3.3.1. Измерение влажности газов, твердых и сыпучих материалов
Содержание влаги (воды) в воздухе и других газовых средах, а также в твердых, вязкопластичных и сыпучих материалах является весьма важной характеристикой, определяющей как протекание многих технологических процессов, так и качество исходного сырья и готовой продукции.
Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха (газа) – это содержание в нем водяного пара; абсолютная влажность – масса водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого газа; влагосодержание – отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме.
1. Психрометрический метод измерения влажности основан на использовании зависимости между упругостью водяного пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду.
Простейший психрометр состоит из двух одинаковых жидкостных стеклянных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров покрывается тканью, конец которой опускается в резервуар с водой. На основании показаний обоих термометров по соответствующим таблицам определяют влажность воздуха или газа. Психрометрический метод положен в основу построения ряда автоматических промышленных приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности воздуха и газов.
2. Конденсационный метод измерения влажности газов, или метод точки росы, основан на использовании следующей зависимости:
φ = Еτ / Еt ,
где Еτ – упругость насыщенного пара при температуре точки росы τ, Па; Еt упругость насыщенного пара при температуре t, Па.
Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа t, можно определить его относительную влажность.
3. В основе сорбционного метода измерения влажности лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности. В
сорбционных электролитических влагомерах влагочувствительный элемент представляет собой жидкую или сухую пленку электролита, наносимую на неэлектропроводную основу (подложку), которая обладает свойством поглощать влагу из окружающей среды до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между давлением водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и давлением пара окружающей среды. Сопротивление электролитической пленки чувствительного элемента влагомера изменяется в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. В качестве электролитов, применяемых в электро-литических датчиках, используются водные растворы хлорита лития (LiCl), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.
3.3.2. Измерение состава газов
В промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании разных видов топлива, а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро- и взрывоопасных производствах и помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего персонала.
В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу устройства в целом. Основными вспомогательными узлами являются приспособления для отбора, очистки, транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.
Механические газоанализаторы. К этой группе относятся приборы, основанные на использовании различных химических реакций и связанных с ними изменений объема или давления анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируемого компонента с помощью специальных поглотителей.
Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа (рис. 3.27) осуществляется измерение относительного изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с теплопроводностью эталонной смеси известного состава.
Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного преобразователя – мостовой электрической схемы.
Измерительный
мост
образован
двумя
одинаковыми
чувствительными
элементами
(резисторами)Rа
и
Rэ,
выполняющими
роль
нагревателей
и
термопреобразователей
сопротивления
одновременно,
и
двумя
одинаковыми
постоянными
резистора-ми
R1
и
R2.
Один
из
чувствительных
элементов
Rа
помещен
в
рабочую
камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй Rэ – в закрытую сравнительную камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Обычно температура нагрева чувствительных элементов Ra и Rэ в тер-мокондуктометрических газоанализа-торах составляет 100—
120 °С.
Если теплопроводность Рис. 3.27. Газоанализатор анализируемого и эталонного газов
по теплопроводности одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы Rа и Rэ будут
иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равновесии. При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от этого значения мост выйдет из равновесия и в диагонали его появится напряжение разбаланса ∆U, которое служит мерой концентрации определяемого компонента.
3.3.3. Измерение состава газов
и жидкостей методом хроматографии
Хроматография представляет собой физико-химический метод разделения сложных газовых или жидкостных смесей, при котором разделяемые компоненты распределяются между двумя фазами, одной из которых является движущийся поток анализируемого газа или жидкости – подвижная фаза, а второй –
неподвижный сорбент с развитой поверхностью – неподвижная фаза, через которую движется анализируемый поток.
Проявительный метод хроматографического разделения по-лучил наибольшее распространение. Он состоит в том, что через неподвижный сорбент непрерывно протекает несорбирующийся поток подвижной среды, в которую периодически вводится ана-лизируемое вещество. Это вещество представляет собой смесь сорбирующихся компонентов, подлежащих определению. Процесс разделения компонентов при проявительной хроматографии может быть представлен в виде схемы, приведенной на рис. 3.28. Порция исследуемой смеси, состоящая, например, из компонентов А, Б и В, вводится в разделительную колонку, заполненную сорбентом – неподвижной фазой, и перемещается вдоль нее с помощью потока инертного (по отношению к сорбенту и компонентам смеси) носителя. При этом будем считать, что сорбируемость компонентов смеси характеризуется рядом А > Б > В. Так как компоненты смеси имеют разную сорбируемость или растворимость, то движение их в колонке замедляется по-разному. Через некоторое время вперед уйдет компонент В, как менее сорбирующийся, за ним будет располагаться компонент Б и, наконец, А, более сорбирующийся и потому движущийся медленнее других компонентов. Затем компоненты разделяются полностью, а при дальнейшем движении между их слоями оказывается слой чистого носителя. Таким образом, разделительную колонку покидают последова-тельно чистый носитель и бинарная смесь (носитель + ана-лизируемый компонент). Бинарная смесь поступает в спе-циальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого прямо пропорционален концентрации анализируемого компонента.
Рис. 3.28. Схема хроматографического разделения смеси
Хроматографическая разделительная колонка представляет собой трубку, в которую помещают неподвижную фазу, прохождения газового потока. Важнейшей частью любого хро-матографа является детектор, предназначенный для преобразо-вания концентрации компонентов газа, выходящего из хроматографической разделительной колонки, в соответствующий электрический или другого вида сигнал, удобный для дальнейшего использования в системе автоматического контроля или регулирования. От совершенства детектора во многом зависят чувствительность и точность хроматографической установки в целом. Наибольшее практическое применение в газовой хроматографии получили детекторы по теплопроводности (термокондуктометрические детекторы, или катарометры), ионизационные и пламенные. Детекторы по теплопроводности по принципу действия аналогичны соответствующим газоанализаторам, рассмотренным в п. 3.3.2.