Измерения влажности веществ и материалов

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:

(9.01)

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

(9.02)

где Т -абсолютная температура, n₀- постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см³ при нормальных условиях, т. е. при p₀= 760 Торр= 1015 Гпа и T₀ = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т. е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%.Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т.к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние - процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

(9.03)

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

(9.04)

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Давление насыщенных паров
над плоской поверхностью воды

t°c	Рнк, мбар	Анкг/м3	t°C	Рнк, мбар	Анкг/м3
	6,108	4,582		44,927	33,704
	6,566	4,926		47,551	35,672
	7,055	5,293		50,307	37,740
	7,575	5,683		53,200	39,910
	8,159	6,120		56,236	42,188
	8,719	6,541		59,422	44,576
	9,347	7,012		62,762	47,083
	10,013	7,511		66,264	49,710
	10,722	8,043		69,934	52,464
	11,474	8,608		73,777	55,347
	12,272	9,206		77,802	58,366
	13,119	9,842		82,015	61,527
	14,017	10,515		86,423	64,839
	14,969	11,229		91,034	68,293
	15,977	11,986		95,855	71,909
	17,044	12,786		100,89	75,686
	18,173	13,633		106,16	79,640
	19,367	14,529		111,66	83,766
	20,630	15,476		117,40	87,772
	21,964	16,477		123,40	92,573
	23,373	17,534		129,65	97,262
	24,861	18,650		136,17	102,153
	26,430	19,827		142,98	107,268
	28,086	21,070		150,07	112,581
	29,831	22,379		157,46	118,125
	31,671	23,759		165,16	123,900
	33,608	25,212		173,18	129,917
	35,649	26,743		181,53	136,009
	37,796	28,354		190,22	142,700
	40,055	30,048		199,26	149,482
	42,430	31,830

На стандартных справочных данных, приведенных в табл. 9.1, основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т. д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах - гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

• волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;
• емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;
• резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;
• пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;
• датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;
• оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. Схема емкостного датчика в одном из возможных вариантов дана на рис. 9.2 . На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

Рис. 09.02. Схема емкостного датчика влажности

 

 

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al₂O₃. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Резистивные датчики изготавливаются в виде структуры, схема которой дана на рис. 9.3 .

Рис. 09.03. Схема резистивного датчика влажности

 

 

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения - закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью I_λ, равное:

(9.05)

где I_λ - интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N - концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l - длина поглощающего столба, δ_λ- молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм - в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество - это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток - влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т. д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Одна из возможных конструкций оптического датчика влажности дана на рис. 9.4 . Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

Рис. 09.04. Схема оптического ВУФ датчика влажности - L(альфа) на длине волны 121,6 нм

 

 

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 9.4 есть еще одна особенность - возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

(9.06)

где N - концентрация (число) молекул в единице объема; δ_λ - сечение поглощения, I - длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности. Схема психрометра дана на рис. 9.5 .

Рис. 09.05. Схема психрометра

 

 

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

В заключение кратко остановимся на методах измерения влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое - что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе - что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно.

Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.