Гигрометр. Виды и устройство. Работа и как выбрать. Особенности
Гигрометр – точный измерительный прибор, предназначенный для определения уровня влажности в воздухе или других газах. Может использоваться как отдельное устройство, предназначенное для измерения влажности, или являться частью климатических приборов, к примеру, кондиционеров и т.д.
Где используется гигрометр
Прибор имеет широкую сферу применения. Данные об уровне влажности воздуха являются важными, так как позволяют поддерживать оптимальный микроклимат.
Это может быть необходимо в:
С помощью гигрометра можно контролировать заданную влажность при производственном процессе. Ее контроль и поддержания на определенном уровне также важен для жилых помещений. Знание о влажности необходимы для корректировки микроклимата в помещениях, где содержатся животные. Также гигрометры применяются в теплицах.
Виды гигрометров
Для измерения влажности могут использоваться различные физические принципы. В связи с этим существует несколько типов гигрометров, имеющих существенные технические отличия. Они бывают:
Это разные приборы, многие из которых дают приблизительный результат, а также имеют другие ограничения использования, вследствие чего не пользуются спросом.
Волосной
Является устаревшим и чаще всего встречается как музейный экспонат. Принцип его работы основан на физическом свойстве волоса менять длину в зависимости от уровня влажности. В конструкции гигрометра используется натянутый волос, одним концом связанный со стрелкой. В зависимости от того насколько оттянется волос, зависит угол наклона стрелки.
Приборы этого типа считаются устаревшими ввиду низкой точности, но ее достаточно для бытового применения. Однако они очень чувствительны к механическому воздействию. При сильной встряске или ударе волос может порваться, и устройство выйдет из строя. Отремонтировать его крайне сложно, так как эта функция не предусматривается. Используемый в системе обезжиренный человеческий волос позволяет определять влажность воздуха в пределах от 30% до 100%. Устройство может использоваться для расчета влажности в случае минусовой температуры.
Пленочный гигрометр
Схож по принципу работы с волосяным. Он оснащается органической пленкой. Та меняет свою длину в зависимости от влажности. С пленкой связан механизм шкалы. Такое устройство не боится механического воздействия в разумных пределах, чем превосходит волосяные гигрометры. Устройство может использоваться для определения влажности воздуха при отрицательной температуре.
Зачастую устройство предусматривает наличие механизма калибровки. Его можно отрегулировать, пользуясь данными полученными на более точных приборах, которыми являются психометрические или абсолютные гигрометры.
Весовые
Такие гигрометры очень точные. Это избыточно для домашнего применения, поэтому такими приборами больше пользуются в лабораториях, так как они являются абсолютными. Устройство представляет собой соединенные трубки. Внутри них находится вещество, способное быстро поглощать пар из воздуха. Трубки постоянно пребывают в закрытом состоянии.
Для измерения относительной влажности необходимо открыть доступ воздуха на определенное короткое время. В результате прохождения через трубки пар из воздуха останется в поглощающем веществе. Вследствие этого масса самого гигрометра увеличится. Определив текущий вес устройства после увлажнения, и сравнив его с первоначальными данными, можно рассчитать относительную влажность.
Для пользования этим устройством нужно проводить математические расчеты. Для подсчетов требуются данные о массе гигрометра до и после измерения, а также об объеме пропущенного через трубки воздуха. Таким образом, чтобы получить более-менее точные данные измерения, необходимы весы с минимальной погрешностью. Кроме этого на уровень точности может влиять фактор состаривания вещества в трубках. Со временем оно теряет свои первоначальные свойства, и поглощает влагу из воздуха хуже.
Керамические
Устройство также называют механическим. Принцип его работы основан на зависимости уровня увлажненности диэлектрика к его токопроводности. Гигрометр оснащается керамическим пористым чувствительным элементом. Он поглощает влагу с воздуха. Если влажность высокая, то он набирает много воды, а если низкая, то керамический кубик наоборот подсыхает.
Через керамический элемент пропускается электрический ток. Когда влажность высокая, и он более увлажнен, то электрическое сопротивление снижается. Стрелка прибора реагирует на сопротивление, от чего располагается под определенным углом на циферблате, тем самым указывает на относительную влажность.
Данные устройства не самые точные, но дают вполне приемлемый результат, что позволяет их применять в системах климат-контроля и т.д. Главное их достоинство в даче прямых показаний влажности в текущем времени. Не нужно ничего считать по формулам или пользоваться вычислительными таблицами. Также устройство не нуждается в активации процесса замера. Его стрелка указывает на уровень влажности постоянно.
Конденсационные
Гигрометр этого типа также дает весьма приблизительный результат. В основе принципа его действия лежит свойство конденсирования пара. Устройство оснащается небольшим зеркалом. Перед замером измеряется температура зеркала. После этого оно охлаждается по принципу эффекта Пельтье. Остывание зеркала вызывает конденсирование на нем влаги. Как только это происходит, замеряется температура зеркала уже в этот момент. Сравнивая данные температуры, с помощью таблицы можно определить уровень относительной влажности.
Чтобы данные получились максимально точными, нужно вовремя определить момент образования конденсата, и своевременно измерить температуру зеркала. Для этого в гигрометре предусматривается оптическое или электрическое устройство. Электрическое является более точным, так как исключает человеческий фактор.
Электронные
Является наиболее удобным и весьма точным. Гигрометр оснащается пластинкой с электроизоляционного материала. Сверху нее имеется покрытие из хлорида лития. Уровень электрической сопротивляемости хлорида лития меняется в зависимости от уровня влажности воздуха.
Основываясь на этих данных, устройство самостоятельно проводит все исчисления, выдавая на дисплее готовый результат. Прибор очень быстро реагирует на изменение относительной влажности воздуха. Обычно данные приборы дополнительно оснащаются термометром.
Нужно отметить, что электрические гигрометры имеют разный уровень погрешности, зависящий от окружающей температуры. Более сложные приборы имеют усовершенствованный вычислительный потенциал, что позволяет минимизировать погрешность.
Психрометрические
Данный гигрометр также называют психрометр. Он имеет очень простую конструкцию. В основе прибора применяется 2 термометра. Один является сухим, а второй влажным. Влажный отличается от сухого тем, что внизу его колба соприкасается с батистовой лентой. Край ленты окунается в сосуд с водой. Вследствие этого лента всегда мокрая. Она увлажняет колбу мокрого термометра. Вода на нем испаряется, тем самым охлаждает термометр. По этой причине он показывает более низкую температуру.
Для определения влажности нужно сравнить нормальную температуру, полученную на сухом термометре и сниженную, из мокрого. Для этого используется специальная таблица. Обычно ее печатают прямо на корпусе психрометра.
Для работы данного прибора нужно своевременно подливать воду в колбу, в которую окунается батистовая лента. Если вода испариться, то данные с термометров будут одинаковыми.
Критерии выбора гигрометра Ключевыми моментами при выборе гигрометра являются его следующие параметры:
Большинство гигрометров рассчитаны на использование только при положительной температуре. Если возникает необходимость работы при пониженных температурах, то используются мембранные и волосяные гигрометры. Кроме этого отдельные устройства могут применяться только в тепле. Так гигрометр ВИТ-2 может применяться в диапазоне температур +15…+40°С.
Также гигрометры разного устройства имеют разный диапазон определения относительной влажности. Большинство из них могут работать выдавать корректный результат замеров только в диапазоне 20-90%.
Важным критерием является принцип действия устройства. Одни приборы работают приблизительно, другие дают вполне точный результат. От принципа действия гигрометра зависит то, будет он показывается уровень относительной влажности непрерывно или только в момент проведения определенных манипуляций. Самыми удобными являются электронные и керамические гигрометры. Для работы с другими нужно делать расчеты, то есть придется потратить несколько минут, чтобы определить уровень влажности.
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.