Тема №18. Основи вимірювання вологості та параметрів радіації

План

Поняття про вологість повітря та іі види. Способи та методи вимірювання вологості.  Детектори радіації та їх застосування.

 

   Поняття про вологість повітря. Певна  кількість води у вигляді прозорою невидимою пари в повітрі є  завжди. Довести, що в повітрі є  вода, досить легко. Варто лише пригадати  морозильну камеру холодильника. Звідки в ній взялися сніг і лід, адже воду туди ніхто не наливав? Вони утворилися з води, що “зайшла” туди з повітрям. В атмосферу водяна пара надходить  внаслідок випаровування з поверхні океанів, річок, озер, грунтів та ін. Вміст водяної пари у повітрі  називається вологістю повітря.

     Але при випаровуванні повітря не може вміщувати водяну пару безмежно. Ця межа залежить від його температури. З мал.  видно, що чим вища температура, тим більше пари в може міститься в 1 м3 повітря. Наприклад, 1 м3 повітря при +200 С  може містити будь-яку кількість пари, але не більше 17 г води. Якщо повітря увібрало максимально можливу за даної температури кількість пари, його називають насиченим. Частіше повітря буває ненасиченим, тобто воно містить водяної пари менше, ніж могло б. Наприклад, над степами і пустелями повітря завжди сухе, ненасичене, оскільки випаровування там невелике.

     Абсолютна й відносна вологість повітря. Абсолютна  вологість – це кількість водяної  пари (у грамах), що міститься в 1 м3 повітря. Наприклад, якщо кажуть: абсолютна  вологість повітря дорівнює 15 г/м3, це означає, що в 1 м3 повітря міститься 15 г пари. Найменша в світі абсолютна  вологість повітря в Антарктиді – соті долі г/м3, найбільша на екваторі – 23 г/м3. Найменша в Україні в  січні – близько 3 г/м3.

     Для ненасиченого повітря вказують відносну вологість. Це – відношення (у відсотках) кількості водяної пари, що міститься  у повітрі, до тієї її кількості, що може міститися в повітрі за даної  температури. Так, якщо в повітрі  міститься 3 г/м3 пари, а за даної температури  найбільш можливий її вміст становить 5 г/м3, то відносна вологість повітря  буде 3 : 5 х 100 % = 60 %. Це означає, що повітря  вміщує тільки 60 % тієї кількості водяної  пари, яку воно могло б вмістити за даної температури.

     Відносна  вологість повітря завжди висока (85 %) в екваторіальних широтах. Це тому, що там цілий рік висока температура  і велике випаровування з поверхні. Так само висока відносна вологість  повітря і в полярних районах, але вже через низькі температури (для насичення холодного повітря  не потрібно багато вологи). В помірних широтах відносна вологість взимку вища, ніж влітку. Наприклад, в Україні  взимку вона перевищує 80 %, а влітку зменшується до 60–70 %. Особливо низька відносна вологість в пустелях – 50 % і нижче. Повітря, що має вологість 30 %, вважається дуже сухим.

Способи та методи вимірювання вологості. Гігрометричний спосіб вимірювання вологості. Даний спосіб вимірювання вологості заснований на зміні довжини гігроскопічних ниток (волосся, або синтетичних ниток). Використання приладів в основі яких лежить гігрометріческій спосіб вимірювання обмежена, насамперед, через класу точності, т.к точність таких вимірювань становить близько ± 5% відносної вологості.

Психрометричний спосіб вимірювання вологості. Цей спосіб вимірювань заснований на фізичному ефекті охолодження при процесах випаровування. Один термометр зчитує температуру навколишнього повітря, а інший - зчитує температуру вологого термометра. Термометр (зчитує температуру навколишнього повітря) зволожений бавовняною тканиною і обдувається повітрям зі швидкістю від 2 до 3 м / с. Випаровування охолоджує термометр, і при настанні стану рівноваги, вологість підраховується за показаннями сухого і вологого термометра. Ступінь точності 1% відносної вологості досягається при використанні точних термометрів, а також, за умови акуратного обслуговування устаткування.

 

Дзеркало точки роси. При цьому способі вимірювань, використовується поверхню з металевим напиленням, яка охолоджується до температури, при якій з повітря починає випадати роси. Виміряна температура в цій точці, відповідає температурі точки роси. Орієнтуючись на температуру навколишнього повітря, можна розрахувати вологість. При такому способі вимірювань може бути досягнута точність 1% відносної вологості. Розглянуті способи: дзеркало точки роси і психрометрический - є достатньо точними, але в той же час є дорогими і складними в плані технічного виконання.

Ємнісні датчики для вимірювача вологості. Останнім часом, все більш поширеними стають ємнісні датчики вологості. Незаперечна перевага цих датчиків в тому, що вони не дороги, прості в експлуатації і забезпечують дуже точні свідчення вимірювань (Вимірювач вологості повітря ІВТ01-7, Вимірювач вологості і температури з записом ІВТП-6 комплектуються датчиком ємності). Основу датчиків складають ємнісні вологочутливі елементи. Не великі, тонкі, скляні або керамічні підкладки є основою для електродної системи вологочутливість полімерного шару і шару золота, який проникний для пари води. Полімерний гігроскопічний шар може вбирати молекули води, які змінюють їх відносну діелектричну проникність, ця система являє собою вологозалежний конденсатор. Ємність цього конденсатора є мірою відносної вологості навколишнього його повітря. Зміна ємності конвертується у вихідний електричний сигнал електронікою, яка розташовується безпосередньо біля вологочутливого елемента. Т.ч. при об'єднанні цих двох елементів виходить ємнісний датчик вологості, який відкалібрований за стандартами вологості. Досягається ступінь точності, який істотно залежить від лінійності відхилень, гістерезису і температурної залежності, становить близько 2% відносної вологості. можуть використовуватися всередині температурного діапазону від -20 ° С до +80 ° С.

Принцип роботи і пристрій психрометрів. Принцип дії будь-якого психрометра заснований на фізичній властивості рідини (води) до випаровування і виникнені при цьому різниці температур, які показуються сухим і вологим термометрами. Випаровування, за рахунок того, що рідину залишають найбільш "швидкі" молекули, призводить до втрати рідиною частини енергії і як наслідок зниження її температури, реєстроване змоченим термометром. Найпростіший психрометр складається з двох скляних термометрів (спиртових або ртутних). Один сухий, інший вологий, обгорнутий вологою бавовняною тканиною. Кінець цієї тканини опущений у резервуар з рідиною. При випаровуванні води відбувається охолодження вологого термометра. Чим нижче вологість навколишнього повітря, тим інтенсивніше протікає цей процес. Отже, чим сухіше повітря, вологість якого визначається, тим нижче будуть свідчення змоченого термометра, тим більше буде різниця між показаннями сухого і вологого термометрів. Зафіксувавши показання сухого і вологого термометрів, за допомогою спеціальних формул або психрометричних таблиць визначається відносна, а потім по психрометрический формулою - абсолютна вологість повітря.

       Рис. 1. Психрометр

 

Види гігрометрів. Ваговий (абсолютний) гігрометр складається з системи U-подібних трубок, наповнених гігроскопічною речовиною, здатною поглинати вологу з повітря. Через цю систему насосом протягують деяку кількість повітря, вологість якого визначають. Знаючи масу системи до і після вимірювання, а також об’єм пропущеного повітря, знаходять абсолютну вологість.

 Дія волосяного гігрометра засноване на властивості знежиреного волоса змінювати свою довжину при зміні вологості повітря, що дозволяє вимірювати відносну вологість від 30 до 100%. Волос натягнуть на металеву рамку. Зміна довжини волосся передається стрілці, що переміщається уздовж шкали.

 Плівковий гігрометр має чутливий елемент з органічної плівки, яка розтягується при підвищенні вологості і стискається при зниженні. Зміна положення центру плівкової мембрани передається стрілці.

У електролітичному гігрометрі пластинку з електроізоляційного матеріалу ( скло, полістирол) покривають гігроскопічним шаром електроліту - хлористого літію - з матеріалом. При зміні вологості повітря міняється концентрація електроліту, а отже, і його опір, вада цього гігрометра - залежність показань від температури.

 Дія керамічного гігрометра засновано на залежності електричного опору твердої і пористої керамічної маси (суміш глини, кремнію, і деяких оксидів металу) від вологості повітря.

 Конденсаційний гігрометр визначає точку роси по температурі охолоджуваного металевого дзеркальця у момент появи на ньому слідів води (або льоду), що конденсується з навколишнього повітря. Конденсаційний гігрометр складається з пристрою для охолодження дзеркальця, оптичного або електричного пристрою, що фіксує момент конденсації, і термометра, що вимірює температуру дзеркальця. У сучасних конденсаційних гігрометрах для охолодження дзеркальця користуються напівпровідниковим елементом, принцип дії якого заснований на Пельтье ефекті, а температура дзеркальця вимірюється вмонтованим у нього дротяним опором або напівпровідниковим мікротермометром.  Ефект Пельтьє — явище виділення або поглинання тепла на контактах двох провідників/напівпрвідників (германій, кремній, індій) при проходженні через них елекричного струму. Якщо контакт нагрівається, то ефект Пельтьє називають позитивним, якщо охолоджується — негативним.

Кількість теплоти, яка виділяється чи поглинається при проходженні електричного заряду через контакт, пропорційна величині заряду, який проходить через контакт

де Q — кількість теплоти, q — величина заряду, який пройшов через контакт, Π — коефіцієнт Пельтьє.

 Все більшого поширення знаходять електролітичні гігрометри з підігрівом, дія яких заснована на принципі вимірювання точки роси над насиченим соляним розчином (зазвичай хлористим літієм), яка для даної солі перебуває у відомій залежності від вологості. Чутливий елемент складається з термометра опору, на корпус якого надітий панчіх зі скловолокна, просочений розчином хлористого літію, і двох електродів з платинового дроту, намотаних поверх панчохи, на які подається змінна напруга.

Кулонометричний гігрометр. Давач виготовлений у вигляді ізоляційної трубки 1, всередині якої розташовані платинові електроди 2 та 3, виконані у вигляді двох паралельних спіралей, які підключені до джерела постійного струму 5.

      Рис. 2. Кулонометричний гігрометр.

 

      Електроди утворюють спіральний промі­жок, який покритий тонкою плівкою з фосфорного ангідриду, який є високоефективним сорбен­том і не розкладається під час електролізу. Плівка поглинає вологу із газу, який пропускається через давач зі сталою швидкістю. При цьому безперерв­но проходять два процеси: утворення фосфорної кислоти і електроліз із регенерацією фосфорного ангідриду:

Р₂0₅ + Н_гО -> 2НРО_г      4НР0₂ ->2Н₂ + 0₂ + 2Р₂0₅

  Струм електролізу, який вимірюється за спадом на напруги на резисторі R пропорційний абсолютній вологості газу.

 

Детектори радіації та їх застосування. При ядерному вибуху, крім ударної хвилі, світлового випромінювання та проникаючої радіації, утворюється велика кількість радіоактивних речовин (РР), тобто речовин, ядра атомів яких можуть самовільно розпадатися і перетворюватися на ядра атомів Інших елементів, випускаючи при цьому невидиме випромінювання. Вони уражають місцевість і людей, що перебувають на ній, об'єкти, майно та різні предмети. Випромінювання РР можуть бути трьох видів: гама, бета, альфа.

Гама-випромінювання — це електромагнітні хвилі, аналогічні рентгенівським променям та промінням світла, розповсюджуються у повітрі зі швидкістю 300000 км/сек. Вони здатні до проникнення через товщу різних матеріалів. Випромінювання — основна небезпека для людей, оскільки іонізує клітини організму.

Бета-випромінювання — це потік електронів, що називаються р-частками. Швидкість їх руху може сягати у деяких випадках швидкості світла, їх проникаюча здатність менша, ніж гама-випромінювання, але іонізуюча дія у сотні разів сильніша.

Альфа-випромінювання — це потік ядер атомів гелію, які називаються а-частками. Вони мають високу іонізуючу здатність. Довжина пробігу альфа-частки у повітрі становить усього близько 10 см, а в твердих і рідких середовищах ще менше. Одяг, засоби індивідуального захисту повністю затримають альфа частки. Через високу іонізуючу здібність альфа-частки дуже небезпечні при потраплянні в організм.

Нейтрони утворюються тільки в зоні ядерного вибуху, їх Іонізуюче випромінювання може викликати ураження людей як при внутрішньому, такі при зовнішньому опромінюванні. Внутрішнє виникає при потраплянні РР усередину організму з повітрям, що вдихається, питною водою та їжею. Зовнішнє — при перебуванні людей на зараженій місцевості, потраплянні РР на шкіру та одяг людей, а також при дії проникаючої радіації. Іонізуюче випромінювання не має кольору, запаху — людина його не відчуває.

 Прилади, що призначені для виявлення та вимірювання радіоактивних випромінювань, називаються дозиметричними.

Дозиметричні прилади призначені для:

радіаційної розвідки — визначення рівнів радіації на місцевості;

контролю за ступенем зараження радіоактивними речовинами техніки, продуктів харчування, води та ін.;

контролю за опромінюванням — вимірювання поглинаючих доз опромінювання людей;

визначення наведеної радіоактивності в ґрунті, техніці, предметах, які опромінювались нейтронними потоками.

ПРИНЦИПИ ДІЇ ДОЗИМЕТРИЧНИХ ПРИЛАДІВ

Прилади, призначені для виявлення і вимірювання радіоактивних випромінювань, називаються дозимет­ричними (мал. ). їх основними елементами є приймальний пристрій (1), підсилювач іонізаційного стру­му (2), вимірювальний прилад (3), перетворювач стру­му (4), джерело живлення (5).

Приймальний пристрій складається з іонізаційної камери або газорозрядного лічильника.

Іонізаційна камера — це заповнений повітрям замк­нутий простір з двома ізольованими один від одного елек­тродами: корпус камери вкрито зсередини шаром струмо-провідної речовини. Цей шар разом з осердям є позитив­ним електродом камери, а негативним — металеве кільце, вихід з якого — через ізолятор. До електродів працюючої камери надходить напруга від джерела постійного струму, тому між її електродами виникає електричне поле. Під дією іонізуючих випромінювань деякі молекули повітря втрачають електрони і стають позитивно зарядженими іонами. Іони й електрони під впливом електричного поля переміщуються, і в ланцюгу камери виникає іонізуючий струм (мал. ). Величина цього струму пропорційна ве­личині радіоактивного випромінювання.

Газорозрядний лічильник — це порожнистий метале­вий циліндр, що служить катодом. його заповнено су­мішшю інертних газів з невеликою кількістю галогенів. Анодом є металева нитка, натягнена всередині циліндра і з.єднана з позитивним полюсом джерела живлення. Ви­води анода і катода зроблені через ізолятори, розташовані у торцях корпуса лічильника. На відміну від іонізацій­них камер газорозрядні лічильники працюють у режимі ударної іонізації (мал. ). Іонізуючі випромінювання, потрапивши у лічильник, утворюють у ньому первинні електрони і позитивні іони. електрони під дією електрич­ного поля переміщуються до анода лічильника і, здобувши кінетичну енергію, самі вибивають електрони з атомів га­зового середовища. Це явище й називається ударною іоні­зацією. Вибиті вторинні електрони також розганяються і разом з первинними підсилюють ударну іонізацію. Якщо у лічильник потрапляє хоча б одна частка іонізуючого випромінювання, це викликає утворення лавини вільних електронів, і до анода лічильника прямує багато елек­тронів. Інертні гази створюють у корпусі газорозрядного лічильника умови для виникнення ударної іонізації, роз­ряджання забезпечує швидке набування електронами не­обхідної кінетичної енергії.

Радіометр-рентгенометр ДП-5В призначений для визначення виміру потужності гама-радіації та радіаційне ураженої поверхні різних предметів гама-випромінюванням, а також для визначення потужності дози випромінювання та ступеня радіації об'єктів. Крім того, є можливість виявлення бета-випромінювання. Діапазон виміру гама-випромінювання — від 0,05 мР/ч до 200 Р/ч. Прилад має шість піддіапазонів, наведених у табл. 24.

Прилад працює при температурі від -50 до +50°С, при відносній вологості 65  15%. Можливе заглиблення блоку детектора на глибину 0,5 м. Живлення приладу здійснюється від трьох елементів типу А 336. Комплект живлення забезпечує тривалість роботи не менше 55 год. Маса приладу з елементами живлення не перевищує 3,2 кг. Потужність гама-випромінювання визначається у рентгенах за годину.

У комплект приладу входять:

прилад у футлярі;

подовжувальна штанга;

 розподільник напруги для підключення приладу до зовнішнього джерела передачі постійного струму напругою 12 В, 24 В;

 головні телефони та комплект запасного майна;

 технічний опис та інструкція; формуляр;

ящик для зберігання приладу.

Комплект дозиметрів ДП-22В (ДП-24) призначений для контролю доз радіаційного випромінювання людей, що перебувають на зараженій території. Діапазон виміру від 2 до 50 рентгенів. Похибка відліку не перевищує  10%. Саморозряд дозиметра до 4 рентгенів за добу.

Комплект працює при температурі від - 40 до +50°С.

Маса комплекту — 5,5 кг. Маса вимірника — 50 г.

Джерело живлення — елемент 1,6 ПМЦГ-У-8.

Комплект дозиметрів ДП-22В складається із зарядного пристрою і 50 індивідуальних кишенькових дозиметрів типу ДКП-50А. На відміну від ДП-22В, комплект дозиметрів ДП-24 має п'ять дозиметрів ДКП-50.

Індикатор радіоактивності УДРБГ-Б призначений тільки для виявлення радіоактивних речовин на місцевості, предметах тощо.

Устрій приладу:

корпус з кришкою; кнопка "Включення";кнопка "Контроль живлення";

гніздо "Заряд";ручка "Гнучкість"; індикаторна лампочка.

Індикатор працює на основі газорозрядного лічильника СБМ-20, який фіксує присутність радіоактивних речовин. За спалахом індикаторної лампочки та частотою піску в динаміку визначають кількість радіоактивних речовин на місцевості (потужність радіації).

 

    Питання для самоконтролю

1.    Дайте визначення поняттю ,,Вологість”

2.    Що являє собою абсолютна вологість?

3.    Що являє собою відносна вологість?

4.    В яких одиницях вимірюється абсолютна вологість?

5.    Які Вам відомі методи для вимірювання вологості?

6.    Проведіть порівняльну характеристику методів вимірювання вологості.

7.    Які Вам відомі ЗВТ для вимірювання вологості?

8.    В чому полягає психрометричний метод вимірювання вологості?

9.    В чому полягає гігрометричний метод вимірювання вологості?