Курсовая работа: Датчики влажности

1. Общие сведения

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30 °С в Сибири, где зимой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0 °С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно. (Естественно, что здесь учитываются только климатические факторы и не рассматриваются экономические, культурные и политические). Работа многих также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20–25 °С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях, правда, здесь существуют исключения: например, в производственных комнатах Класса А влажность должна быть 38%, а в больничных операционных – 60%. Влага входит в состав большинства выпускаемых изделий и материалов. Можно сказать, что большую часть валового национального продукта любой страны составляет вода.

Для измерения влажности используются приборы, называемые гигрометрами.

Первый гигрометр был создан Джоном Лесли A760–1832. Чувствительный элемент гигрометра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и температуры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптическими. Оптические газовые датчики определяют точку росы, в то время как оптические гигрометры измеряют содержание воды в органических растворах по поглощению излучения ближнего ИК диапазона в интервале 1.9…2.7 мкм.

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются разные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м3). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ррт). Приведу несколько полезных определений:

1 ???????? (<?????????? ?????????>): ????????????? ??????, ??????????????? ??? ????????? ????? ??? ?????????? ??????? ????????? ??????? ??? ?????? ???????.2 ????????? (<?????????? ?????????>, <???????? ?????>): ????????????? ??????, ??????????????? ??? ????????? ????? ??? ?????????? ??????? ????????? ?????.3 ?????????: ?????????????? ????????????? ??????, ??????????????? ??? ??????????? ?????? ???????? ??????? ????????? ?????.4 ?????? ?????????; ??????: ????????? ????????????? ??????????????? ??????? ????????? ? ?????? ?????????? ????????, ???????? ? ?????????????.5 ???????????????? ?????: ????? ?????????? ????????? ??????? ?????????, ????????????? ? ????????? ????? ?? ???????? ? ?????????? ????????? ????? ???????? ???????? ? ??? ????? ????? ???? ?????????? ?????.6 ????????????-???????????????? ?????; ????? ???????????: ???????????????? ????? ????????? ????????? ??????? ???????, ?????????? ?? ????????????? ??????? ???????? ????? ?? ????????.7 ????????????????????? ?????; ???????? ????? (<????????-???????? ?????>): ????? ???????????, ?????????? ?? ???????? ????? ?? ???????? ????? ??? ??????????.8 ????????-???????????????? ?????; ????????? ?????: ????? ???????????, ?????????? ?? ????????? ??????? ???????? ????? ?? ????????.9 ????????-???????? ?????: ????? ???????????, ?????????? ?? ????????????? ?????????? ????????? ? ?????????? ???????? ???????? ????? ?? ????????.10 ??????????-???????????????? ?????: ???????????????? ????? ????????? ????????? ?????, ?????????? ?? ??????????? ??????? ????????? ????? ?? ?????.11 ??????????????-???????????????? ?????: ???????????????? ????? ????????? ????????? ?????, ?????????? ?? ??????????????? ??????? ????????? ????? ?? ?????.12 ????????????????? ?????: ????? ?????????? ????????? ????????? ?????, ?????????? ?? ??????????? ??????? ????????? ????? ?? ???? ? ??????????? ????????? ?????????? ?????????????, ???????????? ??? ?????????????????? ?????????? ???? ?????.13 ????????????????? ?????: ????? ?????????? ????????? ????????? ?????, ?????????? ?? ??????????? ????????? ??????????? (??????????) ?????????? ???????? ???? ?? ????????? ??????????? ????.14 ??????????: ?????????? ??? ?????????? ?????????????????? ?????? ?????????, ?????????? ????? ? ????????? ??????????.15 ????????????? ??????????: ??????????, ?????????? ??????????? ? ??????????? ??? ????????? ??????????? ????????????? ?????.16 ????????????????? ???????: ?????????????? ?????????, ?????????? ??????????? ?????-???? ???????? ????????? ???? ?? ???????? ?????????? ?????? ? ?????????? ???????????17 ????????????????? ???????????: ??????????? ? ????????????????? ???????, ????????? ?? ??????????? ??????????? ? ???????? ?????? ???????????.18 ????????????????? ?????????: ?????????, ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ????????????????? ?????? ?????????, ?????????????? ?????????? ???????? ????????? ? ????????????? ?? ???????? ?? ????????? ??????????.19 ??????????????? ?????: ????? ????????? ????? ???? [????], ????????????? ? ?????????? ???? ?? ??????????? ????????? ?????????? (???? ??? ????) ? ????????? ???? ???????????.20 ??????????? ?????: ????? ?????????? ????????? ????????? ??????? ???????, ????????????? ? ????????? ????????? ????, ???????????? ? ???????????????? ?????????? ? ????? ??????????.21 ?????????????????? ?????: ????? ?????????? ????????? ????????? ???????, ?????????? ?? ??????????? ??????????????? ????????????? ???? ??????? ?? ?? ?????????.22 ????? ??????: ?????????? ????? ????????? ????????? ??????? ? ?????? ??????? ????????????? ? ??????????????? ????? ?? ????? ???????? ????????????? ? ??????????? ?????????? ?? ??????????? ????????? ??????.23 ?????????? ??????: ?????? ?????????? ????????? ????????? ?????, ?????????? ?? ??????????? ?? ?????????? ??????? ?? ?????????.24 ?????????? ?????: ????? ????????? ????????? ??????? ???????, ????????????? ? ?????????? ??????? ????????? ?? ????? ???????? (????????) ? ????????? ????????????? ?????? ???????????? ????????? ?????????.25 ?????????????? ????????? [?????? ?????????]: ????????? [??????], ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ??????????? ?????????? ??????????????? ???????? ?? ????????? ????.26 ????????? ????????? [?????? ?????????]: ?????????????? ????????? [??????], ? ??????? ? ???????? ??????????????? ???????? ??????????? ?????, ???????? ????????????.36 ????????? ????????? [?????? ?????????] (<?????????? ?????????>): ?????????????? ????????? [??????], ? ??????? ? ???????? ??????????????? ???????? ???????????? ??????????????????? ??????, ???????? ????????? ?????????????.37 ??????????? ???????? [?????????, ?????? ?????????]: ???????? [?????????, ??????], ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ??????????? ?????????????? ????????????? ??????????????? ???????? ?? ????????? ????????38 ????????? ???????? [?????????, ?????? ?????????]: ???????? [?????????, ??????], ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ??????????? ????????????? ??????? ??????????????? ???????? ?? ????????? ????????.39 ????????????????? ????????? [?????? ????????? ????]: ??????????? ????????? [?????? ????????? ????], ? ??????? ? ???????? ??????????????? ???????? ???????????? ?????? ???????? ????.40 ????????????????? ??????????? ????????? ????? ???? [?????? ????? ????]; ??????????? ????????? [??????]: ????????????????? ????????? [?????? ????????? ????] ? ??????????, ?????????? ???????? ????????????? ??????????????? ???????? ?????????????? ?? ?????????? ??????, ? ??????????? ?????????? ?????? ????? ????? ???? ??????????? ????.41 ???????????????? ????????? [?????? ????????? ????]: ????????? [?????? ?????????], ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ??????????? ??????? ????????? ??? ??????????? ??????????????????? ??????????, ????????? ???????????????? ?????, ?? ????????? ??????????? ????.42 ?????????? ????????: ???????? ??????? ???????, ??????? ???????? ???????? ??????? ?? ?????????? ?????? ?????????.

В воздухе всегда содержится определенное количество влаги в виде водяного пара. Там, где наличие водяного пара приводит к возникновению химических, физических и биологических процессов или оказывает влияние на эти процессы, большое значение имеет постоянный контроль за влажностью воздуха. Для определения количества влаги имеются две измерительные величины. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность (точка насыщения)

Абсолютная влажность Fabs показывает такое количество водяного пара, которое содержится в определенном обьеме воздуха.

Воздух, как смесь газа и пара, всегда содержит водяной пар. Водяной пар создает определенное давление, которое называют давлением водяного пара. Оно является частью всего барометрического давления газа.

Давление водяного пара и соответственно абсолютная влажность воздуха могут повышаться при определенной температуре только до предела насыщения. Это максимально возможное давление называют давлением насыщения. Температурная зависимость давления насыщения изображается кривой давления водяного пара.

Давление окружающей среды или наличие других газов не оказывает влияния на кривую давлений водяного пара. Влажность насыщения достигается максимальным количеством водяного пара, смотри диаграмму.

Точка насыщения

При дальнейшем поступлении водяного пара образуется конденсация. Избыточное количество водяного пара проявляется в виде дождя, тумана или конденсата. Насыщенное состояние при этом сохраняется. Если насыщенный теплый воздух охлаждается, то также происходит конденсация. Теперь охлажденный воздух будет впитывать меньше влаги. Температура, при которой это происходит, называется температурой точки насыщения. Она указывается в °С. С помощью точки насыщения можно установить давление водяного пара влажного воздуха по кривой давления водяного пара. Итак, точка насыщения является единицей измерения количества воды во влажном воздухе. Величина абсолютной влажности воздуха подбирается в зависимости от данных расчетных требований. Различные размерности имеют постоянное соотношение друг с другом, смотри диаграмму.

Относительная влажность

Относительная влажность воздуха это отношение фактически имеющейся, т.е. абсолютной влажности воздуха Fabs к максимально возможной влажности воздуха Fsat при данной температуре. Относительная влажность воздуха представляет собой безразмерную величину. Она является передаточным числом и указывается в%.

При высокой температуре воздух может поглощать больше влаги чем при низкой. Максимальная влажность, которую может поглотить воздух, называется влажностью насыщения. До насыщения давление водяного пара и следовательно относительная влажность пропорциональна всему барометрическому давлению. Так как давление насыщения зависит только от температуры, относительная влажность воздуха также зависит от температуры. Относительная влажность уменьшается, если температура повышается и наоборот. Влияние колебаний температуры на относительную влажность может быть значительным.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса – Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

ln psw = -6094,4692T-1 + 21,1249952 – 0,027245552 T + 0,000016853396T2 + 2,4575506 ln T

ln psi = -5504,4088T-1 – 3,5704628 – 0,017337458T + 0,0000065204209T2 + 6,1295027 ln T,

где psw и psi – давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда соответственно (Па);

Т – температура (К).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100ºC (для psw) и от -0 до -100ºC (для psi). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50ºC).

2. Методы и средства измерения влажности

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т.д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

Влагосодержание – величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

(1)

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--