с измерительным устройством.

В диффузионном датчике часть влаги из исследуемого газового потока диффундирует сквозь пористый гидрофобный барьер, а за тем подвергается электролизу. Скорость диффузии не зависит от скорости воздуха поэтому в диффузионном гигрометре отпадает необходимость в регуляторе расхода газа, так как его функции выполняет диффузионный барьер. Зависимость силы тока электролиза от влагосодержания у диффузионного датчика линейна в широких пределах. Его недостаток — существенное увеличение инерционности, особенно в диапазоне низких влагосодержаний.

Измерительное устройство кулонометрических гигрометров отличается простотой. Последовательно с датчиком и источником постоянного тока включен многопредельный прибор, измеряющий силу тока электролиза.