Гигрометр – прибор для определения влажности воздуха
Гигрометр – прибор для определения влажности воздуха
Всем известно, что вода является важнейшим элементом для обеспечения нормальной жизнедеятельности. В организм животных и человека она в основном поступает с пищей или питьем. Однако, достаточное количество влаги необходимо не только внутренним органам, но и слизистым оболочкам глаз, дыхательных путей, коже. Следовательно, важно не только потребление жидкости вовнутрь, но и получение ее из окружающего влажного воздуха. Для определения показателя влажности и поддержания его на нормальном уровне используют специальный измерительный прибор – гигрометр. Это особое лабораторное оборудование предназначено не только для создания комфортных условий для человека. Оно также применяется в некоторых промышленных и торговых сферах, где многие материалы: обычная и фильтровальная бумага, ткани, некоторые виды пластмасс и других веществ, а также овощи, фрукты являются гигроскопичными, т.е. меняют свои свойства в сухом воздухе.
Определение и применение
Гигрометр, также называемый гигроскоп, (от греч. гигро – влажный, и метрон – мера) – это лабораторное оборудование для измерения относительной влажности воздуха или других газов. В настоящее время существуют различные типы гигрометров: одни измеряют относительную влажность, другие – абсолютную, третьи – точку росы. Гигрометры выполнены таким образом, что при помощи несложных вычислений и подсчетов можно преобразовать результаты показаний одного типа гигрометра в показания другого. Так, например: по гигрометру абсолютной влажности можно вычислить и определить относительную влажность или точку росы, и наоборот. Кроме того, они могут различаться по видам, конструкциям в зависимости от предназначения и принципа действия.
История создания
Проблема влажности воздуха интересовала людей с давних времен, особенно там, где сухой и жаркий климат. Для ее решения применялись самые обычные методы: ткань или бумага, пропитанная водой, посуда с жидкостью. Но впервые определить уровень влажности попытался кардинал Н. Кузанский, используя лабораторную посуду из стекла и кусочки шерсти. Позже уровень влажности измеряли с помощью натянутых нитей, конического сосуда со льдом, кожаного шара. Но основоположником нынешнего гигрометра считается Б. Соссюр.
Виды гигрометров:
– весовой или абсолютный гигрометр помогает определить количество водяного пара в соотношении г/м³. В его основе лежит система U-образных трубок, наполненных гигроскопическим веществом или особыми химическими реактивами, способными впитывать влагу из воздуха;
– волосяной гигрометр – особый лабораторный прибор, предназначение которого состоит в определении относительной влажности воздуха в пределах примерно от 30 % до 100 %. Принцип работы волосяного гигрометра основан на химико-физическом свойстве обезжиренного человеческого волоса, который изменяет свою длину с изменением влажности окружающего воздуха
– наиболее популярным измерительным прибором считается гигрометр психрометрический (психрометр). Он с высокой точностью исследует и измеряет температуру и относительное содержание влаги в воздушной среде.
Гигрометр состоит из пластикового основания, двух термометров со шкалой, психрометрической таблицы, питателя из лабораторного стекла. Принцип работы базируется на определении разности показаний «влажного» и «сухого» термометров;
– плёночный гигрометр включает органическую плёнку, способную растягиваться и сжиматься при повышении или понижении влажности. В зимнее время чаще всего используют волосной или плёночный гигрометры.
Гигрометры типа ВИТ-1 и ВИТ-2, приобрести которые можно в интернет-магазине лабораторного оборудования в Москве, предназначены для измерения температуры и влажности воздуха помещения. Приборы содержат химический реактив – толуол. Они отличаются диапазоном измерения: ВИТ-1 (0…+25), ВИТ-2 (+15…+40 ). Гигрометры типа ВИТ-3, содержащие ртуть как термометрическую жидкость, чаще всего применяются в инкубаторах.
Помимо вышеуказанных типов существуют также керамические, механические, электрические, конденсационные и другие гигрометры.
Качество измерительного прибора
Для определения качества измерительных приборов важно учесть следующие характеристики:
– постоянную величину прибора;
– пределы погрешностей;
– чувствительность прибора;
– точность прибора и используемой шкалы;
– диапазон показаний.
Лабораторное оборудование выгодно и качественно от компании “Prime Chemicals Group”!
Широкий ассортимент лабораторного оборудования по низким ценам предлагает компания “Prime Chemicals Group”. Весь товар отвечают знаку качества и прошел тщательную проверку на заводе-изготовителе.
«Прайм Кемикалс Групп» – Ваш надежный помощник в сфере лабораторного оборудования!
42. Измерение влажности воздуха с помощью гигрометра
Для определения характеристик влажности при температурах ниже -10°С используют гигрометры. Волосной гигрометр предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Пределы измерения 30-100%. Погрешность измерения относительной влажности в диапазоне 30-90% составляет ±15%, на точке 100% ±5%. В очень сильный мороз точность измерения падает, вследствие чего ошибка увеличивается до 30%. В теплый период проводятся параллельные наблюдения по гигрометру и психрометру, определяется погрешность гигрометра, которая зимой учитывается при оценке влажности. Прибор рассчитан на работу при температуре воздуха в диапазоне от -50 до +55°С. Действие прибора основано на свойствах обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Гигрометр состоит из чувствительного элемента (обезжиренный человеческий волос), передаточного механизма, – шкалы, стрелки и металлической рамки, на которой закреплены детали прибора . Обезжиренный волос укреплен на металлической рамке. Верхний конец волоса укреплен на винте регулятора, нижний – на дужке с грузиком. Дужка при помощи стерженька соединена с осью, на которой расположена стрелка. Грузик держит волос в натянутом состоянии. При изменении влажности изменяется и длина волоса, ось поворачивается, и стрелка перемещается по шкале прибора. Цена деления шкалы 1% относительной влажности. Деления шкалы неравномерны: с увеличением влажности они постепенно уменьшаются, что обусловлено тем, что при малой влажности длина волоса изменяется быстрее, чем при большой. Пленочный гигрометр, как и волосной, предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Чувствительный элемент – гигроскопическая органическая пленка. Пределы измерения 20-100%, погрешность измерения ±7%, шкала равномерная. Прибор рассчитан на работу при температурах от -60 до +35°С. Деформация пленки при изменении относительной влажности с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы прибора. Начальная установка стрелки прибора осуществляется вращением винтов, крепящих чувствительный элемент к рамке прибора. Для непрерывной регистрации изменений относительной влажности воздуха используются гигрографы двух типов: суточные и недельные. По чувствительному элементу гигрографы бывают пленочные и волосные.
studfiles.net
Конденсационный гигрометр. Гигрометр для измерения влажности воздуха
Широко распространенным прибором для измерения влажности воздуха (и других газов) является гигрометр конденсационный. Принцип действия его состоит в измерении температуры, называемой точкой росы, при которой начинается конденсация влаги из воздуха.
Что такое влажность воздуха
Гигрометр измеряет содержание влаги в воздухе, которое может быть представлено абсолютной или относительной величиной. Первая из них дает просто массу водяного пара в 1 куб. м воздуха при данной температуре. А вот вторая показывает, насколько водяной пар в воздухе близок к состоянию насыщения, т. е. к динамическому равновесию со своей жидкой фазой – когда нет ни испарения, ни конденсации. Она равна отношению измеренной абсолютной влажности воздуха к его же абсолютной влажности в состоянии насыщения. Когда водяной пар в воздухе насыщен (опять же, при данной температуре), относительная влажность такого воздуха равна 100%. У воздуха же с ненасыщенным водяным паром она, соответственно, меньше.
Как работает гигрометр конденсационный
Принцип действия любого прибора для определения влажности воздуха, как правило, заключается в измерении какой-либо другой величины, такой как температура, давление, масса или механические и электрические изменения в веществе, впитывающем влагу. Путем соответствующей калибровки и расчета эти измеренные величины могут привести к определению абсолютной или относительной влажности. Весьма важную роль в этом процессе играет температура, при которой наступает насыщение пара, называемая точкой росы. Как правило современные электронные приборы для определения влажности воздуха измеряют именно эту температуру или изменения в электрической емкости или сопротивлении различных впитывающих влагу веществ, которые затем пересчитываются (автоматически) в показатели влажности.
Конденсационный гигрометр: устройство
Его работа основана именно на измерении содержания паров воды в воздухе методом точки росы. Этот способ включает охлаждение поверхности, как правило, металлического зеркала, до температуры, при которой вода на поверхности зеркала находится в равновесии с давлением паров воды в газовой пробе выше поверхность. При этой температуре масса воды на поверхности зеркала ни увеличивается (при слишком холодной поверхности), ни уменьшается (при слишком теплой поверхности), т. е пар над зеркалом находится в динамическом равновесии с водяным конденсатом на зеркале (пар насыщен).
Такое зеркало изготавливается из материала с хорошей теплопроводностью (вроде серебра или меди) и покрывается слоем инертного металла, такого как иридий, рубидий, никель или золото, чтобы предотвратить потускнение и окисление. Зеркало охлаждается с помощью термоэлектрического кулера (эффект Пельтье) до начала формирования конденсата. Луч света, как правило, из твердотельного широкополосного светоизлучающего диода, направлен на зеркальную поверхность, а фотодетектор мониторит отраженный свет, поток которого максимален при полном отсутствии конденсата на зеркале.
Способ работы гигрометра с охлаждаемым зеркалом
Когда капли росы формируются на зеркальной поверхности зеркала, то отраженный свет рассеивается. При этом его поток, попадающий в фотодетектор, уменьшается, что приводит к изменению выходного сигнала последнего. Это, в свою очередь, контролируется аналоговой или цифровой системой управления термоэлектрическим кулером, которая поддерживает стабильную температуру зеркала в точке росы. С должным образом разработанной системой зеркало поддерживается при температуре, при которой скорость конденсации в точности равна скорости испарения слоя росы. Точный миниатюрный платиновый термометр сопротивления (PRT), вмонтированный в зеркало, измеряет его температуру в этой точке, которая автоматически пересчитывается в показание влажности.
Гигрометр для измерения влажности воздуха рассматриваемой конструкции включает также вакуумный насос, чтобы закачивать анализируемую порцию газа, и дополнительные элементы фильтрации в грязных условиях.
Преимущества рассматриваемых гигрометров
Подобные приборы, основанные на простом принципе работы, с широким диапазоном измерений, высокой точностью и стабильностью показаний, широко используются в промышленности и в научных исследованиях. Типичный конденсационный гигрометр, в отличие от многих других датчиков влажности, может быть сделан очень стабильным, практически не поддающимся износу, что сводит к минимуму необходимость повторной калибровки. Гигрометр влажности по точке росы способен измерять ее в диапазоне температур от 100 °C до минимальной в -70 °C. При этом точность измерений составляет десятые доли градуса.
Многие гигрометры рассматриваемой конструкции оснащены микропроцессорным управлением и в сочетании с резистивным датчиком температуры способны рассчитать и вывести на внешний индикатор любые желаемые параметры влажности в дополнение или вместо точки росы. Кроме того, эти устройства позволяют передачу результатов с использованием беспроводных технологий. Естественно, что подобные приборы широко используются в составе различных промышленных систем автоматизированного сбора данных и управления соответствующими техпроцессами.
Сколько может стоить подобный гигрометр? Цена его, конечно, определяется в основном набором реализуемых функций, зависящих от наличия и сложности электронной системы управления прибором. Так, стационарный конденсационный гигрометр, внешне похожий на цифровой осциллограф, стоит не менее 4000 долларов. Особо “продвинутые” модели могут стоить и более 10 000 долларов. На рынке можно найти и вполне функциональный портативный гигрометр. Цена его составляет от 1 до 2 тыс. долларов.
Недостатки конденсационных гигрометров
В то время как рассматриваемая система гигрометров считается наиболее эффективной в процессе измерения, ее недостатком является неизбежное загрязнение деталей измерительного тракта в процессе работы.
Гигрометры, оснащенные охлаждаемыми зеркалами, имеют тенденцию к росту неточности измерений из-за наличия растворимых и нерастворимых загрязнений, оседающих на зеркале. Нерастворимые частицы влияют на оптические характеристики зеркала. Умеренная запыленность или появление на зеркале нерастворимых частиц обеспечивают наличие центров концентрации, на которых может образовываться роса или иней, тем самым повышая время отклика прибора. Растворимые примеси влияют на величину давления паров от конденсируемой влаги на зеркало, что смещает точку росы. Современные измерительные гигрометры (по крайней мере, их более сложные модели) включают в себя функции “самопроверки”, которые позволяют устройству обнаруживать и реагировать на загрязнение путем введения соответствующих поправок в алгоритмы расчетов показателей влажности.
Независимо от наличия подобных возможностей практически все рассматриваемые гигрометры нуждаются в периодической проверке и очистке.
Обслуживание гигрометров с охлаждаемым зеркалом
Что рекомендует пользователю прибора в этом смысле его инструкция. Гигрометр, являющийся чувствительным к загрязнениям, необходимо периодически очищать для обеспечения стабильности результатов измерений, хотя это и может увеличивать стоимость его обслуживания. Осмотр зеркала прибора обычно выполняется посредством встроенного микроскопа, а техобслуживание его – вручную, после открытия измерительного отсека.
Если очистка поверхности зеркала выполняется с требуемой в инструкции по его эксплуатации периодичностью, то таким образом можно сохранить точность измерений. Удобный доступ к зеркальной поверхности для ее очистки обычно обеспечивается шарниром между оптическими компонентами и зеркалом. На рынке сейчас можно найти любой нужный потребителю конденсационный гигрометр. Фото ниже показывает пример его исполнения.
Применение гигрометров в метрологии
Должным образом разработанный и эксплуатируемый гигрометр с охлаждаемым зеркалом обеспечивает измерения влажности с точностью на несколько порядков большей, чем позволяют другие популярные измерители влажности. Присущая им точность измерений, особенно при оснащении платиновым термометром сопротивления для измерения температуры, зеркалом и микроскопом средней мощности для мониторинга состояния зеркала, делает его идеальным для метрологических измерений. Возможности же передачи информации по беспроводным цифровым каналам связи открывают широкие возможности использования таких гигрометров в глобальных системах сбора и обработки метеоинформации.
Использование в заводских лабораториях и загрязненных средах
Данные приборы для определения влажности воздуха идеально подходят для измерения ее абсолютной величины в заводских климатических лабораториях. Они часто используются в качестве эталонов для контроля точности других инструментов, таких как датчики относительной влажности, применяемые для управления камерами для климатических испытаний.
Стабильность характеристик материалов, используемых в конструкциях данных гигрометров, а также возможность их многократной очистки делают приборы пригодными для весьма долгосрочной службы в средах с наличием большинства загрязняющих веществ без потери калибровки. Эта стабильность характеристик делает их подходящими для использования в газовых потоках, где высокие уровни загрязняющих веществ в пробах газа оказывают на менее стабильные типы датчиков влажности необратимо вредное воздействие. Например, данный тип гигрометров широко используется для контроля точки росы при термоупрочнении поверхностей металлических изделий в воздушной среде со спецпримесями. В таких случаях обеспечение легкого доступа к зеркалу для очистки особенно желательно.
Влагочувствительное производство
Специализированные техпроцессы упаковки, необходимые в производстве фармацевтических препаратов, пленок, покрытий и других продуктов часто контролируются гигрометрами с охлаждаемым зеркалом. Опять же, на их выбор в данном случае влияет стабильность точности измерений и длительный срок эксплуатации. Кроме того, поскольку эти процессы, как правило, менее чувствительны к приборным затратам, высокая стоимость данных гигрометров не является определяющим фактором в выборе схемы мониторинга влажности.
Высокотемпературные газы и их точки росы
Гигрометры данного типа часто выбирают для измерения температур точки росы выше температуры окружающей среды. Приборы с охлаждаемыми зеркалами были использованы еще в 1966 году для мониторинга водородных топливных элементов ракет Apollo, работающих при температуре 250 °C и давлении 700 фунтов на квадратный дюйм. При сегодняшних термоэлектрических технологиях охлаждения зеркал точки росы до 100 °C (и выше, при условии давления выше атмосферного) легко измеряются. В таких случаях все поверхности измерительного отсека гигрометра, находящиеся в контакте с образцом газа, должны иметь температуру выше самой высокой ожидаемой точки росы, иначе на этих поверхностях происходит конденсация, и измерение будет ошибочным.
В гигрометрах, предназначенных для измерения точки росы высокотемпературных газов, обычной практикой является использование электрических обогревателей с терморегулятором для поддержания температуры стенок измерительного отсека выше самых высоких ожидаемых точек росы. Твердотельные оптические компоненты, такие как светодиоды и детекторы, поддерживают при номинальной рабочей температуре (обычно 85 °C) для предотвращения их разрушения и выхода гигрометра из строя. Это может быть достигнуто путем термической изоляции этих компонентов от нагретого измерительного отсека.