Научно-производственной фирме (НПФ) «Сенсорика» в 2026 году исполняется 35 лет. В производственной программе предприятия наряду с другими приборами присутствуют датчики влажности. В статье представлено описание термогигрометров серии ПТВ, приведены их метрологические характеристики, конструктивные и другие особенности.
Измерение влажности газов широко применяется в различных отраслях промышленности и других сферах для решения целого ряда задач. В химической, нефтегазовой, пищевой промышленности контроль влажности позволяет обеспечить надлежащее качество продукции и безопасность процессов. В энергетике дает возможность контролировать влажность технологического кислорода, азота, инертных газов. В производстве электроники поддержание параметров микроклимата требуется для защиты чувствительных элементов. В климатических системах с помощью измерения влажности поддерживаются комфортные условия, предотвращается появление плесени, грибка, выполняется вентиляция серверных комнат, овощехранилищ, музеев и библиотек. В сельском хозяйстве такие измерения позволяют осуществлять контроль влажности почвы, зерна, а также мониторинг условий на фермах и птицефабриках. В медицине и фармацевтике создается необходимый микроклимат в больницах, поликлиниках, аптеках, выполняется контроль влажности при производстве и хранении лекарственных препаратов. В экологии и метеорологии измерение влажности атмосферы применяется для прогнозирования погоды. Также такие измерения крайне важны в лесообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.
Наконец, значение влажности газа является одним из основных факторов при добыче, транспортировке и переработке природного (или попутного нефтяного) газа. Надежное и точное измерение этого параметра требуется на всех этапах – от скважины до газоперерабатывающего завода – и существенно влияет на экономичность и эффективность процессов.
Для характеристики влажности воздуха или газа обычно используются следующие параметры:
- относительная влажность (φ₀) – отношение действительной влажности газа к максимально возможной влажности газа при данной температуре. Относительная влажность обычно выражается в процентах;
- абсолютная влажность (a₀) – масса водяного пара, содержащегося в единице объема газа, влажного или сухого;
- объемное влагосодержание (X₀) – отношение объема водяного пара к объему газа. Это безразмерная величина, которая выражается по отношению к объему сухого или влажного газа;
- парциальное давление (P₀) – давление водяного пара. Выражается в единицах давления, чаще всего в мм. рт. ст.;
- температура точки росы (Td) – температура, которую примет влажный газ, если охладить его до полного насыщения по отношению к плоскости поверхности воды;
- температура газа (T) – текущее значение температуры в контролируемой среде.
Научно-производственная фирма (НПФ) «Сенсорика» (г. Екатеринбург) наряду с другими датчиками и приборами производит термогигрометры (преобразователи температуры и влажности) серии ПТВ (рис. 1). Эти преобразователи представляют собой комбинированное устройство с емкостным датчиком влажности (сорбционным) и тонкопленочным датчиком температуры.
Рис. 1. Преобразователи серии ПТВ
Датчик имеет емкостной чувствительный элемент с сорбционным слоем, реагирующим на влажность, и терморезистор для измерения температуры. Емкостные датчики влажности обеспечивают максимальную температуру применения и долговременную стабильность параметров, высокую чувствительность, низкий гистерезис и время отклика, а также полное восстановление характеристик после воздействия конденсата.
Преобразователи серии ПТВ имеют различные исполнения.
По областям применения – общепромышленное или повышенной надежности для эксплуатации на объектах использования ядерной энергии (ОИЯЭ); в обозначении такого преобразователя добавлен индекс «АС».Таблица 1. Метрологические характеристики преобразователей серии ПТВтабл
По функциям (модификации):
- ПТВ-1 – измерение температуры и относительной влажности;
- ПТВ-2 – измерение температуры, относительной влажности и цифровая индикация измеряемой величины;
- ПТВ-3 – измерение температуры и относительной влажности; определение (расчет) температуры точки росы, абсолютной влажности и объемного влагосодержания; цифровая индикация.
По типу выходных сигналов (интерфейсов):
- ПТВ-Х/1 – с унифицированными сигналами постоянного тока (4–20 мА), двухпроводная схема подключения («токовая петля»);
- ПТВ-Х/2 – с сигналами постоянного тока (4–20 мА), совмещенными с цифровыми сигналами HART (двухпроводная схема подключения);
- ПТВ-Х/3 – с цифровым сигналом по интерфейсу RS-485 (протокол Modbus RTU), отдельное питание, не совмещенное с выходными цепями.
По типу монтажа: для канального монтажа (на трубу) с индексом в обозначении «К»; для настенного монтажа (кроме ПТВ-1) с индексом «Н»; с вынесенным на гибком кабеле (до 3 м) блоком датчиков (только для настенного монтажа) с индексом «В».
По типу корпуса: термогигрометры могут быть оснащены корпусом из нержавеющей стали (индекс в обозначении «НС») или из алюминиевого сплава (кроме ПТВ-1), на что указывает индекс в обозначении «АЛ».
Модификация ПТВ-3 осуществляет пересчет измеренных значений температуры T и относительной влажности φ в значения абсолютной влажности a, объемного влагосодержания X и температуры точки росы Td по следующим формулам:
a₀ = 21,70 · (φ₀ · E) / (T + 273,15), г/м³,
где E – давление насыщенных паров воды, кПа (рассчитывается в зависимости от температуры T);
X₀ = (φ₀ · E) / (P₀ – φ₀ · E) · 0,622, г/кг,
где P₀ – давление, Па (задается программно);
Td = (237,7 · [(17,27 · T/237,7+Т) + log(φ₀/100)]) / (17,27 – [(17,27 · T /237,7+Т)+ log(φ₀/100)]), °C.
Метрологические характеристики преобразователей серии ПТВ приведены в табл. 1. Из таблицы видно, что преобразователь имеет два исполнения разной точности: класса А и класса B.
Таблица 1. Метрологические характеристики преобразователей серии ПТВ
Диапазоны измерения (определения) программируются, при этом можно устанавливать более узкие диапазоны (не менее 1/3 от максимального). Погрешности определения расчетных параметров (a₀, Td, X) зависят от погрешностей измерения Т, φ₀, а для X также – от точности задания давления P₀ (программируется). Пределы допускаемой дополнительной погрешности, связанной с изменением температуры окружающей среды (25 ± 10 °C), не превышает 0,5 предела допускаемой основной погрешности на каждые 10 °C изменения температуры.
Преобразователи ПТВ предназначены для эксплуатации при температуре окружающей среды от –40 до +70 °C и относительной влажности до 98 % (группа УХЛ3.1 по ГОСТ 15150-69).
По своему устройству преобразователи ПТВ представляют собой многофункциональные, микропроцессорные, перепрограммируемые потребителем приборы. Наряду с емкостным ЧЭ влажности и ЧЭ температуры в их состав входят цилиндрический зонд (включающий наружную и монтажную части) и корпус со встроенным электронным блоком (рис. 2). ЧЭ влажности и температуры установлены на торце цилиндрического зонда и закрыты пористым колпачком, обеспечивающим их защиту от механических повреждений и свободный доступ анализируемого газа.
Рис. 2. Корпус ПТВ‑3
Принцип действия гигрометра основан на прямой зависимости между емкостью ЧЭ и относительной влажностью с последующим преобразованием в сигналы постоянного тока или цифровые сигналы.
Модификации ПТВ-2, ПТВ-3 кроме измерения дополнительно индицируют измеряемые (у ПТВ-3 – и расчетные) параметры на встроенном цифровом индикаторе. Поскольку индикатор один, а индицируемых параметров от 2 до 5, на лицевой панели (под стеклянной крышкой) имеются светодиоды, которые указывают на индицируемый параметр.
У модификации ПТВ-3/1 (с токовыми выходными сигналами) под индикатором расположены еще два светодиода, указывающих на параметры, которые выдаются в виде токовых сигналов (светодиоды светятся, когда выдается та же величина, что и индицируется).
Для модификации ПТВ-Х/1 предусмотрены сигналы ошибок по выходному токовому сигналу:
- обрыв датчика (21 мА);
- неисправность датчика (22 мА);
- вычисляемый параметр не может быть вычислен, так как аргумент для вычисления находится вне допустимого диапазона (только для ПТВ-3/1), 23 мА – по конкретному параметру.
Для ПТВ предусмотрена возможность подключения к персональному компьютеру (ПК) для конфигурирования. Модификация ПТВ-Х/3 имеет выходной интерфейс RS-485, через который происходит как передача информации, так и конфигурирование. Модификация ПТВ-Х/1 оснащена интерфейсом RS-232, предназначенным только для конфигурирования. Для работы с этим интерфейсом необходим дополнительный адаптер. Конфигурация модификации ПТВ-Х/2 осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммутатора.
В комплект поставки входит программное обеспечение «Конфигуратор ПТВ» для ПК. Кроме конфигурирования, это ПО также обеспечивает получение данных и диагностику возможных неисправностей ПТВ. Преобразователи ПТВ утверждены как тип средств измерений и включены в Госреестр СИ под номером 72104-18.
***
Преобразователь ПТВ по совокупности метрологических и эксплуатационных характеристик отвечает всем требованиям стандартов. В последнее время основные усилия коллектива НПФ «Сенсорика» в области гигрометрии были направлены на доведение гигрометров ПТВ до требований, предъявляемых к таким приборам Госкорпорацией «Росатом». В настоящее время ведется подготовка к серийному производству и сертификации типа средства измерений нескольких новых модификаций преобразователей температуры и влажности в выносном, канальном и щитовом исполнении.