10. Измерение влажности газов

9.1. Основные сведения

Влажность воздуха и других газовых сред является одним из важных параметров, характеризующих ход многих технологиче­ских процессов (например, сушка различных продуктов, выпечка хлебобулочных и кондитерских изделий, кондиционирование возду­ха, управление вентиляционными установками и др.). Измерение и автоматическое регулирование влажности воздуха необходимы в складских и производственных помещениях, связанных с хране­нием и переработкой гигроскопических полуфабрикатов и готовых пищевых изделий. Особое значение приобретает измерение влаж­ности газовых сред в процессе ферментации чая, табака, винома­териалов и других пищевых продуктов, а также измерение влажно­сти паровоздушных смесей в печах и сушильных камерах.

Влажность газа —это содержание в нём водяного пара. Для характеристики влажности воздуха и других газов используется ряд величин:

абсолютная влажность —масса водяного пара, содержащегося в единице объема влажного или сухого газа. Выражается в кг/м³ или г/м³;

влагосодержание — отношение массы водяного пара к массе су­хого газа в том же объеме. Величина безразмерная; объемное влагосодержание — отношение объема водяного пара к объему сухого или влажного газа. Величина безразмерная;

температура точки росы — температура, которую принимает влажный газ, если охладить его до полного насыщения по отноше­нию к плоской поверхности воды. Выражается в °С или К;

парциальное давление, или упругость водяного пара, содержа­щегося в газе. Выражается в Па.

В качестве характеристики влажности газа часто используется относительная влажность , равная отношению его действительной влажности к максимально возможной влажности этого газа при данной температуре. Выражается она либо в относительных едини­цах ( ), либо в процентах ( ).

Измерение влажности газов и воздуха осуществляется с по­мощью влагомеров. Приборы для измерения влажности газовых сред часто называют гигрометрами, а раздел метрологии, относящийся к этому виду измерений, — гигрометрией.

Для измерений, связанных с определением влажности газов, используются различные методы. Наиболее распространены в про­мышленной гигрометрии тепловые методы (психрометрический и конденсационный), сорбционный и инфракрасный. Кроме того, в последнее время с развитием хроматографии получает распростра­нение и хроматографический метод измерения влажности газов, обеспечивающий высокую точность измерений (до ±0,1%).

9.2. Тепловые влагомеры

Тепловые влагомеры газов основаны на использовании зависимостей между температурой чувствительного элемента измеритель­ного преобразователя влажности и содержанием водяного пара в анализируемой среде, т. е. выходной сигнал гигрометра зависит от тепловых явлений, протекающих в этой среде. В пищевой промыш­ленности широко применяются психрометрические и конденсацион­ные (по точке росы) влагомеры, обеспечивающие точность измере­ния до ±2%.

9.2.1.Психрометрические влагомеры

Психрометрический метод является наиболее распространен­ным, основан он на использовании зависимости между упругостью водяного пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду.

Рис.9.1. Принципиальная электрическая схема автоматического психрометра с преобразователями сопротивления

Таким образом, для измерения психрометрического эффекта в анализируемую среду помещаются два одинаковых термометра, у одного из которых — влажного — тепловоспринимающая часть все время должна быть влажной, что обеспечивается соприкосновением его с гигроскопическим телом (фи­тилем), всасывающим воду из спе­циального сосуда. При испарении влаги с поверх­ности влажного термометра тем­пература его понижается. В ре­зультате между сухим и влажным термометрами возникает разность температур, которая на­зывается психрометрической раз­ностью.

Психрометрический коэффици­ент, определяется эмпирически и зависит от многих факторов, обусловливающих тепло- и массообмен влажного чувствительного элемента психрометра с окружаю­щей средой, в том числе от его размеров и формы, вида и состоя­ния смачивающего фитиля, теплопроводности защитной оболочки и др. Из внешних условий, определяющих работу психрометра, на­ибольшее значение имеет скорость воздуха или газа, омывающего его чувствительный элемент. С ростом скорости усиливается испа­рение и уменьшается искажающее влияние притока теплоты от ра­диации и теплопроводности. В связи с этим в чувствительных эле­ментах современных психрометров предусмотрены устройства для искусственного обдува со скоростью воздуха не ниже 3—4 м/с.

Простейший психрометр состоит из двух одинаковых жидкост­ных стеклянных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с рабочей жидкостью одного из термометров покрыва­ется тканью, конец которой опускается в резервуар с водой. Таким образом, баллончик этого термометра всегда находится во влаж­ном состоянии. На основании показаний обоих термометров по со­ответствующим таблицам определяется влажность воздуха или газа.

Психрометрический метод положен в основу построения ряда автоматических промышленных приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности воздуха и газов. Наиболее рас­пространенными приборами этой группы являются электрические психрометры. Принципиально они аналогичны психрометрам, в ко­торых используются два стеклянных термометра, но отличаются от них тем, что для определения температуры в них применяются тер­моэлектрические преобразователи температуры, термопреобразова­тели сопротивления или полупроводниковые термосопротивления.

Существует много схем электрических психрометров, различаю­щихся по типу чувствительного элемента, способу включения, изме­рительной схеме, конструктивным особенностям системы смачива­ния влажного термометра и др. На рис. 9.1 представлена одна из принципиальных электрических схем измерения психрометрической разности температур. Измерительная часть её состоит из двух мос­тов переменного тока І и ІІ, имеющих два общих плеча R1 и RЗ, а также плечо R2 (мост І ) и плечо R4 (мост ІІ ). В соответствующие плечи включаются сухой и влажный термометры R_C и R_B. В диаго­наль моста ІІ включен резистор R5.

Разность потенциалов между точками а и b прямо пропорцио­нальна температуре сухого термометра R_C, а между точками а и с — влажного R_B. При изменении влажности падение напряжения между точками с и d (движок компенсационного переменного ре­зистора), соответствующее разности температур сухого и влажно­го термометров, подается на электронный усилитель 1, где усили­вается и управляет движением реверсивного двигателя 2, который производит перестановку движка компенсационного переменного резистора до тех пор, пока не наступит новое равновесное состоя­ние моста. Одновременно реверсивный двигатель производит пере­становку стрелки измерительного прибора 3.