5.11.2. Гигрометры

Гигрометры – это приборы для измерения характеристик влажного воздуха.

Гигрометры можно разделить на две группы:

- гигрометры, основанные на физическом законе, позволяющем непосредственно определить влажность (сорбционные гигрометры);

- гигрометры, принцип действия которых основан на измерении свойств тела, связанных с влажностью (импедансные гигрометры).

Эти гигрометры позволяют определить один из параметров воздуха:

- температуру точки росы ;

- температуру влажного термометра ;

- относительную влажность .

5.11.2.1. Гигрометры на основе измерения импеданса

Чувствительный элемент состоит из гигроскопического вещества, у которого происходит изменение какого-либо электрического параметра (сопротивление или емкость) при изменении влажности.

Импеданс гигрометра можно разделить на:

- резистивный;

- емкостной.

Гигрометр резистивного типа

Определенное количество гигроскопического вещества наносится на подложку. К этой же подложке крепятся два металлических электрода.

Сопротивление между электродами зависит от содержания воды, т.е. от влажности.

Общий вид зависимости содержания воды от влажности при температуре T (изотерма сорбции) представлен на рисунке 5.41.

Как видно из рисунка, содержание воды зависит от относительной влажности и температуры окружающей средыT.

Зависимость между относительной влажностью и сопротивлением можно изобразить в виде соответствующей зависимости. На следующем рисунке (рисунок 5.42) представлена типичная кривая зависимости сопротивления от относительной влажности.

В действительности сопротивление помимо влажности зависит и от температурыT.

Влияние температуры можно компенсировать с помощью потенциометрической схемы, представленной на рисунке 5.43.

Здесь сопротивление включается последовательнои его зависимость от температуры такая же, как и у резистора.

Емкостной гигрометр на основе полимерного диэлектрика

В таком гигрометре слой полимерного диэлектрика поглощает из воздуха молекулы воды. В результате устанавливается равновесие с воздухом. Это приводит к изменению диэлектрической постоянной слоя и, соответственно, к изменению емкости конденсатора, в котором используется этот диэлектрик.

5.12. Акустические датчики

Звуковые волны проявляются, главным образом, через вызываемые ими изменения давления и скорости.

Остановимся на основных понятиях и подходах к рассматриваемому вопросу.

5.12.1. Распространение плоской волны

Для физического описания течения используются законы:

- сохранения массы и количества движения;

- уравнение состояния.

С помощью этих соотношений можно получить, что возмущения малой амплитуды распространяются со скоростью, выражаемой по формуле:

, (5.140)

где - среднее давление;

- средняя плотность среды;

- отношение теплоемкостей при постоянном давлении и объеме.

Это распространение возмущения сопровождается изменением давления, скорости, плотности, и температуры.

Плоская гармоническая волна

Уравнение для давления плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси OX, имеет вид

, (5.141)

где - круговая частота;

- волновое число (- длина волны);

- начальная фаза колебаний точек среды;

- распространение волны вдоль положительного или отрицательного направления оси OX.

Существует и экспоненциальная форма записи уравнения плоской волны (эквивалентная синусоидальной форме):

(5.142)

Данная форма записи удобна для дифференцирования.

Получим выражение для скорости волны .

Для этого используем линеаризованное уравнение динамики (из закона сохранения количества движения, уравнение динамики, связывающее градиент давления и производную скорости по времени)

. (5.143)

Вводя оператор , приходим к удобному выражению

.

Отсюда после очередной замены (переходим в частотную область) из (5.144) получим

.

Продифференцировав (5.142), подставив результат в правую часть последнего выражения и производя последующую замену , приходим к выражению

.

Перепишем окончательное выражение для скорости

, (5.144)

которое устанавливает связь между скоростью волны, давлением и плотностью среды.

Переносимая волной интенсивность звука (средний поток звуковой энергии на единицу площади) выражается с помощью осредненного во времени произведения давления на скорость

, (5.145)

где - реальная часть в комплексных выражениях зависимостей.

Из последнего соотношения следует, что интенсивность звука при распространении волны полностью описывается давлением.

Произвольная плоская волна

Плоскую волну можно получить, возбуждая цилиндрическую трубку конечной длины с помощью поршня, колеблющегося, например, вдоль оси OX.

На торце поршня происходит отражение возмущения, и поле давления можно описать следующим образом по аналогии (5.142)

(5.146)

Величины и- составные части амплитуды падающего и отраженного волн.

Поле скорости получаем из уравнения динамики (вида 5.144)

, (5.147)

Выражения (5.146) и (5.147) показывают, что изменения амплитуды давления и скоростипроисходят не синфазно, а зависят от абсциссыx.

Интенсивность вычисляется по выражению (по аналогии (5.145))

, (5.148)

Как следует из последнего выражения, значение интенсивности не зависит от x и представляет собой разность между падающим и отраженным потоками.