Методы измерения влажности газов. Поверка гигрометров. Учебное пособие

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

А.П. Лепявко

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ. ПОВЕРКА ГИГРОМЕТРОВ

Учебное пособие

Москва

2008

1

УДК 531.1.87.(07)

А.П. Лепявко. Методы измерения влажности газов. Поверка гигрометров: Учеб. пособие. — М.: АСМС, 2008. — 42 с.

Приведены понятия, термины, используемые в области измерения влажности газов. Рассмотрены методы измерения, а также вопросы метрологического обеспечения гигрометрии. Приведены примеры поверки гигрометров, принцип действия которых основан на разных методах измерения. Описаны методики поверки эталонных генераторов влажного газа.

Учебное пособие соответствует учебной программе дисциплины «Поверка и калибровка средств физико-химических измерений» (раздел «Поверка и калибровка средств измерений влажности газов»).

Учебное пособие предназначено для слушателей АСМС, повышающих квалификацию по специализации «Поверка и калибровка средств физико-химических измерений».

Учебное пособие рассмотрено на заседании кафедры «Теплотехнические измерения» АСМС и рекомендовано к использованию в учебном процессе.

© АСМС, 2008

2

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.Основные понятия и определения

Измерение влажности газовых сред фактически является одним из разделов газового анализа. Но в силу особых свойств воды, прежде всего ее присутствия практически во всех природных веществах, способности изменять фазовое состояние при температуре окружающего воздуха, измерение влажности веществ выделяется в отдельную область измерительной техники

— влагометрию.

Влажность вещества, влажность — свойство вещества, качественная характеристика его состава, указывающая на содержание в нем влаги.

Влага — вода, входящая в состав другого вещества и связанная с ним физическими связями.

Под влагометрией понимается вся область измерений влажности веществ, а под гигрометрией — раздел влагометрии, относящийся к измерению влажности газовых сред. Соответственно влагомеры — это приборы для измерения влажности твердых и жидких материалов, гигрометры — приборы для измерения влажности газов.

Влажность газов — качественное понятие, отражающее присутствие в газовой среде газообразной воды.

Влажный газ — смесь какого-либо газа с водяным паром. Водяной пар — вода в газообразном состоянии.

Насыщенный водяной пар над водой (льдом) — водяной пар, находящийся в термодинамическом равновесии с плоской поверхностью воды (льда).

Количественно влажность газов может характеризоваться различными величинами. Эти величины можно разделить на две группы: величины влагосодержания и величины влагосостояния.

Величины влагосодержания характеризуют влажный газ как газовую смесь. К таким величинам относятся:

массовая концентрация, абсолютная влажность, плотность

влаги ρв, кг/м3;

массовая, молярная или объемная доли X, %, ‰ или млн–1

(ppM).

Массовое, молярное или объемное отношение влаги d —

это отношение соответственно массы, количества или объема

3

влаги, содержащейся в газе, к массе, количеству и объему сухой части этого вещества, %, ‰ или млн–1 (ppM).

Для характеристики влажного воздуха часто используется массовое отношение влаги, или массовое влагосодержание, кг влаги/кг сухого газа.

Величины влагосостояния характеризуют термодинамическое состояние водяного пара во влажном газе. К величинам влагосостояния относятся:

парциальное давление водяного пара рв — давление,

которое имел бы водяной пар, находящийся во влажном газе, если бы он занимал объем, равный объему этого влажного газа, Па;

относительная влажность газа над водой (льдом) φ —

отношение молярной доли влаги в газе Xв к молярной доле

насыщенного водяного пара над водой (льдом) Xн в этом газе при тех же давлении и температуре, %:

φ = (Xв/Xн) 100.

Такое определение дано в РМГ 75–2004 «ГСИ. Измерения влажности веществ. Термины и определения». Это определение отличается от приводимого в большей части технической литературы, где под относительной влажностью понимается

отношение парциального давления водяного пара рв к давлению насыщенного водяного пара рн:

pв 100 ;

рн

температура точки росы (точка росы) tр — это

температура, до которой необходимо охладить при постоянном давлении водяной пар, чтобы он стал насыщенным, °С.

1.2. Психрометрическая диаграмма

Для наглядного изображения состояния влажного газа удобно использовать психрометрическую диаграмму. Она отражает связь параметров влагосостояния и влагосодержания. Психрометрическая диаграмма широко применяется в технике кондиционирования воздуха для изображения процессов его тепловлажностной обработки (нагрева, охлаждения, осушки,

4

увлажнения). Такая же диаграмма может быть построена для любого другого влажного газа для конкретного давления исходя из того, что давление влажного газа р складывается из

парциального давления сухого газа рс и парциального давления водяного пара рв:

р = рс + рв.

Диаграмма выполнена в координатах температура t — массовое отношение влаги (массовое влагосодержание) d. На рис. 1 приведен принцип построения психрометрической диаграммы. На диаграмме нанесены:

линии постоянной относительной влажности φ = const. линии постоянной удельной энтальпии (теплосодержания)

влажного газа i = const.

d, кг/кг

φ = 100 %

d1

Рис. 1. Психрометрическая диаграмма:

φ = const — линии постоянной относительной влажности; i = const — линии постоянной удельной энтальпии;

t1, d1 — параметры влажного газа; Р — точка росы; М — точка «мокрого» (смоченного) термометра

Линия φ = 100 % (линия насыщения влажного газа) характеризует газ, содержащий насыщенный водяной пар.

Удельная энтальпия влажного газа i — это сумма удельной энтальпии сухого газа ic и энтальпии содержащегося в газе

5

водяного пара iв:

i= ic + iв. Удельная энтальпия ic сухого газа ic = cc ∙ t,

где сс — удельная теплоемкость сухого газа; t — температура газа.

Удельная энтальпия водяного пара iв состоит из явной

cв ∙ t (cв — удельная теплоемкость паров воды) и скрытой

теплоты r (теплоты фазового перехода «пар — жидкость или лед»).

Энтальпия водяного пара iв, содержащегося в 1 кг сухого газа,

iв = d(cв ∙ t + r). Тогда энтальпия влажного газа

i = cc ∙ t + d(cв ∙ t + r) = (cc + dcв)∙ t + rd.

Точкой 1 на диаграмме обозначено некоторое состояние влажного воздуха. Состояние влажного газа может быть однозначно определено двумя параметрами:

температура t1 и массовое влагосодержание d1; температура t1 и относительная влажность φ1;

температура t1 и температура точки росы tр;

температура t1 и температура смоченного («мокрого») термометра tм.

Парциальное давление насыщенного водяного пара уменьшается при снижении температуры. Поэтому при

(φ = const) также уменьшается.

При охлаждении газа с постоянным влагосодержанием (линия 1 — Р на диаграмме) увеличивается его относительная

влажность, и при достижении температуры точки росы tр водяной пар становится насыщенным (точка Р на диаграмме). При

6

дальнейшем охлаждении происходит выделение влаги из газа в виде жидкости (конденсация) или льда (вымораживание).

На этом принципе основан метод осушки газов охлаждением. На этом же принципе основана работа конденсационных гигрометров или гигрометров точки росы.

Точка М изображает состояние насыщенного влагой газа (φ = 100 %), имеющего энтальпию, равную энтальпии газа в

точке 1 (iм = i1). При термодинамическом равновесии с плоской поверхностью воды газ имеет относительную влажность φ =

100 % и температуру tм, равную температуре поверхности воды. При этом температура воды tм ниже температуры t1, в то же

время массовое влагосодержание газа над поверхностью воды dм

больше d1. За счет разности температур (t1 – tм) происходит перенос теплоты от газа к воде. В то же время за счет разности

влагосодержаний (dм – d1) происходит перенос водяного пара с ее

поверхности к окружающему газу. Перенос водяного пара с поверхности воды компенсируется постоянным ее испарением. Вода при этом охлаждается. Таким образом, одновременно происходят два процесса: с одной стороны — нагрев воды за счет разности температур, с другой — охлаждение воды за счет ее

испарения. При определенной температуре воды tм достигается

равновесие этих двух процессов.

На этом принципе основаны психрометрические гигрометры. В этих гигрометрах происходит измерение температуры «сухого» и «мокрого» (смоченного водой с помощью фитиля) термометров. Затем определяется по таблице или рассчитывается значение относительной влажности. Точка М на психрометрической диаграмме получила название точки «мокрого», или смоченного термометра.

Парциальное давление насыщенного водяного пара зависит практически только от температуры, поэтому при другом давлении влажного газа массовое влагосодержание при 100 % относительной влажности будет другое. Соответственно при изменении давления изменяется положение линий φ = const на психрометрической диаграмме.

При увеличении давления массовое влагосодержание насыщенного влагой воздуха снижается. При более высоком

7

давлении тем же значениям температуры и влагосодержания будет соответствовать более высокое значение относительной влажности. Насыщение влагой газа достигается при меньшем содержании водяного пара. На этом свойстве основан метод осушки газов путем сжатия и охлаждения до окружающей температуры.

8

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Все методы измерения влажности газов можно разделить на несколько групп:

методы полного поглощения (гравиметрический и химический методы);

методы, основанные на измерении температуры (температурные методы);

сорбционные методы (деформационные и электрические методы);

кулонометрический метод; физические методы (методы, основанные на изменении

свойств газа).

2.1. Методы полного поглощения

Методы полного поглощения являются прямыми методами измерения влажности. Анализируемая смесь пропускается через вещество, способное поглощать только влагу. Количество поглощенной влаги определяется гравиметрическим или химическим способом.

Гравиметрический метод. Сущность этого метода заключается в поглощении влаги из газа путем конденсации и сорбции. Определяются масса выделенной влаги, масса газа и рассчитывается влагосодержание. Такой метод применяется для градуирования и поверки гигрометров в установках высшей точности.

На рис. 2 приведена блок-схема конденсационно-гравиметри- ческой установки. В блоке подготовки 2.1 генератора влажного газа 2 обеспечиваются параметры газа, необходимые для эффективного увлажнения до требуемой концентрации. Затем газ поступает в блок насыщения влагой 2.2. В блоке режима 2.3 газ приобретает требуемое давление и температуру. Часть подготовленного газа поступает к поверяемому прибору ПП, а другая часть в блок измерения массы влаги 1.1 измерителя 1. Большая часть влаги выделяется из газа путем охлаждения в конденсационной ячейке 1.1.1. Оставшаяся часть влаги поглощается сорбентом в сорбционной ячейке 1.1.2. В качестве сорбента используется пятиокись фосфора Р2О5 или безводный перхлорат магния Mg(ClO4)2. Осушенный газ, не содержащий

9

влаги, поступает в блок измерения массы газа 1.2.

Рис. 2. Блок-схема конденсационно-гравиметрической установки: 1 — измеритель; 2 — генератор влажного газа; ПП — поверяемый прибор; 1.1 — блок измерения массы влаги;

1.1.1 — конденсационная ячейка; 1.1.2 — сорбционная ячейка; 1.2 — блок измерения массы газа; 2.1 — блок подготовки; 2.2 — блок насыщения; 2.3 — блок режима

Масса сконденсированной mк и поглощенной сорбентом

влаги mс определяется путем взвешивания конденсационной и

сорбционной ячеек до пропускания через них газа и после накопления в них достаточного количества влаги. Масса сухого

газа mсг определяется взвешиванием предварительно

отвакуумированной и заполненной газом емкости. Рассчитывается массовое влагосодержание (массовое

отношение влаги)

d mк mс mг

или массовая доля влаги

Химический метод. Наиболее широко применяется метод титрования с использованием реактива Фишера. Этот метод является универсальным методом определения содержания воды в твердых, жидких и газообразных материалах. Реактив Фишера представляет собой раствор возогнанного металлического йода J2, безводного пиридина C5H5N и сухого сернистого ангидрида SO2 в абсолютном метаноле. Влажный газ пропускают через

10