Одним из важных факторов повншения эффективности использования гидрометеорологической информации в народном хозяйстве в условиях дальнейшей интенсификации общественного производства является совершенствование методов и средств инструментальных измерений метеоэлементов.
Измерения влажности воздуха на сети метеорологических станций необходимы для изучения физических явлений в атмосфере, связанных с переносом влаги, образованием облаков и осадков, расчетов переноса излучения, прогнозирования погоды и таких опасных явлений как туман, гололед и т. п. с целью метеорологического обеспечения авиации, сельского хозяйства, строительства, медицины, наземного, речного и морского транспорта и других отраслей народного хозяйства" На аэрологических станциях измерения влажности нужны для предполетной поверки радиозондов" «.
Измерение влажности воздуха как метеоэлемента представляет собой существенные трудности в связи со значительным диапазоном изменения массовой доли влаги и температуры в атмосфере, высокими требованиями к точности и надежности измерений, необходимостью сохранения метрологических характеристик в течение длительного времени и отсутствием обслуживания измерительной аппаратуры. Сложность задачи усугубляется наличием в атмосфере загрязнений в виде аэрозолей и агрессивных газовых компонент.
До настоящего времени на сети гидронетстанций Советского Союза для измерения влажности в зимнее время используют морально устаревший и не отвечающий современным требованиям волосной гигрометр. Поэтому разработка средств измерения влажности атмосферного воздуха, отвечающих современным требованиям по точности и надежности, особенно при отрицательных температурах, является актуальной задачей для всей Гидрометслужбы.
Это подтверждают также выводы Комиссии по приборам я методам наблюдений ВМО (восьмая сессия, Мехико, октябрь 1981 г.), где показано, что проблема, связанная с точными измерениями влаяности атмосферного воздуха в условиях нинких температур, до настоящего времени не решена.
Разработка автоматических дистанционных измерительных систем требует создания-ириборов, отвечающих современных техническим требованиям соблюдения единства измерение, точности, надежности и т. п.
С точки зрения требований потребителей метеорологической информации к репрезентативности измерений и целесообразной точности сетевой измерительной аппаратуры предел допускаемой погрешности измерения точки росы [28, на], особенно при высокой относительной влажности, не должен превышать 0,5°С. Диапазон измеряемых значений точки росы задается в пределах от -30 до *32°С при изменении температуры воздуха от -50 до +50°с[.
Градуировочные характеристики первичных преобразователей влажности должны быть стабильными в условиях загрязненной атмосферы, обеспечивать их взаимозаменяемость, высокую надежность и сохранность метрологических характеристик в течение длительного вренени (срок службы — 6 лет). Первичные преобразователи должны сохранять работоспособность после транспортировки при температурах? бО^С, наиболее просто реализовывать дистанционные измерения (до 300 м) в автоматическом режиме и обеспечивать минимальную трудоемкость в обслуживании и эксплуатации.
Анализ литературных данных показал, что научно-технический уровень развития гигрометрии по сравнению с уровнен развития других физико-химических измерений существенно ниже. Причиной этого является отсутствие надлежащего теоретического и экспериментального обосновавия для целого ряда технических решений, а также ряд технологических сложностей[3.
В настоящее гремя известны и находят применение г науке и технике десятки методов измерения влажности воздуха, основанные на различных принципах. Однако главной тенденцией в разработке гигрометров, как в СССР, так и за рубежом, является усовершенствование наиболее распространенных методов:
— психрометрического;
— конденсационногосорбционного;
— электролитического, в частности, подогревного электролитического1.
Уделяется внимание также развитию методов, основанных на поглощении инфракрасного и ультрафиолетового излучения*.
Психрометрический метод, благодаря своей простоте, является основным методом измерения влажности на сети метеорологических станций. Однако точность измерения, достаточно высокая при положительных температурах, не может быть признана удовлетворительной в области отрицательных температур. Кроме того, приборы, реализующие этот метод, нуждаются в обслуживании, что в значительной степени осложняет автоматизацию измерений.
Конденсационный, основанный на измерении температуры охлаждаемой поверхности в момент образования на ней конденсата, или при поддержании постоянной толщины пленки конденсата позволяет проводить измерения влажности с высокой точностью в очень широком диапазоне температур. Однако гигрометры точки росы — устройства сложные, дорогостоящие и нуждающиеся в квалифицированном обслуживании, что ограничивает возможность их применения, как сетевых приборов-^.
Сорбционные гигрометры, напротив, очень дешевы и технологичны, во больше подходят для разового применения, например, в радиозондах.- Основными их недостатками являются: нестабильность градуиро-вочных характеристик во времени, значительная температурная зави* симость показаний, низкая чувствительность при отрицательных температурах.
С точки зрения стабильности метрологических характеристик, обеспечения длительной безнадзорной работы в условиях, допускающих обледенение и загрязнение поверхности влагочувствительного элемента, перспективным является метод электролитических подогревных гигрометров. Этот метод позволяет наиболее просто реализовать дистанционные измерения в автоматическом региме, градировочная характеристика гигрометров определяется параметрами диаграммы трехфазного равновесия (кристаллы гигроскопической соли — растворпары воды) — устанавливающегося на поверхности чувствительного элемента^ воспроизводима с высокой точностью.
Вследствие эторо электролитические подогревные гигрометры получили достаточно широкое применение для контроля и регулирования влажности при производственных процессах в промышленности, в системах кондиционирования воздуха и др. Область применения этих гигрометров, как в СССР, так и за рубежом, непрерывно расширяется. Так, например, в ФРГ электролитические подогревные гигрометры выпускаются несколькими фирмами — (AEG, Hartman und Braun, Lambrecht, Siemens, Sprenger, Ihiess) в Голландии — Phillips, Weiss, в ГДР фирмой Feutron: в ПНРпредприятием пгсс^ в США — фирмами Yellow Spring Instrument, Honeywell и Т.Д.
Следует заметить при этом, что попытки использовать электролитические подогревные гигрометры в^области отрицательных температур к успеху не приводили. Это ограничивало возможности их применения в метеорологии, несмотря на очевидные достоинства метода и ожидаемые перспективы повышения точности и стабильности измерений.
Цель работы заключалась в исследовании и разработке электролитических подогревных гигрометров (далее ЭНГ) для измерения влажности воздуха на метеорологической и аэрологической сети, работающих в широком диапазоне температур и обеспечивавдих сохранность метрологических характеристик в условиях долговременной безнадзорной работы. При этом решались задачи научного обоснования и детального исследования физического механизма работы ЭПГ с целью построения общих принципов разработки и подбора оптимальных параметров ЭНГ, обеспечивающих расширение диапазона измерений в ооласть отрицательных температур и улучшение метрологических характеристик.
Раоота выполнялась в соответствии с задачей, поставленной госкомгидрометом по автоматизации сетевых гидрометеорологических станций. При выполнении работы использованы методы математического и физического моделирования явлений, происходящих в слое влагопог-лощавдего вещества ЭНГ. Проведены экспериментальные исследования ЭНГ с использованием образцовых гигрометров, генераторов влажного воздуха, климатических камер и других установок. На основе проведенных исследований разработаны принципы оптимального конструирования ЭНГ.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
I. Впервые всесторонне исследованы физические явления, происходящие при протекании электрического тока в поверхностном слое влагопоглощающего вещества чувствительных элементов ЭПГ. Выявлен и исследован новый физический механизм работы ЭПГ. Показано, что в отличие от общепринятой интерпретации временного разобщения процессов сорбции и десорбции влаги поверхностью влаго-чувствительного слоя ЭНГ имеет место пространственное разделение этих процессов, так как действительное трехфазное равновесие кристаллы гигроскопической соли — насыщенный раствор — пары воды) может установиться лишь при определенной температуре. Как показано экспериментально, эти процессы вызваны неоднородностью температуры между электродами. Таким образом, в стационарном рабочем режиме на поверхности ЭПГ в любой момент времени имеются зоны сорбции и десорбции. Ранее описанный механизм работы ЭПГ является частным случаем выявленного;
3. Разработана методика и проведено исследование электропроводности насыщенных растворов электролитов в зависимости от температуры, частоты и величины приложенного напряжения. Полученные данные (для СаВ^ и Ш) позволили провести изучение процессов теплои массопереноса, а также выполнить расчеты толщины поверхностной пленки электролита, необходимые для оценки динамических свойств датчиков, и оценить метрологические и эксплуатационные характеристики ЭПГ*.
4* Разработана методика и проведено исследование влияния загрязнений естественного и антропогенного происхождения на равновесную термодинамическую температуру влагопоглощающего слоя, а также процессы кристаллогидратных переходов.
Впервые показано, что нерастворимые примеси, попадающие на поверхность ЭПГ, при эксплуатации оказывают существенное влияние на процессы кристаллогидратных переходов, смещая активную частоту центрообразования новой фазы. Однако влияние их на равновесную температуру не превышает 0,5°С*.
При попадании в слой влагопоглощающего вещества растворимых примесей величина равновесной температуры возрастает и может достигать 3 °C (для морской соли).
Практическая ценность работы заключается в разработке принципов построения оптимальных конструкций, в частности:
— разраоотан новый метод подоора и экспериментальной проверки растворов для пропитки ЭнГ;
— разраоотана методика применения многокомпонентных растворов для пропитки ЭШ';
— разработаны ноше методы укладки электродов на поверхности влагопоглощаадего слоя чувствительных элементов, обеспечивающие повышение точности и надежности измерений, а также улучшение динамических характеристик Э1И';
— разработана методика экспериментальной проверки и изучения метрологических характеристик Э11Г.
Разработка оптимальных способов конструирования позволила существенно повысить точность, а также расширить диапазон измерений ЭНГ в область отрицательных температур (до минус 50°С1).
Внедрение результатов работы.
На основе полученных результатов разработана конструкция датчика влажности типа «ЦИТР» (преобразователь измерительный точки росы). Б настоящее время успешно завершены Государственные приемочные испытания «ДИтР», датчик утвержден как тип и внесен в Госреестр.
Изготовлены и переданы 40 датчиков «ПИТР» в УКГи Белорусской иСР для оснащения сети автоматических метеорологических станций М106-М.
На основе датчика «ЛИТР» разраоотан и прошел Государственные приемочные испытания дистанционный измеритель влажности воздуха даНВ-1 (ОКБ ГШ).
Проводится опытная эксплуатация «НИТР» на метеостанции Ген-тин в системе Метеорологической службы ГДР в рамках двустороннего сотрудничества Грекомгидромета и МС ГдР.
Основные результаты, полученные в работе, сводятся к следующему:
1. Теоретически исследован и экспериментально проверен на реальных моделях метод электролитических подогревных гигрометров* Построена теория п получено аналитическое выражение, описывающее работу ЭПГ. Показано, что при его использовании представляется возможным расширить диапазон измерений точки роен до минус 50-б0°С.
2. Выявлен и исследован новый физически! механизм работы ЭПГ, заключающийся в одновременном протекании процессов сорбции и десорбции влаги во влагопопгощающем слое* Ранее описанный в литературе механизм, является частным случаен выявленного*.
3. На основе анализа физико-химических процессов, протекающих в поверхностном слое электролита, была разработана и экспериментально проверена методика подбора и применения различных солевых составов для пропитки электролитических подогревных гигрометров*.
4. Разработана методика и проведено исследование электропроводности насыщенных растворов электролитов в зависимости от температуры, частоты и величины приложенного напряжения:*.
5* Разработана методика и проведено исследование влияния загрязнений естественного и антропогенного происхождения на равновесную термодинамическую температуру влагопогяощающего слоя ЭПГ, а также процессы кристаллогидратных переходов, которые оказывают влияние на метрологические характеристики ЭПГ и его надежность.
6. На основе проведенных исследований разработаны общие принципы оптимального конструирования ЭПГ, в частности:
— разработан новый метод подбора и экспериментальной проверки растворов для пропитки ЭПГ;
— разработаны новые методы укладки электродов на поверхности влагопоглощающего слоя чувствительных элементов, обеспечивающие повышение точности и надежности измерений, а также улучшение динамических характеристик ЭПГ;
— разработана методика экспериментальной проверки и изучения метрологических характеристик ЭПГ.
7. Разработка оптимальных способов конструирования позволила существенно повысить точность измерений как при положительных, так и, в особенности, в области отрицательных температур;
8. На основе полученных результатов разработана конструкция датчика типа «ЛИТР». В настоящее время успешно завершены Государственные приемочные испытания «ЛИТР11, датчик утвержден как тип и внесен в Госреестр. Учитывая принципы построения и технические характеристики, государственная комиссия рекомендовала аттестовать «ЛИТР» на Государственный Знак качества. Совместным приказом Гос-комгидромета и Минприбора назначен завод-изготовитель «ЛИТР» -Рижский опытный завод гидрометприборов.
9. Изготовлены и переданы 40 образцов для опытной эксплуатации УГКС БССР,.
10. Проводится опытная эксплуатация «ЛИТР11 на метеостанции Гентин Метеорологической службы Германской Демократической Республики в ранках двустороннего сотрудничества Госкомгидромета и НС ГДР*.
11. На основе датчика «ЛИТР» разработан в СКВ ГШ и прошел Государственные приемочные испытания дистанционный измеритель влажности воздуха ДИВВ-1.
12. Плановый годовой экономический эффект от внедрения «ЛИТР*, утвержденный экспертной комиссией Госкомгидромета, составляет 442,6 тыс. руб. при выпуске 330 шт. в год. В настоящее время «ЛИТР» экспонируется на ВДНХ СССР и удостоен Серебряной медали;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
При выполнении поставленной в диссертационной работе задачи, был проведен цикл теоретических и экспериментальных исследований и опытно-конструкторских разработок;
С целью создания сетевого измерителя влажности воздуха для метеорологических и аэрологических станций решались задачи детального исследования физических явлений, происходящих при работе ЭПГ.
Выработанные на основе проведенных исследований рекомендации, позволили предложить совокупность технических решений, результатом которых явилось создание преобразователя измерительного точки роев «ЛИТР». Отличительной чертой ЭПГ типа «ЛИТР» является расширенный в область отрицательных температур (до -30°С по точке роен) диапазон измерений.
ЛИТР" имеет следующие основные технические и петрологические характеристики:
1) диапазон измерения точки роен .•• — от минус 30 до.
32 °C;
2) диапазон температур окружающей среды., от минус 25 до.
Ф50°С;
3) абсолютная погрешность измерения точки роен вблизи ЮС# относительной влажности. не более 0,5°С;
4) время установления показаний при.
Тр — 20±-5°С и скачке точки роен в 5 °C. не более 12 мин1.';
5) масса датчика, кг ••.•••.••.•. не более 0,5;
6) габариты, мм V. не более ф 50×200;
7) потребляемая мощность, ВА ••••••••••••• не более 2,5.
Эксплуатационные испытаний ПИТР на высокогорной метеостанции ВГЙ показали сохранность метрологических характеристик датчика в течение года непрерывной работы.
Проводится оннтвая эксплуатация «ПИТР11 на нетеосташщи Гентин в системе Метеослужбы ГДР в рамках двустороннего сотрудничества Госкомгидромета СССР и КС ГДР*.
Результаты, полученные за 8 месяцев испытаний, показали, что в 95% случаев погрешность «ПИТР» не превышала? 0,5°С при среднем значении точки росы за указанный период +0,2°С.
Как доказали результаты лабораторных, натурных и государственных приемочных испытаний, имеются четкие перспективы дальнейшего повышения точности устройства. В настоящее время на основе датчика типа «ПИТР» планируется разработка образцового ЭПГ, предназначенного самым простым путем решить проблемы метрологического обеспечения «ПИТР» при его серийном выпуске на заводе;
Ведутся работы по замене платинового термочувствительного элемента ЭПГ на никелевый, а также замены материала электродов, что приведет к снижению себестоимости датчика и экономии драгоценных металлов.
Полученные в работе результаты исследований позволяют считать, что в дальнейшем возможно расширение диапазона измерений ЭПГ типа «ПИТР» до температур минус 50-б0°С, как с использованием новых гигроскопических растворов, так и с применением ЭПГ, содержащих ряд чувствительных элементов, каждый из которых работает в своем диапазоне температуры и влажности.
Дальнейшее развитие разработки многокомпонентных растворов для пропитки ЭПГ открывает широкие перспективы создания на базе «ПИТР» морских датчиков влажности, допускающих попадание частиц морского аэрозоля без смещения градуировочной характеристики.