О точке росы и точке инея

«Если на клетке слона прочтешь надпись «буйвол»,
не верь глазам своим.»
Козьма Прутков. Сочинения

Давным-давно, во времена, когда еще действовал ГОСТ 8.221-76 «ГСИ. Влагометрия и гигрометрия. Термины и определения», видимо было неизвестно, что влажность при отрицательных температурах может выражаться не только точкой росы, но и точкой инея. Само понятие «лёд» в этом документе отсутствовало, давление насыщенного водяного пара рассматривалось только над плоской поверхностью воды. В качестве единицы измерения при отрицательной температуре точки конденсации использовали только точку росы. Причем в метеорологии это было совершенно справедливо и для расчета точки росы использовались зависимости для давления насыщенного пара от температуры над плоской поверхностью воды, принятые Всемирной метеорологической организацией и охватывающие диапазон от -60 до 100 °С. В других областях творилось, мягко выражаясь, чёрт-те что… Так, широко применяемые таблицы для пересчета объемной концентрации в точку росы, приводимые в документации на кулонометрический гигрометр Байкал, на самом деле использовали точку инея. Одному из авторов этих заметок при общении с Заказчиками в далекие «до РМГ-шные годы» часто приходилось решать головоломку, что означает «точка росы» в различных нормативных актах, на которые ссылались Заказчики.

Все изменилось двадцать лет назад (в 2005 году), когда был принят РМГ 75-2004 «ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВЕЩЕСТВ. Термины и определения». В нем появилась новая единица измерения влажности - точка инея, и неопределенность была устранена:

3.2.13 температура точки росы [инея] по воде; точка росы [инея]: Температура, при которой водяной пар, содержащийся в газе, охлаждаемом изобарически, становится насыщенным над водой [льдом], °С, К.

Все выпускаемые нами приборы (гигрометры, преобразователи точки росы/инея, генераторы влажного газа Суховей-3П и Суховей-4В) при отрицательной температуре измеряют точку инея. В термогигрометрах ИВА-6 имеется возможность в диапазоне от -60 до 0 С выводить значение точки росы (или относительную влажность по воде). 

Единица измерения влажности газа «точка росы» широко используется в метеорологической практике. Многие конденсационные гигрометры (например, Hygrovision-BL № в ФИФОЕИ 60683-15) измеряют именно температуру точки росы (а не инея!). Это особенно актуально в тех типах конденсационных гигрометров, где точка росы рассчитывается на основе температуры начала конденсации при медленном охлаждении зеркала и температуры исчезновения конденсата при последующем нагреве с той же скоростью. Но нигде в их методиках поверки не дается указаний как при поверке приводить единицу, измеряемую СИ (точку росы), к единице, воспроизводимой генератором влажного газа (точка инея). Для СИ точки росы по воде в природном газе нормирование метрологических характеристик по воде обусловлено необходимостью использовать ГОСТ 20060-2021 «Газ природный. Определение температуры точки росы по воде», в котором очень подробно описывается метод измерений точки росы охлаждаемым зеркалом, но совершенно ничего не сказано что делать, если на зеркале образовался лед. А ведь погрешность метода в этом ГОСТе нормирована для значений от -79,9 °С. Таким образом, в большой части диапазона метода конденсат в виде воды вообще образоваться не может. Вероятно, термин "температура точки росы по воде" в этом ГОСТ используется чтобы отличить его от "температуры точки росы по углеводородам", но мы не будем гадать что именно ООО "Газпром ВНИИГАЗ" имел в виду разрабатывая этот ГОСТ в 2020, когда уже давно был принят РМГ (РМГ 75-2004 и затем РМГ 75-2014) с нужными терминами и определениями, даже на него не ссылаясь. При этом ГОСТ 20060-2021 не является прямой калькой с ISO 6327-1981 (где про иней упоминаний нет, но и не предлагается измерять точку росы при -79,9 °С).

В метеорологии при отрицательных температурах используются значения именно точки росы, рассчитанные по воде, а не по льду. Точка росы рассчитывается на основе зависимостей для давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды (в ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения» соотношения приведены в диапазоне от -60 до +100 °C). В промышленности как правило используется единица точки инея, но в метеорологической практике сохраняется единый подход — использование точки росы по воде для обеспечения сопоставимости и единообразия данных. Для метеорологических целей все показания приводятся к единому стандарту — точке росы по воде.

В конденсационных гигрометрах, в которых на зеркале поддерживается пленка конденсата заданной толщины, применяют специальные технологии, «гарантирующие» образование при отрицательных температурах пленки льда. В этом случае гигрометры измеряют точку инея. Вот что пишут в описании гигрометра Optidew Vision (Michell Instruments):

в переводе:
"Технология обеспечения инея (FAST)
Переохлажденная вода может существовать до температуры -30°C, и конденсируясь на поверхности зеркала конденсационного гигрометра вызывает ошибку до 10%. Все конденсационные гигрометры Michell имеют метод FAST - технологию обеспечения инея, которая гарантирует, что все измерения точки росы ниже 0°C выполняются над поверхностью льда. Работа системы FAST заключается в быстром охлаждении зеркала до тех пор, пока на его поверхности не сформируется слой льда определенной толщины - как только сформируется лед, прибор переходит в режим измерений." 

Эта технология крайне несовершенна. С проблемой трактовки показаний конденсационных гигрометров (что измерено - точка росы или точка инея) часто сталкиваются при поверке и калибровке наших генераторов влажного газа Суховей-3П и Суховей-4В, когда в качестве гигрометра-компаратора применяется конденсационный гигрометр из состава Государственного первичного эталона единиц относительной влажности газов, молярной (объемной) доли влаги, температуры точки росы/инея, температуры конденсации углеводородов ГЭТ 151-20. При влажности выше -40°С показания гигрометра-компаратора периодически занижаются на несколько градусов из-за того, что на зеркале конденсируется роса, а не иней. Добиться, чтобы на наблюдаемом через микроскоп зеркале образовалась пленка инея - целое искусство, требующее тонких манипуляций с органами управления гигрометра, хотя производитель утверждает, что использует процедуры, обеспечивающие образование инея при конденсации… С этой же проблемой мы сталкивались при работе с генератором HygroGen. Для решения этой коллизии многие конденсационные гигрометры оснащаются микроскопом для визуального определения сконденсированной фазы.

Но это проблемы технические. Недавно мы столкнулись с другой проблемой, решенной, казалось бы, двадцать лет назад! Мы обнаружили существование значительного количества средств измерений утвержденного типа, которые, как следует из их описаний типа, измеряют при температурах вплоть до минус 100 °С точку росы! Вот некоторые из них:
- гигрометры портативные MDM300 № в ФИФОЕИ 72593-18 (Michell Instruments);
- преобразователи точки росы серии Easidew № в ФИФОЕИ 70078-17, 50304-12 (Michell Instruments);
- гигрометры точки росы Michell Instruments модификации S8000 RS № в ФИФОЕИ 59944-15 (следует отметить, что в описании типа есть фраза «…при установившейся толщине конденсированного слоя воды, либо льда…», что дает возможность однозначно трактовать тип измеряемой величины);
- измерители влажности газов ИВГ-1 АО «ЭКСИС» № в ФИФОЕИ 70176-18, 15501-12;
- генераторы влажного газа эталонные Север-4 ФГУП «ВНИИФТРИ» № в ФИФОЕИ 89909-23.

При их поверке в соответствии с методиками поверки используются генераторы влажного газа, влажность на выходе которых при отрицательных температурах задается точкой инея - Michell Instruments модификаций HG-1, OptiCal, DG-4, VDS-3 (№ в ФИФОЕИ 48434-11), генераторы влажного газа эталонные Суховей (ООО НПК «МИКРОФОР» № в ФИФОЕИ 80277-20).

Так что же измеряют эти гигрометры?

Переохлажденная вода по термодинамическим причинам не может существовать при температуре ниже -60 °C, зависимости для давления насыщенного пара от температуры в ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения» приведены в диапазоне выше -60 °C. При этом градуировка всех гигрометров из списка выше в диапазоне ниже 0°C точки росы(инея) осуществляется производителями по точке инея, так как её в этом диапазоне отображают конденсационные гигрометры Michell Instruments S8000, применяемые при их градуировке (на экране отображается "frost point"). Взаимосвязь между значениями точки росы и точки инея при одинаковой влажности газа иллюстрируется на графиках ниже. 

Так при пересчете точки росы в точку инея температуре точке росы -40 °C соответствует точка инея -36,4°C. Таким образом, ошибка из-за неверного наименования единицы измерений (3,6°С) значительно превышает допускаемую погрешность таких гигрометров (обычно ±2°C), а пересчет точки инея в точку росы при температуре ниже -60 °C вообще невозможен. 

При поверке таких гигрометров поверителю требуется принять непростое решение - закрыть глаза на неверное наименование единицы измерений в описании типа и методике поверки и считать, что гигрометры показывают точку инея (т.е. допустить нарушение – а ведь при подтверждении компетентности эксперты иногда обращают внимание даже на отсутствие пробела перед единицей измерений в протоколе поверки, и не исключено, что они тоже прочитают эту статью…), либо массово браковать их по превышению допускаемой погрешности. При этом существуют гигрометры, действительно измеряющие точку росы (см. выше)!

Аналогичные проблемы возникают при эксплуатации таких гигрометров - требования обычно нормированы по точке инея, а гигрометры "показывают" точку росы.