Методы измерения влажности

 

 

2.1.4 Электролитический гигрометр

 

Принцип действия и конструкция

Электролитические гигрометры позволяют определить очень низкие содержания водяного пара в воздухе, содержащем другие газы.

Чувствительный элемент такого гигрометра (рисунок 3.4) состоит из трубки длиной 10 см, в которой размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (P₂0₅) между ними.

1–оболочка из тефлона; 2–трубка для пропускания воздуха;

3–электроды; 4–корпус из  нержавеющей стали; 5–соединительные  зажимы.

Рисунок  3.4 – Конструктивная схема электролитического датчика

(фирма Beckaman)

 

Исследуемый газ циркулирует  в измерительной трубке, а содержащийся в нем водяной пар поглощается фосфорным ангидридом, который превращается при этом в фосфорную кислоту. Между электродами создается постоянное напряжение около 70 В, вызывающее электролиз воды с выделением кислорода и водорода и регенерацию фосфорного ангидрида. Согласно закону Фарадея, который определяет соотношение между количеством электричества, проходящим между электродами, и количеством воды, подвергнутой электролизу, для того, чтобы произошла диссоциация 1 г-эквивалента (т.е. 9 г) воды, необходимо 96500 Кл электричества. Один моль воды содержит 16 г кислорода и 2 г водорода и включает две связи. Если обозначить массу воды, расщепленной в ходе электролиза за единицу времени, через dme /dt, то сила электрического тока составит:

При подходящей геометрии  датчика и определенной величине расхода значение a можно довести практически до единицы. Однако в любом случае при заданной геометрии этот коэффициент остается постоянным, если постоянна скорость воздуха, и благодаря градуировке можно определить его действительную величину.

Метрологические характеристики.

Рассматриваемый гигрометр  лучше всего подходит для измерений  в газах с очень малым содержанием  воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции  воды трубопроводами, которые делают результаты промышленных измерений  сомнительными при достижении температуры точки росы –70 °С (10 – 20 ppm). Действительно, даже при использовании труб из нержавеющей стали вследствие этих явлении сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч при концентрациях ниже 10 ppm (Тd < –70 °С).

Рабочий диапазон некоторых  моделей таких гигрометров распространяется вплоть до 30000 ppm (Тd = +30 °С), однако при переходе уровня 10000 ppm возникает опасность разрушения датчика теплотой, выделяемой электролитом; кроме того, коэффициент захвата молекул воды изменяется при высоких значениях влажности. Постоянная времени прибора зависит, главным образом, от направления, в котором происходит изменение влажности: при повышении влажности (от 10-2 до 10-1%) постоянная времени обычно не превышает 30 с; при снижении влажности (от 10-1 до 10-2%) эта величина может достигать нескольких минут.

Меры предосторожности. В  соответствии с принципом действия датчика происходит непрерывная регенерация фосфорного ангидрида P2O5. Однако срок службы этого слоя не безграничен и необходимо периодически производить регенерацию прибора. Частота регенерации зависит от условий использования и от чистоты анализируемого газа. Ее можно уменьшить путем использования фильтров из термообработанной нержавеющей стали. Не рекомендуется использовать гигроскопичные фильтры. Электролитические гигрометры позволяют измерять влажность различных газов: азота, водорода, воздуха, метана, двуокиси углерода, хладагентов (фреонов и т. д.). Однако в некоторых газах проводить измерения не рекомендуется, поскольку они могут разрушить датчик или повлиять на его функциониро­вание: это — аммиак, пары спиртов, амины, которые вступают в химические реакции с P2O5.

 

 

2.1.5 Гигрометр резистивного типа

Принцип действия и конструкция.

Определенное количество гигроскопичного вещества наносится  на подложку небольших размеров (обычно со стороной в несколько миллиметров). На эту же подложку наносятся два металлических электрода из коррозионно-стойкого металла. Сопротивление между этими двумя электродами зависит от температуры и содержания воды (отношение массы поглощенной воды к сухой массе гигроскопичного вещества); как видно из рисунок 3.5 (изотерма сорбции), это содержание зависит, в свою очередь, от относительной влажности и от температуры окружающей среды.

Рисунок  3.5 – Общий вид зависимости содержания воды от влажности при различных температурах

 

В некоторых вариантах  конструкции в качестве гигроскопичного  вещества используется жидкость. Электролиты проводят электрический ток, и их сопротивление зависит от объема, который пропорционален содержанию воды в них. Также известен способ преобразования относительной влажности в электрический сигнал. Зависимость между относительной влажностью и сопротивлением можно изобразить в виде изотермы сорбции. На рисунке 3.6 представлена типичная кривая зависимости сопротивления от относительной влажности чувствительного элемента резистивного гигрометра. Отметим, что интервал изменения сопротивления может охватывать от менее 1 до 80 МОм. В действительности сопротивление гигрометра зависит одновременно от влажности и от температуры, однако её влияние можно компенсировать.

Рисунок 3.6 – Зависимость сопротивления от относительной влажности

 

Метрологические характеристики.

Датчики этого типа позволяют  измерять относительную влажность  в диапазоне от 5 ÷ 10% до 95% при температурах от –10 °С до +50 ÷ +60 °С для наиболее распространенных бытовых гигрометров. Для промышленных моделей предельная рабочая температура может достигать +80 °С.

Постоянная времени датчика  составляет около 14 с. Указывается паспортная погрешность от ±2 до ±5% для различных  моделей датчиков. Большая часть этих датчиков может применяться совместно с приборами, использующими насыщенные растворы солей, которые позволяют обнаружить постепенный уход от градуировочной кривой.

Меры предосторожности. Необходимо избегать прямого контакта жидкости с чувствительным элементом, что сразу же приведет к его порче. Также необходимо избегать контакта с горючими газами, содержащими растворимые в воде химические соединения, которые также могут повредить гигроскопичное вещество чувствительного элемента.

 

 

 

 

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Наименование  и область применения

Наименование

Стенд для измерения линейной скорости (далее – стенд).

Область применения

Стенд предназначен для измерения  линейной скорости. С его помощью предполагается определять значение линейной скорости движущегося объекта.

Основной областью применения стенда является использование в  подразделениях предприятия, занимающихся техническим обслуживанием и ремонтом средств вычислительной техники, используемой на предприятии. Дополнительной областью применения является техническое обслуживание и ремонт источников электропитания технологического оборудования и     радиоэлектронной аппаратуры.

Основание для  разработки

Основной документ

Разработка стенда осуществляется на основании задания на курсовое проектирование.

Исполнитель

Ответственным исполнителем проекта является студент группы 31-УК федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего  профессионального образования  Иванов Иван Владимирович.

Заказчик

Проект выполняется  в соответствии с заданием на дипломное  проектирование, выданным кафедрой «Приборостроение, метрология и сертификация»   ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК». Базовым предприятием проекта является ЗАО «Протон-Импульс».

 

Сроки выполнения

Начало выполнения проекта: 05.02.2013.

Окончание проекта: 20.04.2013.

Цель и назначение разработки

Цель разработки

Разработка элементов  конструкторской документации, создание пояснительной записки, выполнение расчётов элементов конструкции стенда, проведение технико-экономического обоснования целесообразности его разработки, анализ мероприятий по обеспечению безопасности жизнедеятельности и охраны труда в подразделениях, связанных с эксплуатацией стенда.

Назначение разработки

Стенд предназначен для измерения линейной скорости.

Технические требования

Состав изделия  и требования к стенду

Стенд должен быть выполнен в настольном исполнении и состоять из двух основных частей:

– средств сопряжения с  объектом исследований: первичные преобразователи, токосъёмники, линии связи;

– блока обработки измерительных  сигналов и отображения информации в аналоговой форме, десятичном цифровом коде и с возможностью сопряжения с персональным компьютером.

Состав стенда может быть уточнён на этапе разработки проекта.

Конструктивное  исполнение

Конструктивное исполнение стенда должно обеспечивать:

– взаимозаменяемость основных однотипных составных частей;

– удобство эксплуатации;

– исключение возможности  несанкционированного доступа к  блокам;

– ремонтопригодность;

– требования централизованного  включения и отключения электропитания всех функциональных блоков.

Габаритные размеры  стенда

Габаритные размеры стенда (длина, ширина, высота) должны быть не более 200 х 100 х 50 мм.

Масса стенда

Масса стенда должна быть не более 1,5 кг.

Требования к  электропитанию стенда

Электропитание стенда должно осуществляться от гальванического  элемента со значением постоянной электродвижущей  силы не более 9 В.

Стенд должен содержать элементы сигнализации о включении, отключении, ненормальной работе.

Требования электромагнитной совместимости

По устойчивости к воздействию  электромагнитных помех стенд должен соответствовать ГОСТ Р 51317.6.1-99, критерий качества функционирования В. Уровень индустриальных радиопомех, создаваемых прибором при работе, не должен превышать значений, установленных ГОСТ Р 51318.22-99, класс Б.

Показатели  назначения

Тип объектов диагностирования: электромагнитная обстановка в вычислительном центре промышленного предприятия.

Виды определяемых неисправностей: напряжение электромагнитной помехи.

Время измерения, не более: 1 с.

Индикация показаний: аналоговая, цифровая, наличие возможности сопряжения с персональным компьютером.

Потребляемая мощность, не более: 2 ВА.

Показатели назначения могут  быть скорректированы на стадии разработки проекта и по результатам испытаний.

 

Требования к  стандартизации и унификации

Стенд должен иметь унифицированный  аналоговый выход с диапазоном изменения напряжения 0…10 В, пропорционального активному электрическому сопротивлению объекта диагностирования.

Показатели надёжности

Средняя наработка до отказа, не более: 10000 ч.

Подтверждение средней наработки  на отказ на стадии приёмочных испытаний осуществляется расчётными методами.

Эстетические  и эргономические требования

Стенд должен обеспечивать удобство измерения линейной скорости, быть удобным в эксплуатации и хранении, пригодным для ремонта с помощью универсальных технических средств.

Цвета символов и поверхностей должны быть взаимно  контрастными.

Поверхности с нанесёнными  на них символами не должны создавать  бликов. Качество покрытий – не ниже IV класса по ГОСТ 9.032-74.

Надписи на приборе  должны быть размещены таким образом, чтобы была обеспечена их принадлежность к конкретному органу управления.

Условия эксплуатации

Нормальными условиями эксплуатации должны быть:

– температура окружающего  воздуха от плюс 10 до плюс 35 ⁰С;

– относительная влажность  воздуха до 80 % при 25 ⁰С;

– атмосферное  давление от 84 кПа до 107 кПа.

Вид климатического исполнения 4.2 по ГОСТ 15150-69.

Стенд должен обслуживаться  одним оператором (подключение к  объекту, подключение к аналоговому входу преобразователя, обработка информации) с опытом работы и технического обслуживания преобразователя, компьютера и контрольно-измерительной аппаратуры.

Стенд должен обеспечивать возможность работы при подключении  к объектам диагностирования, удовлетворяющим  следующим условиям:

– наличие заземлённого электрического контакта с одной  из деталей объекта контроля;

– экранирование электромагнитных помех, в том числе помех, создаваемых приводом объекта диагностирования;

– отсутствие электрических  цепей, замыкающих накоротко вращающиеся и неподвижные детали объекта диагностирования;

– отсутствие источников дополнительной электризации объекта диагностирования (токовые утечки на корпус объекта и тому подобное);

– отсутствие агрессивных  сред;

– удалённость объекта  диагностирования (требуемая длина  линий связи) – не более 1 м;

– использование токосъёмных  устройств с малым уровнем  собственных шумов.