Применение адсорбционных подогревных датчиков влажности

Подогревные датчики влажности по сравнению с ёмкостными имеют более высокую стабильность, надёжность, долговечность, не требуют периодической калибровки.

К недостаткам относится необходимость постоянного подогрева (десятки милливатт), влияние загрязнённости воздуха, присущее, впрочем, любым датчикам влажности, а также некоторое неудобство при обработке результата измерения. Но в наш век этим можно только заинтриговать, а не испугать.

Следует сразу отметить, что для применения указанных датчиков необходим водный раствор хлористого лития. Теоретически можно использовать и другую соль, но характеристика датчика будет иной и, наверняка, с «сюрпризами».

Теперь к сути. Датчики температуры и точки росы показаны на фото. Размеры их рабочей части: диаметр 4 мм, длина – 50 мм.

Конструкция представляет собой термометр сопротивления, покрытый слоем стеклоткани, пропитанной раствором хлористого лития. Поверх стеклоткани закреплены два параллельных электрода в виде спирали из благородного металла, например – нихрома.

Переменное напряжение питания подогрева раствора прикладывается между электродами и может быть любым от 10 до 30 В с ограничением тока короткого замыкания до 1…2 А. Например, с помощью лампы накаливания или резистора.

Упрощённо весь процесс выглядит примерно так: кристаллы соли впитывают в себя молекулы воды из воздуха, а тепловое движение этих кристаллов выталкивает их обратно.

При определённой температуре (выше температуры окружающего воздуха) достигается стабильное равновесное состояние, т.е. количество поглощённых молекул равно количеству вытолкнутых при насыщенной концентрации раствора. Эту температуру можно получить, пропуская ток через раствор соли, тем самым нагревая его. Получается отрицательная обратная связь по току – при высыхании раствора его сопротивление резко возрастёт.

Измерение температуры раствора в данном случае производится платиновым термометром сопротивления ТСП 100 с отношением сопротивления при 100°С к сопротивлению при 0°С равным 1,385 (характеристика датчика – в ГОСТ 8.625-2006 приложение А таблица А1).

Значение установившейся температуры датчика будет зависеть от давления пара в воздухе. Соответствующая сопротивлению датчика ТСП 100 температура точки росы над водой или льдом (при отрицательных температурах), необходимая нам для вычисления относительной влажности, находится по известной, экспериментально выведенной зависимости (см. приложение 1)

Требование к точности измерения температуры здесь довольно высокое и составляет не более 0,1°С (не следует путать «предел допускаемой основной погрешности» с «дискретностью» цифровых термометров).

Впрочем, задача упрощается, если использовать один и тот же вторичный прибор для двух однотипных, индивидуально откалиброванных ТС – одного для температуры воздуха, а другого – для точки росы. Под индивидуальной калибровкой я подразумеваю снятие так называемой ИСХ (индивидуальной статической характеристики), либо просто подгонку сопротивлений соединительных линий датчиков.

Итак, измерив сопротивления двух датчиков, мы получили температуру воздуха и температуру точки росы. Теперь остаётся лишь найти по прилагаемой таблице в приложении 3 соответствующее им значение относительной влажности.

Для удобства немецкая фирма Feutron Greitz любезно предоставила нам номограмму (приложение 5), с помощью которой это можно сделать быстро и не менее качественно.

Простота конструкции вполне позволяет изготовить датчик в домашних условиях, в том числе на основе медного термометра сопротивления. Характеристику датчика, разумеется, придётся снять самостоятельно, используя в качестве образцового психрометра какой-нибудь аспирационный метод.

Предлагается такая последовательность:

- изготовить датчик из очень тонкого медного провода (намотка в один слой с небольшим шагом) с сопротивлением 50 -100 Ом, заключённого в герметичную стеклянную трубку;

- покрыть слоем стеклоткани, намотать и закрепить два провода – электрода из нихрома с равномерным расстоянием между ними около 1 мм;

- пропитать раствором хлористого лития или другой соли;

- включить нагрев раствора датчика, подождать около получаса,

- за это время вычислить относительную влажность воздуха, измерив сначала его температуру спиртовым или ртутным термометром с точностью до 0,5 градуса; затем, обмотав измерительный конец термометра тонким слоем ваты, смочив и отжав его, измерить температуру смоченного термометра. При этом необходимо обеспечить движение термометра в воздухе со скоростью 1-2 м/с, например, круговыми движениями рукой в течение 5 минут. Вычисление относительной влажности производится по приложению 2.

- по приложению 3 найти значение точки росы, соответствующее найденным значениям относительной влажности и температуры воздуха;

- измерить соответствующее найденному значению точки росы сопротивление датчика, внести его в таблицу, аналогичную приложению 1.

В приложении 4 приведены значения давления насыщенных паров воды для более точного вычисления относительной влажности по температуре сухого и влажного термометров, используя формулу Шпрунга. Полученное значение таблицы в гектопаскалях следует перевести в миллиметры ртутного столба, разделив на коэффициент 1,33322.

Следует учитывать влияние измерительного тока на дополнительный нагрев датчика, и возникновение в связи с этим погрешности. На основании имеющегося опыта можно смело утверждать, что ток в несколько единиц миллиампер не вносит заметной погрешности.

Исключительно надёжно и эффективно работают подогревные датчики в регуляторах влажности. В этом случае используется два однотипных измерительных канала с задающими устройствами: температуры и точки росы. Например, такие, как  http://cxem.net/house/1-215.php

Хранить пропитанные датчики следует в герметичном сосуде, желательно с силикагелем, либо оставив подключенным напряжение подогрева.

Схема датчика: