Методи вимірювання вологості повітря та газу
В даний час найбільшого поширення в промислових приладах набули такі методи вимірювання вологості газів і повітря: психрометричний, точки роси, сорбційний і оптичний.
Психрометричний методвимірювання вологості заснований на вимірі психрометричної різниці температур між «сухим» та «мокрим» термометрами. Мокрий термометр змочується через спеціальний гніт водою. Випаровування, а отже, і охолодження з поверхні мокрого термометра тим більше, що нижча вологість газу. Тому різниця температур сухого та мокрого термометрів залежить від вологості газу.
Метод точки росизаснований на визначенні температури, при якій газ стає насиченим вологою, що знаходиться в ньому. Ця температура визначається по початку конденсації водяної пари
на дзеркальній поверхні, температура якої може встановлюватись будь-який в інтервалі температур роботи вологоміра.
Сорбційний методзаснований на зв'язку фізичних властивостей гігроскопічних речовин з кількістю поглиненої ними вологи, яка залежить від вологості аналізованого газу.
Оптичний методзаснований на вимірі ослаблення інфрачервоного (ІЧ) випромінювання за рахунок його поглинання парами води.
Психрометричний метод. У психрометричному методі використовується залежність між парціальним тиском пари в парогазовій суміші та показаннями сухого та мокрого термометрів:
де р - парціальний тиск пари в парогазовій суміші; рн.м - парціальний тиск насиченої пари при температурі мокрого термометра tm; рб - барометричний тиск; А - психрометрична постійна; tc – температура сухого термометра.
Відносна вологість φ може бути визначена з (1) таким чином:
де рн.с, рн.м- Парціальний тиск насиченої пари при температурах tc і tm.
У зв'язку з тим, що рн.с і рн.м однозначно визначаються tc і tm, то при А = const можна отримати залежність
За цією залежністю можна скласти психрометричні таблиці. Таблиці можуть бути різними для різних конструкцій мокрого термометра. Психометрична постійна А визначається умовами тепловідведення від термометра через гніт у навколишнє середовище (розмірами та формою резервуара або гільзи термометра, теплопровідністю гільзи та тканини гніт, змоченістю тканини та іншими факторами), тому практично для кожної нової конструкції А буде відмінним від інших. Для забезпечення сталості А кожної конструкції забезпечують такий режим обдування мокрого термометра (як правило, V ≥ 3 м/с), при якому А = const. Залежність (3) може бути апроксимована сімейством прямих = const в координатах tm,tc. Вважаючи, що прямі = const перетинаються в одній точці з координатами ta, tb (рис. 1), можна вважати,
Мал. 1.Залежність відносної вологості від температур «мокрого» та «сухого» термометрів:
1 - 5 - φ = 100%; 80; 60; 40; 20
Мал. 2.Принципова схема психрометра з термоперетворювачами опору
Принципова вимірювальна схема психрометра із перетворювачами опору представлена на рис. 2. При відповідному підборі плечей мостів вважатимуться, що Uab = k1(tm – ta) і Ucd = k2(tc - tb). У момент компенсації Uab = Uef = mUcd, де m - відносне положення двигуна реохорда, тоді
Шкала психрометра градуюється у відсотках відносної вологості. Можливі різні модифікації цієї схеми, але, зазвичай, принцип дії залишається незмінним.
Переваги психрометричногометоду - досить висока точність та чутливість при температурах вище 0 °С. До недоліків методу відноситься зменшення чутливості та точності при низьких температурах, а також похибка, пов'язана з мінливістю психрометричної постійної А.
в аналізованому газі. Одночасно фіксується температура, коли він починається випадання вологи (роси).
Для технічних вимірювань розроблено автоматичні вологоміри точки роси. Одна із схем такого вологоміра представлена на рис. 3.
Мал. 3.Принципова схема вологоміра точки роси:
1 канал; 2 - камера; 3 - дзеркальна поверхня; 4 - джерело вимірювання; 5 - оптрон; 6 - термобатарея; 7 - термопара
Газ, очищений від домішок і пилу, каналом 1 надходить в камеру 2, де стикається з дзеркальною поверхнею оптичного каналу 3, яким світловий потік від джерела 4 потрапляє на оптрон 5. Поверхня 3 охолоджується термобатареєю 6, що працює на ефекті Пельтьє. Принцип її роботи полягає в тому, що при проходженні струму через поверхні різнорідних провідників, що стикаються, залежно від напрямку струму поглинається або виділяється тепло. Так, зниження температури на 50 °С може бути отримано при пропусканні струму в 6 А при напрузі живлення 15 через термоелектронну батарею розміром 40 х 40 х 40 мм, що містить 127 елементів. При досягненні точки роси на поверхню 3 випадає роса, оптрон замикається і струм через термобатарею 6 припиняється. Термопара 7 фіксує температуру випадання роси. Перетворювач точки роси приладу "КОНГ-Пріма" вимірює точку роси в діапазоні -30. 30 °С, похибка становить ±0,25 та ±1 %.
За практичної реалізації методу точки роси існують певні труднощі. По-перше, фіксація самого моментуПочаток конденсації (випадання роси) залежить від методу фіксації (оптичний, кондуктометричний і т.д.). По-друге, температура точки роси може залежати від стану поверхні, де відбувається конденсація. Наприклад, наявність жиру чи нафтопродуктів лежить на поверхні конденсації істотно занижує температуру точки роси. По-третє, при вимірі вологості агресивних газів температури точки роси можуть суттєво відрізнятися від розрахункових. Крім того, агресивні гази викликають корозію поверхні, де відбувається конденсація.
Сорбційні вологоміри. У сорбційних вологомірах чутливий елемент повинен перебувати в гігрометричній рівновазі з газом, що вимірюється. У практиці технічних вимірів
набули поширення такі різновиди сорбційних перетворювачів: електролітичні, кулонометричні, п'єзосорбційні та деформаційні.
Уелектролітичних гігрометрахвимірювальний перетворювач включає вологочутливий елемент, що містить електроліт. Зміна вологості газу викликає зміну кількості вологи, що міститься у вологочутливому елементі, що призводить до зміни концентрації електроліту у вологочутливому елементі та відповідної зміни його опору або ємності. Як електроліт найчастіше застосовують хлористий літій. Вимірювальні схеми електролітичних гігрометрів є різними варіантами мостових вимірювальних схем. До недоліків електролітичних гігрометрів слід віднести нестабільність їх градуювальних характеристик, а також вплив температури та концентрації розчиненої речовини на їх показання.
Електролітичні перетворювачі з підігрівом за своїм пристроєм близькі до електролітичних перетворювачів. Однак їх принцип діївідрізняється. Зміна електропровідності перетворювача внаслідок зміни вологості газу викликає зміну температури перетворювача. Якщо вологість газу збільшується, то електропровідність перетворювача збільшується, що призводить до зростання струму, збільшення температури перетворювача та випаровування вологи з перетворювача. Це, у свою чергу, призводить до зменшення електропровідності, струму та температури перетворювача.
Таким чином, автоматично підтримується режим, що відповідає рівноважному стану між парціальним тиском водяної пари в аналізованому газі і парціальним тиском пари над насиченим розчином електроліту. Температура, що відповідає цій рівновазі, вимірюється будь-яким термоперетворювачем. Електролітичні гігрометри з підігрівом відносно прості та надійні. Їх характеристики практично не залежать від запиленості чи забруднення, швидкості вимірюваного газу, його тиску та напруги живлення.
Укулонометричних перетворювачахвологість газу визначають за кількістю електрики, витраченої на електроліз вологи, яка поглинається частково гідротованим пентаоксидом фосфору. Вимірювальний перетворювач у цих приладах складається з пластмасового корпусу, у внутрішньому каналі якого розташовані два електроди у вигляді спіралей, що не торкаються. Простір між електродами заповнений частково гідратованим пентаоксидом фосфору, що є хорошим осушувачем. Волога газу, з'єднуючись з гігроскопічною речовиною, утворює розчин фосфорної кислоти з великою питомою провідністю. Підключена до електродів постійна напруга викликає електроліз поглиненої вологи. Кількість поглиненої та розкладеної води при постійній витраті газу однакова і визначається концентрацією вологи ваналізованому газі.
Перевагою кулонометричних гігрометрів є незалежність їх показань від напруги живлення та складу газу. Забруднення сорбенту практично не впливають на показання приладу, метод не вимагає градуювання на еталонних сумішах і є хорошим для вимірювання мікроконцентрацій вологи в газах.
До недоліків методу належить необхідність виключення парів та газів, що мають лужну реакцію (аміак, аміни). Їхня присутність виводить з ладу чутливий елемент. На свідчення істотно впливають пари спиртів, які гідролізуються на пентаоксиді фосфору з утворенням води.
Уп'єзосорбційних гігрометрахвикористовується залежність частоти власних коливань кварцового резонатора від маси вологи, поглиненої сорбентом, нанесеним на поверхню кварцової пластини.
Метрологічні характеристики п'єзосорбційних гігрометрів визначаються матеріалом сорбенту та технологією його нанесення на поверхню кварцової пластини. Застосування як сорбенти силікагелю, цеолітів, сульфованого полістиролу дозволяє використовувати п'єзосорбційний метод для вимірювання мікроконцентрацій вологи в газах. Конструкція чутливого елемента пристрою досить проста.
П'єзосорбційні гігрометри вимагають градуювання газовими сумішами з відомою вологістю. Можливі додаткові похибки за рахунок сорбування, крім вологи інших домішок аналізованого газу. П'єзосорбційні гігрометри застосовуються в хімічній промисловості та при випробуваннях матеріалів та виробів у термобарокамерах.
Гігрометри для вимірювання вологості газів виробляються вітчизняними фірмами: ІПТБ 056 (ф. «Елемер»), зарубіжними фірмами: мод. 340, серія 800 (ф. Rosemount), мод. 4112 (ф. Honeywell), Dewcel (ф. Foxboro), мод. 70 (20-23, 31, 32, 51) (ф.Jumo) та ін.