Кулонометрический меТоД являетсй Осн-оёным в области измерения малых влагосодержаний. Его применение непрерывно расширяется во многих отраслях народного хозяйства и научных исследований.

Глава девятая

ГИГРОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГАЗОВ

9-1. ГИГРОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИЗМЕРЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВ

К данной категории относятся диэлькометрические гигрометры диапазонов средних и коротких волн и СВЧ, а также гигрометры на принципе коронного разряда.

Основой диэлькометрического метода является зависимость диэлектрической проницаемости газов от их влагосодержания. Диэлектрическая проницаемость воздуха и других газов в абсолютно сухом состоянии (ес) мало отличается от е вакуума; в табл. 9-1 приведены значения ес некоторых газов при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст.

Таблица 9-1

При изменении влагосодержания е изменяется незначительно: изменению относительной влажности, воздуха на 1% при температуре 20 °С соответствует изменение & приблизительно на 2X10" Для измерения влажности газов диэлькометрическим методом необходимы, следовательно, технические средства, позволяющие определять е с точностью до пятого-шестого знаков (после запятой). На практике, как и в ди.элькометриче-ских влагомерах (§ 4-2 и 4-3), измерения выполняются в диапазоне низких радиочастот - до 10 Мгц (максимум до 50 Мгц) или при СВЧ - преимущественно на

сантиметровых волнах. В последнем диапазоне используются методы и устройства СВЧ рефрактометрии, нашедшей широкое применение для исследования распространения радиоволн в тропосфере.

Известен ряд эмпирических формул, связывающих е газа с его влажностью, температурой или давлением, причем, как это принято в СВЧ-рефрактометрии, е выражается через коэффициент преломления п=\в или индекс (показатель) преломления Л=(п-1)10.

По [Л. 9-1] показатель преломления атмосферного воздуха определяется уравнением

1\ - J Т J Т

где Аи Лг, Лз - эмпирические постоянные; р - давление воздуха; е - парциальное давление водяного пара; Г - термодинамическая температура воздуха.

Для широких диапазонов частот (О-30 Ггц), температур (-50+--Ь40°С), давлений (200-1 100 мбар) и парциальных давлений (О-30 мбар) были предложены формулы [Л. 9-2]:

N = 77,6 l-f 72-fl3.75-10=y-,

или в упрощенной форме

yV = I(p-f 4 810е/7)(р и е-в мбар,Т-в<).

Эти формулы, основанные на обработке экспериментальных данных многих исследователей, нашли широкое применение; они позволяют вычислить относительную влажность воздуха:

<Р = 2,68 -10- (FN - 77.6р), Vo

где Е- упругость насыщенного пара, мбар, при температуре Т.

Относительное влияние параметров воздуха на результат измерения N. было выражено значениями чувствительности, полученными [Л. 9-3] в лабораторных условиях:

dN/дТ=-1,2°К-; дМ/др=0,3 мбар-; dNJde-=4 мбар-К 304

Диэлькометрические гигрометры, работающие При низких радиочастотах, нашли весьма ограниченное применение. Для получения необходимой чувствительности и точности в их измерительных устройствах применяется преимущественно метод биений; конструкция датчиков определяется задачей, для которой предназначен гигрометр, а его размеры - также необходимостью повыше- ния чувствительности, т. е. увеличения площади электродов и уменьшения расстояния между ними. Особенностью емкостных датчиков гигрометров является также то, что их tg6 определяется почти исключительно потерями в изоляционных деталях, так как проводимость газов ничтожно мала.

Возможность использования датчика весьма малых размеров и безынерционность измерения послужили основанием для применения рассматриваемого метода в биологических исследованиях - для контроля влажности воздуха, вдыхаемого и выдыхаемого человеком, а также для измерения градиентов влажности.

В [Л. 9-4] были предложены датчики с внешним полем (полем рассеяния) с подложкой из твердого гидрофобного непористого диэлектрика (ситал, кварц, фторопласт), на который наносятся электроды, например, в форме меандра. При этом измеряют диэлектрические свойства адсорбционной пленки, образующейся на поверхности диэлектрика, которые характеризуют относительную влажность окружающей газовой среды. По механизму действия такие датчики близки к ЭГД сорбционного типа (§ 8-2).

Емкость конденсаторного датчика сильно увеличивается при появлении влаги в жидкой фазе в междуэлектродном пространстве или на поверхности обкладок. В связи с этим диэлькометрический метод был применен для измерения количества капельной воды в потоке воздуха.

Фактором, который может в значительной степени исказить результаты измерения, является загрязнение исследуемого газа парами других жидкостей. Это относится в первую очередь к парам полярных жидкостей с высокой е: ацетона, четыреххлористого углерода, хлороформа, этилового спирта и т. д.

Гигрометры СВЧ основаны на резонаторном методе (другие СВЧ-методы измерения не применялись в гигрометрии) и работают чаще всего на длинах волн,