Описание оптического гигрометра , реализующего метод поглощения в вакуумной ультрафиолетовой области на длине волны резонансного перехода водорода 121,6 нм

Оптический гигрометр на поглощении линии водорода 121,6 нм состоит из миниатюрной водородной лампы типа ЛГВМ - 0,5 с окном из фтористого магния вакуумно-плотно припаянной к стеклу. Лампа имеет мощность по электрическому питанию около 1 Вт, мощность излучения в ВУФ около 1 мВт или около 10¹⁴ квант/сек. Габариты лампы: диаметр колбы 10мм, длина 30 мм, диаметр апертуры 2,5 мм. Вес лампы около 4 г. Рабочий ток составляет 1 мА, напряжение питания - 300 - 350 В. Такие лампы серийно выпускаются Государственным оптическим институтом им. С.И.Вавилова. Лампа наполнена смесью гелия с водородом. Состав газа - наполнителя лампы подобран таким образом, что в шумановской области почти вся энергия разряда сосредоточена в излучении резонансной линии L с длиной волны 121,6 нм.

В качестве фотоприемника в фотометре - влагомере используется солнечно слепой фотоэлемент с окном из фтористого магния и фотокатодом из никеля. Такой фотоэлемент имеет порог чувствительности короче 190 нм.

Таким образом в гигрометре коротковолновая область ограничена пропусканием окна и составляет 110 нм. Длинноволновая область ограничена чувствительностью фотокатода и составляет 190 нм. В этом диапазоне длин волн в спектре испускания водородной лампы присутствует только резонансная линия водорода 121,6 нм, излучение которой и используется в фотометре как аналитический сигнал.

Водородная лампа и фотоприемник собраны в едином конструктиве, позволяющем изменять расстояние между лампой и фотоприемником в пределах от 0,1 мм до 1,5 мм. Соответствующие расстояния измеряются индикатором, сопряжённым с лампой и фотоприёмником датчика (Рис 1).

1. Водородная лампа
2. Фотоприёмник
3. Резьбовое соединение
4. Шкала для установки зазора между лампой  и ФП.
5. Питание лампы
6. Выход фотоприёмника

Электрическая цепь оптического гигрометра состоит из блока питания лампы, балластного сопротивления, ограничивающего ток через лампу, и мультиметра в режиме измерения напряжения в 200 мА.

Для приведения гигрометра в рабочее состояние необходимо включить тумблер мультиметра и включить тумблер блока питания водородной лампы.

Порядок выполнения измерений значений абсолютной влажности

Для выполнения измерений абсолютной влажности оптическим методом необходимо измерить значение коэффициента поглощения в

анализируемой среде - воздухе, или в какой-либо другом газе - на рабочей длине волны 121,6 нм.

Для этого необходимо :

1. Провести измерения фототока при различных значениях поглощающего столба, которым в данном гигрометре служит зазор между водородной лампой и фотоприемником. При измерениях нужно снять показания с мультиметра при зазоре между лампой и приемником от 0,125 мм до 1,5мм при значениях зазора 0,2мм, 0,4 мм, 0,6 мм, 0,8 мм, 1,00 мм. Величину зазора определить по показаниям индикатора от положения касания лампы и датчика.

2. Процедуру измерения следует повторить три раза для каждого значения зазора.

3. Найти среднее значение фототока для каждого значения зазора.

4. Результаты измерений и вычисления средних значений занести в протокол измерений, составленный по прилагаемой форме.

5. Построить график зависимости натурального логарифма среднего значения фототока приемника от величины зазора.

6. Проэкстраполировать график зависимости lnI  к значению зазора, равному нулю, определив тем самым натуральный логарифм интенсивности непоглощенного светового потока (lnI₀ в формуле 1).

7. Вычислить   полный   коэффициент   поглощения    вакуумного ультрафиолетового излучения в датчике как разность результата экстраполяции и логарифмов измеренных значений интенсивности излучения по формуле:

DlnI = lnI₀ – lnI,

где I₀ – значение сигнала при величине зазора, равного 0, I – значение сигнала при величине зазора, равного 1мм (0,1см).

8. Вычислить коэффициент поглощения кислорода воздуха, считая сечение поглощения кислорода равным 6,1´10 ^–19 см², а объемную долю кислорода в воздухе равным 0,21 (21 %) по формуле :

где р - парциальное давление кислорода, Т - абсолютная температура, р - нормальное давление, Т₀ - нормальная температура и n₀ - постоянная Лошмита, равная 2,73 ´ 10¹⁹ атомов в кубическом сантиметре. Подстановка числовых значений дает рабочую формулу расчета (5) коэффициента поглощения кислорода:

k­_l = 3,17см­ ^–1

9. Вычислить логарифм ослабления светового потока, обусловленный наличием кислорода в вохдухе по формуле, вытекающей из закона Ламберта-Бугера-Бера:

(ln I₀/I_l)O₂ = kl *l

где l – длинна поглощающего столба в см, равная 1,0мм, т.е. Dln J = 3,17×0,1= 0,317

Из полученного в пункте 7 общего значения логарифма ослабления интенсивности светового потока для зазора в 0.10 см вычесть ослабление интенсивности, связанное с поглощением кислорода (формула 6 ). Найти величину логарифма ослабления светового потока, обусловленное поглощением паров воды:

10. Провести вычисления концентрации паров воды в воздухе, считая сечение поглощения паров воды  на длине волны 121,6 нм равным

1,32 ´ 10 ^-17 см² для всех полученных средних значений фототоков при различных значениях зазора по формуле:

11. Вычислить абсолютную влажность воздуха в помещении, в котором находится гигрометр по формуле:

Здесь m - молекулярный вес воды, равный 18 аем. и N­_a – постоянная Авогадро, равная 6,0228´10²³ 1/моль.

Построить график зависимости DlnJ от величины зазора в мм. Вычислить поглощение, связанное с парами воды по формуле 7 для зазора в 1мм.(0,1см). Результаты занести в таблицу.

Форма составления таблицы:

13. Найти среднее значение абсолютного значения концентрации в молекулах в кубическом сантиметре для зазора в 1см. Записать результат в таблицу.

14. Вычислить среднее квадратическое отклонение полученного среднего

значения концентрации по формуле:

где n - число независимых определений концентраций, равное в данном случае пяти, N - значения концентрации, полученные при различных значениях зазоров, N - среднее значение концентрации паров воды.

15. Найти погрешность для пяти независимых измерений, считая коэффициент Стьюдента для доверительной вероятности 90% равным 2,13

DN = t×s = 2,13s

16. Для контроля отсутствия промахов в измерениях снять показания сухого и мокрого термометров психрометра Ассмана и по психрометрическим таблицам найти абсолютную и относительную влажности при данной температуре.

17. По таблицам давления насыщенных паров воды найти температуру

точки росы. Таблица давления насыщенных паров находится у измерительного стенда.

18. Записать результат в таблицу по прилагаемой форме.

Таблица2

Результаты и погрешности измерений абсолютной влажности воздуха

Таблица3

Значения абсолютной влажности насыщенного водяного пара при различных температурах.