СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Изобретение относится к аналитической технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха.

Известно несколько способов измерения влажности воздуха:

- гигрометрический, основанный на изменении длины гигроскопических нитей (волос или синтетических нитей);

- психрометрический, основанный на физическом эффекте охлаждения при процессах испарения;

- способ зеркала точки росы, заключающийся в том, что используется поверхность с металлическим напылением, которая охлаждается до температуры, при которой из воздуха начинает выпадать роса;

- с помощью емкостных датчиков, основу которых составляют емкостные влагочувствительные элементы, представляющие собой тонкие стеклянные или керамические подложки с нанесенной на них электродной системой влагочувствительного полимерного слоя и слоя золота, который проницаем для паров воды (http://www.vlagomera.net/articl/articl2) [1].

Способ зеркала точки росы и психрометрический являются достаточно точными способами измерения влажности воздуха, но в то же время являются дорогими и сложными в плане технического исполнения. Емкостные датчики влажности относительно просты и дешевы, но требуют периодической калибровки, что усложняет эксплуатацию, и могут работать при относительно низких, близких к комнатной, температурах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения влажности воздуха с помощью двойного электрохимического сенсора с опорным водородным электродом (К. Katahira, Н. Matsumoto, Н. Iwahara, К. Koide, Т. Iwamoto. "A solid electrolyte sensor with an electrochemically supplied hydrogen standard using proton-conducting oxides" / Sensor and Actuators В 67 (2000) 189-193) [2]. Способ реализуется с помощью твердоэлектролитного сенсора для амперметрического измерения влажности газовых смесей, представляющего собой электрохимическую ячейку, содержащую два диска из твердого электролита с протонной проводимостью с двумя электродами - наружным и внутренним, нанесенными на противоположные поверхности каждого из дисков, между дисками имеется полость, а в одном из дисков сделано отверстие для газообмена между полостью сенсора и анализируемым воздухом. Оба диска герметично соединены между собой, притом на электроды одного из дисков подают напряжение постоянного тока таким образом, чтобы обеспечить накачку чистого водорода, полученного в результате электролиза влаги, во внутреннюю полость сенсора, а с электродов второго диска снимают разность потенциалов. Величина измеренной разности потенциалов на втором диске будет определяться только влажностью анализируемого воздуха.

Недостатком известного способа является то, что при низкой влажности анализируемого воздуха создать в полости ячейки атмосферу чистого водорода, полученного в результате электролиза влаги, проблематично, т.к. для этого потребуется много времени. А не обеспечив 100% чистоты водород в атмосфере полости сенсора трудно говорить о точности измерения.

Задача настоящего изобретения заключается в создании простого в изготовлении и надежного в эксплуатации способа измерения влажности воздуха с высоким быстродействием.

Предложен способ измерения влажности воздуха, где в поток анализируемого воздуха помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя дисками из твердого электролита, включая диск из протонпроводящего электролита, на противоположных поверхностях каждого из дисков расположено по паре электродов, и капилляром, соединяющим полость с потоком газа, к электродам одного из дисков прикладывают напряжение постоянного тока и по величине ЭДС, установившейся на электродах диска из протонпроводящего электролита, рассчитывают влажность анализируемого воздуха, при этом напряжение постоянного тока прикладывают к электродам диска, выполненного из кислородопроводящего твердого электролита, с подачей положительного полюса на электрод, находящийся внутри ячейки, а величину напряжения выбирают из условия обеспечения в цепи постоянного тока в величиной 10-15 мА.

Анализируемый воздух, омывающий электрохимическую ячейку термостатирован при температуре 500-600°С. Под действием напряжения, приложенного к электродам диска из кислородопроводящего электролита, через него происходит накачка кислорода из анализируемого воздуха во внутреннюю полость ячейки, где создается атмосфера чистого кислорода. Т.к. в анализируемом воздухе содержание кислорода высоко и составляет 20,5%, то накачка чистого кислорода в полость ячейки происходит в течение нескольких секунд. С электродов диска из протонпроводящего электролита снимается разность потенциалов, которая является в соответствии с уравнением Нернста функцией влажности анализируемого воздуха.

Протонпроводящий твердый электролит, выполненный на основе CaZrO₃, является униполярным проводником с проводимостью по ионам водорода. Разность потенциалов, которая снимается с электродов протонпроводящего диска, в общем виде выглядит:

где φ_H2(вн.) - водородный потенциал во внутренней полости ячейки,

φ_H2(нар.) - водородный потенциал в анализируемом воздухе.

При этом φ_H2(вн.) определяется концентрацией водорода в полости сенсора

а φ_H2(нар.) определяется концентрацией водорода в анализируемом воздухе.

Содержание водорода как в полости, так и в анализируемом воздухе будет зависеть от влажности газа, как в полости, так и в анализируемом воздухе соответственно:

Таким образом содержание водорода в полости сенсора будет равно:

а в анализируемом воздухе:

Подставив выражения (5) и (6) в уравнение (1), с учетом, что [O₂]_пол.=1, [O₂]_возд.=0,205, а [H₂O]_пол. - величина постоянная при установившемся режиме газообмена между атмосферой и газовой полостью сенсора (а), получим:

Таким образом, по измеренной величине ЭДС потенциометрической части ячейки можно однозначно определить концентрацию влаги в анализируемом воздухе. Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в повышении простоты и точности измерения влажности газов.

Способ иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема электрохимической ячейки; на фиг. 2 представлена зависимость ЭДС ячейки от влажности воздуха при разной величине силы тока, подаваемого на диск из кислородпроводящего электролита; на фиг. 3 представлена динамическая характеристика ячейки; на фиг. 4 представлена концентрационная зависимость ЭДС ячейки от влагосодержания анализируемого воздуха.

Устройство состоит из диска твердого электролита с кислородной проводимостью 1 с электродами 2 и 3, диска из протонпроводящего твердого электролита 4 с двумя электродами 5 и 6, соединенных герметиком 7, полостью 8, образованной двумя дисками 1 и 4 и капилляром 9. На электроды 2 и 3 подают напряжение постоянного тока, обеспечивающее установление в цепи тока величиной 10-15 мА, причем на электрод 3 подается плюс с таким расчетом, чтобы обеспечить накачку чистого кислорода из анализируемого воздуха в полость 8. В полости 8 создается и поддерживается за счет поданного напряжения атмосфера чистого кислорода, что создает избыточное его давление, препятствующее попаданию атмосферного воздуха в полость 8. В полости 8 кроме чистого кислорода всегда присутствует некоторое количество влаги за счет того, что в диске - протонике 4 - всегда есть влага и происходит ее постоянный обмен между атмосферой кислорода в полости 8 и твердым электролитом 4. Это обеспечивает постоянное содержание влаги в полости сенсора при постоянной температуре. На электродах 5 и 6 вольтметром измеряется генерируемая величина ЭДС, которая будет характеризовать влажность анализируемого воздуха.

Таким образом, заявленный способ измерения влажности воздуха является более простым в изготовлении, надежным в эксплуатации и обеспечивает высокое быстродействие.