Перспективы развития эталонов относительной влажности

Поддержание метрологической прослеживаемости и обеспечение высокой точности измерений относительной влажности – задачи, требующие постоянного развития средств измерений. В этой сфере ключевую роль играют рабочие эталоны, служащие первичными референсными средствами для калибровки и поверки. Научно-техническое предприятие «ТКА» внесло значительный вклад в развитие метрологического обеспечения, предлагая рынку инновационные решения. Настоящая статья посвящена перспективным разработкам эталонов относительной влажности, производимых ООО «НТП «ТКА», и их роли в преодолении существующих ограничений.
 

Введение

Задача измерения и контроля влажности газовых сред имеет большое значение как для научных исследований, так и для практического применения в народном хозяйстве. Влагосодержание в газе является существенным параметром, влияющим на качество и характеристики высокотехнологичных технических и промышленных процессов. Для количественной характеристики этого параметра существует ряд физических величин, среди которых наиболее распространенными являются: абсолютная влажность, молярная (объемная) доля влаги, объемное влагосодержание, температура точки росы и относительная влажность [1].

Для точного определения и постоянного мониторинга влажности в газовых средах применяются специальные приборы – гигрометры. Их работа основана на различных физических принципах, и каждый метод измерения обладает своими сильными сторонами, которые делают его предпочтительным для определенных условий и задач [2]. Среди наиболее распространенных и активно применяемых в современной практике методов можно выделить конденсационный, емкостный, резистивный и кулонометрический, а также оптические методы, основанные на анализе поглощения инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения.

По инициативе специалистов Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) ведется работа над созданием инновационного транспортируемого измерителя относительной влажности. Современные солевые гигростаты (рис. 1), несмотря на свою функциональность, имеют ряд существенных ограничений, которые разработчики ВНИИМ стремятся преодолеть.

Рис. 1. Примеры солевых гигростатов

Зависимость от вспомогательного оборудования. Существующие гигростаты требуют наличия термометра или эталонного гигрометра для корректной работы, что усложняет их использование и увеличивает стоимость.

Дополнительная погрешность от температуры. Изменение температуры окружающей среды может вносить дополнительную погрешность в показания, что требует тщательного контроля температурного режима.

Однократное применение растворов. Насыщенные солевые растворы в традиционных гигростатах часто имеют ограниченный срок службы и требуют периодической замены, что увеличивает эксплуатационные расходы.

Длительное время измерений. Проведение калибровки одного датчика может занимать значительное время, что снижает эффективность работы.

Главная цель данной разработки заключается в создании отечественного эталонного солевого гигростата, который будет функционировать автономно, без необходимости использования вспомогательных средств измерений, таких как термометр или эталонный гигрометр. Это позволит проводить поверку и калибровку средств измерений относительной влажности непосредственно на месте их эксплуатации, что значительно упростит и ускорит процесс. Разрабатываемый прибор обещает стать настоящим прорывом благодаря следующим характеристикам.

Широкий диапазон воспроизведения относительной влажности. От 11 до 95 (98)% – это позволяет охватить практически все потребности в калибровке гигрометров.

Высокая точность. Погрешность воспроизведения относительной влажности не хуже ±1,0%, что гарантирует надежность и достоверность результатов.

Многофункциональность. Наличие пяти рабочих солевых ячеек с насыщенным раствором соли и одной ячейки для пробоподготовки обеспечивает удобство использования.

Стабильность температурного режима. Нестабильность поддержания температуры в солевой ячейке не хуже ±0,1 ºC, а поддерживаемая температура в рабочем объеме составляет 20 ± 0,2 ºC, что минимизирует влияние температурных флуктуаций.

Быстрый выход на режим. Время выхода на рабочий режим не более 30 мин – это значительное сокращение времени, затрачиваемого на подготовку к работе.

Широкие условия эксплуатации. Прибор способен работать в диапазоне температур окружающей среды от –30 до +40 ºC, что делает его универсальным для различных климатических условий.

Специалисты НТП «ТКА» разработали прототип солевого эталонного гигростата. Компьютерная модель прототипа солевого эталонного гигростата, а также компьютерная модель его солевой ячейки представлены на рисунке 2.

Прототип солевого эталонного гигростата был верифицирован во ВНИИМ. В рамках верификации были проведены исследования, направленные на оценку стабильности насыщенных солевых растворов как во временном аспекте, так и под воздействием различных температур [3, 4].

Результаты этих исследований представлены на рисунке 3 и в таблице 1.

Рис. 3: а – тепловая модель солевой ячейки; б – результаты исследования стабильности насыщенных солевых растворов
по времени и после воздействия различных температур

Таблица 1. Результаты исследований характеристик насыщенных растворов солей

В числе перспективных направлений НТП «ТКА» выделяется разработка лазерного гигрометра, предназначенного для обеспечения высокой точности и надежности измерений влажности газов.

Фундаментальным ограничением большинства приборов для анализа газовых сред является принцип их работы, предполагающий контакт чувствительного элемента с измеряемой средой. Взаимодействие чувствительного элемента с компонентами газа приводит со временем к его деградации и изменению характеристик. Этот эффект усиливается в агрессивных и загрязненных средах, а также при повышенных температурах, что требует регулярной калибровки и замены чувствительного элемента. Кроме того, ограниченная селективность таких приборов, т.е. их чувствительность к различным компонентам газовой смеси, может приводить к значительным погрешностям измерений.

Разрабатываемый лазерный гигрометр представляет собой усовершенствованную версию оптического гигрометра для определения абсолютной влажности газов, защищенного патентом № RU37416U1¹. В отличие от оптического гигрометра, использующего источник вакуумного ультрафиолетового излучения (121,6 нм) и солнечно-слепой фотоприемник, в новой версии прибора используется более современная, доступная и надежная технология диодно-лазерной спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне.

В основе лазерного гигрометра лежит оптический модуль ТКАВОМ (рис. 4), содержащий полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны 1,4 мкм, соответствующей линии поглощения H₂O². Селективность гигрометра обусловлена выбором данной линии, свободной от спектральных наложений других компонентов исследуемого газа, что позволяет регистрировать поглощение света исключительно молекулами воды.

Рис. 4: а – структурная схема оптического модуля: 1 – полупроводниковый лазер; 2 – фокусирующая линза; 3 – многоходовая кювета;
4 – плоское кварцевое стекло; 5 – фотодиодный модуль; б – изображение оптического модуля

Чтобы добиться большей чувствительности метода, была увеличена эффективная длина взаимодействия лазерного луча с исследуемым газом. Для этого исследуемый газ поместили внутрь оптического резонатора, что позволило лазерному лучу многократно проходить через вещество. В качестве резонатора была использована двухзеркальная многоходовая кювета Пфунда, выбор которой обусловлен ее высокой светосилой при компактных размерах, простой конструкцией и отсутствием астигматизма благодаря центрированной оптической схеме.

Для точной настройки положения лазерного луча в многоходовой кювете применялся метод визуализации траектории с использованием соосного лазерного диода, излучающего в видимом диапазоне. Паттерн переотражений, возникающий на зеркалах кюветы после настройки, служил индикатором оптического пути, проходимого излучением.

Разрабатываемый лазерный гигрометр обеспечивает прямое измерение концентрации молекул воды в рабочем объеме. Он анализирует поглощение излучения на определенной длине волны, сравнивая интенсивность входящего и выходящего потоков. На основе этого сравнения и известных физических констант прибор вычисляет концентрацию воды, не требуя предварительной калибровки. Полученное значение, выраженное в ppm, затем используется для расчета влагосодержания в других единицах (г/м³) и определения точки росы при заданных условиях давления и температуры.

Ожидаемые характеристики разрабатываемого лазерного гигрометра следующие.

Широкий диапазон измерения точки росы. От –50 °С до температуры окружающей среды позволяет использовать прибор в различных климатических условиях.

Высокая точность измерений. ±1 °С в диапазоне от –30 °С до температуры окружающей среды. ±1,5 °С в диапазоне от –60 до –30 °С.

Гибкий расход газа. От 0,5 до 3 дм³/мин позволяет адаптировать прибор к различным требованиям по скорости потока газа.

Устойчивость к условиям эксплуатации. Температура окружающей среды: от –30 до +50 °С. Важно отметить, что для обеспечения точности измерений температура подводящего трубопровода должна быть как минимум на 5 °С выше предполагаемой температуры точки росы. Относительная влажность окружающего воздуха: до 98% при +35 °С. Это гарантирует надежную работу прибора даже в условиях высокой влажности и сотрудничество с потенциальными пользователями лазерного гигрометра.

Ключевые результаты и выводы исследования

1. В Российской Федерации находится в обращении значительное количество термогигрометров – до 1 млн единиц. Для обеспечения их метрологических характеристик и поддержания в рабочем состоянии необходимы разнообразные типы эталонов относительной влажности.

2. Особую актуальность приобретает разработка мобильных и переносных эталонов, которые позволят проводить калибровку и поверку приборов непосредственно на месте их эксплуатации, минимизируя логистические издержки и время простоя.

3. Проведены исследования стабильности и воспроизводимости солевых растворов. В рамках исследования была проведена глубокая проработка стабильности и воспроизводимости относительной влажности, создаваемой насыщенными солевыми растворами. Полученные данные позволили уточнить справочные значения этих растворов, что является фундаментальным шагом для повышения точности эталонных измерений. Эти результаты служат надежной основой для дальнейшего развития методов генерации и поддержания заданного уровня влажности.

4. Разработана универсальная солевая ячейка. Созданная конструкция солевой ячейки обладает значительным практическим преимуществом – возможностью использовать большинство погружных датчиков относительной влажности. Это расширяет сферу применения разработанной технологии и делает ее более универсальной для метрологических служб и лабораторий, работающих с различными типами измерительных приборов.

5. Сформированы требования к транспортируемым эталонам. На основе проведенного анализа и практических соображений были сформированы четкие требования к разрабатываемой конструкции транспортируемого эталона относительной влажности. Эти требования охватывают такие аспекты, как надежность, точность, портативность, простота использования и устойчивость к внешним воздействиям, что является критически важным для создания эффективного и надежного метрологического инструмента.

6. Разработан оптический модуль на основе диодно-лазерной спектроскопии. Прорывным результатом исследования является разработка конструкции оптического модуля на основе диодно-лазерной спектроскопии. Данная технология открывает путь к созданию бесконтактного гигрометра, способного обеспечивать высокоселективное и достоверное измерение концентрации паров воды в газовых потоках. Этот подход имеет огромный потенциал для применения в различных отраслях, где требуется точный мониторинг влажности без прямого контакта с измеряемой средой.

Обсуждения и перспективы

Результаты работы НТП «ТКА» оказали существенное влияние на прогресс в области метрологии относительной влажности. Инициатива компании по созданию новых типов рабочих эталонов относительной влажности была встречена с большим энтузиазмом и получила широкое одобрение специалистов в ходе круглого стола «Современные тенденции и перспективы развития гигрометрии в Российской Федерации», прошедшего в рамках Международного метрологического форума и выставки «Метрология без границ 2025» в Центре международной торговли в Москве. Это свидетельствует о том, что предложенные решения являются крайне актуальными и востребованными в научном и практическом сообществе. 

Список использованных источников

1. Пеклер В.В., Мамонтов Г.М. Состояние и перспективы развития гигрометров и средств их метрологического обеспечения // Научное приборостроение. – 2003. – T. 13. – № 3. – С. 12–18.
2. Берлинер М.А. Задачи и тенденции развития гигрометрии // Измерительная техника. – 1982. – № 9. – С. 44.
3. Александров Н.Ю. Средства поверки датчиков влажности непрерывного контроля // Мир измерений. – 2025. – № 2. – С. 44–48.
4. Барбар Ю.А., Перетягин В.С., Рысков М.А. и др. Эталоны относительной влажности производства «ТКА» // Мир измерений. – 2025. – № 4. – С. 44–47.

¹ Патент № RU37416U1. Оптический гигрометр для определения абсолютной влажности газов: Томский К.А., Козлов М.Г.; опубл. 20.04.2004.
² Патент №RU216708U1. Оптический инфракрасный модуль для селективного определения концентрации аммиака в потоке выдыхаемого воздуха: Перетягин В.С., Боровков Д.А., Баев С.С., Онишков А.В.; опубл. 22.03.2004. Бюл. № 6.

01.03.2026

---

448

Поделиться: