Методы измерения влажности газов. Поверка гигрометров. Учебное пособие

реактив Фишера. Йод и сернистый ангидрид взаимодействуют с водой с образованием серной и йодистоводородной кислоты. Происходит следующая реакция:

J2 + SO2 + H2O → H2SO4 + 2HJ.

Пиридин служит для нейтрализации образовавшихся при реакции кислот. Конец титрования определяют визуально или электрометрическим методом. Массовая концентрация газа определяется по известному объему реактива и объему пропущенного через реактив газа.

Метод отличается универсальностью, высокой чувствительностью и точностью. Он применяется обычно для измерения малых и микроконцентраций влаги в газе.

2.2. Температурные методы

Психрометрический метод. Метод реализуется в психрометрах (психрометрических гигрометрах) и используется в основном для измерения влажности воздуха. В таких гигрометрах

измеряется температура воздуха («сухого» термометра) tс и

смоченного водой («мокрого») термометра tм. Вода находится в

термодинамическом равновесии с окружающим воздухом. При относительной влажности воздуха менее 100 % вода испаряется и за счет испарения охлаждается. Ее температура становится ниже температуры газа, измеряемой «сухим» термометром. Чем ниже

относительная влажность, тем больше разница tс – tм.

Эта разница температур зависит также и от температуры воздуха. При снижении температуры и одинаковой

относительной влажности разность tс – tм уменьшается (см. психрометрическую диаграмму на рис. 1).

В реальных условиях разница температур tс – tм,

соответствующая линии постоянной энтальпии в психрометрической диаграмме, не достигается. Реальная

температура «мокрого» термометра tм всегда несколько выше,

чем tм. Это вызвано тем, что не соблюдается полная аналогия процессов тепло- и массопереноса. Отличие реальной разности

температур tс – tм от теоретической разности tс – tм зависит от скорости обдува «мокрого» термометра. Чем выше скорость

11

обдува, тем меньше это отличие. При нулевой скорости обдува

t t

tмc tмм 0,14.

При достижении скорости порядка 2 м/с это отношение стабилизируется и становится равным 0,01.

Психрометрический метод используется в широко известных психрометрах Августа и Ассмана. В этих психрометрах для измерения температуры используются жидкостные стеклянные термометры. Подвод воды и смачивание чувствительного элемента «мокрого» термометра обеспечиваются фитилем. В психрометрах Августа обдув термометров воздухом не производится. Тепло- и массообмен происходят за счет естественной конвекции.

Васпирационных психрометрах Ассмана (рис. 3) для повышения точности и снижения инерционности чувствительные элементы «сухого» и «мокрого» термометров принудительно обдуваются воздухом. Крыльчатки аспиратора приводятся во вращение либо пружинным механизмом, либо электродвигателем.

Вэлектрических промышленных психрометрах для измерения температур

tс и tм используются в большинстве

случаев термопреобразователи сопротивления.

Значение относительной влажности рассчитывается с использованием полуэмпирической психрометрической формулы

р — давление воздуха; А — психрометрический коэффициент.

Значение психрометрического коэффициента зависит от условий тепло- и влагообмена «мокрого» термометра с окружающим газом. В свою очередь эти условия определяются многими факторами, к числу которых относятся:

размер и форма чувствительного элемента «мокрого» термометра;

скорость воздушного потока, обдувающего «мокрый» термометр;

вид и состояние смачиваемого фитиля; температура смачивающей воды и теплопроводность фитиля; влияние тепловой радиации.

Для каждого психрометра составляют психрометрическую таблицу, в которой приведено значение относительной

влажности в зависимости от температур tс или tм и разности tс –

tм. В современных электрических психрометрах относительная

влажность по психрометрической формуле вычисляется микропроцессором с использованием экспериментально определенного психрометрического коэффициента.

Температурная область использования психрометров охватывает диапазон от –10 до +60 ºС. Абсолютная погрешность измерения относительной влажности при положительных температурах воздуха составляет ±2…7 %. При пониженных требованиях к точности можно проводить измерения до температуры воздуха 100 ºС.

Психрометры широко применяются для измерения и контроля влажности в помещениях, а также при технологических операциях пищевых производств.

Достоинством психрометров являются простота и возможность поэлементной поверки без применения эталонных средств (эталонных гигрометров или эталонных генераторов влажного газа).

Недостатком психрометров является необходимость постоянной подачи воды к чувствительному элементу «мокрого» термометра. При непрерывных измерениях в реальных производственных условиях происходит загрязнение фитиля пылью, твердыми частицами и солями, что приводит к

13

недопустимому увеличению погрешности. Для исключения этих явлений применяется бесфитильное увлажнение «мокрого» термометра, например, распыляемой жидкостью.

Метод точки росы реализуется в конденсационных гигрометрах. Метод заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить анализируемый газ, чтобы довести до состояния насыщения водяной пар, содержащийся в газе. Точка росы определяется по началу конденсации водяного пара на охлаждаемой плоской поверхности твердого тела. При этом охлаждается не весь газ, проходящий над поверхностью, а только часть его, непосредственно контактирующая с поверхностью.

Начало конденсации в большинстве гигрометров определяется оптическим методом, в котором используется эффект различия световых потоков, отраженных от чистой зеркальной поверхности и поверхности, покрытой слоем конденсата. Температура поверхности измеряется термоэлектрическим преобразователем или термопреобразователем сопротивления.

Принцип действия конденсационного гигрометра с оптическим методом фиксации точки росы иллюстрируется на рис. 4. Влажный газ продувается над охлаждаемой зеркальной металлической поверхностью. От чистой поверхности световой луч отражается и попадает на фотоприемник. При понижении температуры поверхности ниже температуры точки росы на ней образуется конденсат в виде капель воды или кристаллов льда. При отражении световой луч рассеивается. Интенсивность излучения, воспринимаемого фотоприемником, снижается. По температуре зеркала в этот момент определяется температура точки росы.

Рис. 4. Принцип действия конденсационного гигрометра:

14

1 — металлическое зеркало; 2 — охладитель зеркала;

3 — источник света; 4 — фотоприемник

После этого зеркало нагревается, с его поверхности испаряется конденсат. Затем зеркало снова охлаждается. Цикл измерения повторяется. Измерения температуры точки росы производятся не непрерывно, а периодически.

Внекоторых гигрометрах применялся кондуктометрический способ определения начала конденсации влаги. Этот способ основан на измерении электрического сопротивления пленки конденсата на поверхности зеркальца.

Вбольшинстве конденсационных гигрометров охлаждение зеркальца обеспечивается термоэлектрическим охлаждающим устройством. В гигрометрах, предназначенных для определения точки росы сжатых газов высокого давления (например, воздуха или азота), охлаждение зеркальца производится за счет дроссельного эффекта. При этом для охлаждения отбирается часть анализируемого сжатого газа.

Вряде случаев обеспечить отбор анализируемого влажного газа и подачу его в прибор для прохождения над зеркальцем достаточно сложно. В этих случаях используются погружные конденсационные гигрометры. В таких гигрометрах к охлаждаемому зеркальцу подводится не газ, а световой луч с использованием световода — оптического волокна.

Вкачестве зеркальца используется оптическое волокно, по которому распространяется свет. Часть световода, контактирующая с измеряемой средой, очищена от оболочки. При отсутствии на открытой поверхности конденсата в нем сохраняется эффект полного внутреннего отражения. Свет отражается от внешнего слоя волокна и возвращается в его сердцевину с минимальными потерями. При выпадении конденсата коэффициент преломления внешнего слоя изменяется. Значительная часть света выходит наружу, что приводит к снижению тока фотоприемника.

Применение метода точки росы усложняется в тех случаях, когда в газе помимо влаги имеются компоненты, которые могут конденсироваться при более высокой температуре, чем пары воды. Таким газом является природный газ. Помимо водяного пара компонентами, которые могут конденсироваться на

15

поверхности зеркала, могут быть высшие углеводороды, пары осушителя, применяемого в процессе осушки природного газа. Соответственно могут быть определены три значения температуры «точки росы» (влаги, высших углеводородов и осушителя).

Автоматические конденсационные гигрометры (гигрометры точки росы) охватывают диапазон измерения температуры точки росы до –60 °С. Погрешность измерения ±1…2 °С. В наиболее точных гигрометрах, используемых прежде всего в качестве эталонных средств измерений, погрешность измерения ±0,5 ºС.

Метод на основе использования электролитических подогревных датчиков. Метод основан на том, что состояние насыщения водяного пара над раствором гигроскопической соли достигается при парциальном давлении водяного пара, меньшем, чем парциальное давление насыщенного водяного пара над водой.

Схематично электролитический подогревный датчик приведен на рис. 5.

Рис. 5. Электролитический подогревный датчик: 1 — чехол; 2 — электроды; 3 — термопреобразователь; 4 — ограничитель тока

Датчик представляет собой термометр сопротивления, покрытый чехлом из стеклоткани. Ткань пропитывается водным раствором LiCl. К электродам подведено электрическое напряжение.

Раствор хлористого лития электропроводен. По нему протекает ток, стеклоткань нагревается и раствор высушивается. Нагрев продолжается до тех пор, пока температура раствора не поднимется до значения, при котором влагосодержание окружающего воздуха будет соответствовать примерно 12 % относительной влажности.

16

При этой температуре раствор полностью высыхает и становится неэлектропроводным. Протекание тока и нагрев прекращаются. Хлористый литий охлаждается и начинает поглощать влагу из окружающего воздуха. Раствор становится электропроводным. Процесс повторяется до тех пор, пока не установится равновесие между насыщенным раствором LiCl и окружающим влажным воздухом.

Температура равновесия зависит только от парциального давления водяного пара в воздухе. При постоянном давлении воздуха эта температура однозначно связана с температурой точки росы. Поэтому шкала прибора может быть отградуирована в значениях температуры точки росы. Для определения относительной влажности необходимо дополнительно измерять температуру воздуха.

Приборы такого типа позволяют измерять температуру точки росы в пределах от –20 до +60 ºС. Погрешность измерения в пределах ±0,5…1,0 ºС. Эти приборы не требуют индивидуальной градуировки.

Недостатком приборов с электролитическими подогревными датчиками является необходимость поддержания постоянного наличия тока в цепи электродов. При прерывании питания происходят постоянное поглощение влаги из газа хлористым литием, разбавление раствора и стекание его с чехла.

2.3. Сорбционные методы

Сорбционные методы основаны на применении гигроскопических веществ, механические или электрические свойства которых изменяются в зависимости от их влажности. Гигроскопическое вещество поглощает влагу из окружающего газа. Влажность этого вещества зависит от влажности окружающего газа. Зависимость концентрации влаги в какомлибо веществе от влажности газа характеризуется изотермой сорбции. У большей части гигроскопичных веществ количество поглощенной из газа влаги определяется прежде всего относительной влажностью этого газа.

Между влажностью вещества и влажностью газа устанавливается равновесие, которое описывается характерными для каждого вещества изотермами сорбции. Изотермы десорбции, полученные при снижении влажности газа,

17

отличаются от изотерм сорбции, получаемых при увеличении влажности газа, наличием гигроскопического гистерезиса. Гистерезис сорбции — десорбции вызывается потреблением энергии для разрыва связей молекул воды с молекулами вещества.

Основными требованиями к гигроскопическим материалам, применяемым в приборах измерения относительной влажности, являются малая зависимость сорбции от температуры газа, малые значения гигроскопического гистерезиса и высокая скорость сорбции и десорбции.

Сорбционные гигрометры подразделяются на деформационные и электрические.

Деформационные гигрометры. Основным типом деформационных гигрометров являются волосяные гигрометры. Лучшим чувствительным элементом для такого гигрометра является обезжиренный человеческий волос. При изменении относительной влажности от 40 до 90 % длина волоса увеличивается на 2,5 %. В отличие от других (искусственных) материалов показания гигрометра с человеческим волосом в пределах от –10 до +50 °С мало зависят от изменения температуры воздуха. Погрешность волосяных гигрометров находится в пределах ±5 %. Время установления показаний составляет несколько минут.

Реже применяются пружинные гигрометры. Чувствительным элементом таких гигрометров является пружина, изготовленная из металлической ленты, покрытой с одной стороны слоем гигроскопического вещества, набухающего при контакте с влажным воздухом, что приводит к деформации пружины.

Электрические сорбционные гигрометры. В таких гигрометрах чувствительные элементы выполняются из веществ, которые изменяют свои электрические свойства при поглощении влаги. К электрическим сорбционным гигрометрам относятся пьезосорбционные, диэлькометрические (емкостные) и резистивные гигрометры.

Чувствительный элемент пьезосорбционого гигрометра

представляет собой кварцевый пьезоэлемент — резонатор, покрытый пленкой гигроскопичного материала. Собственная частота колебаний кварцевого пьезоэлемента зависит от его

18

массы. При поглощении влаги пленкой увеличивается масса резонатора и изменяется частота его собственных колебаний.

Изменение частоты f описывается уравнением

где f — частота колебаний;

N — частотный коэффициент, зависящий от типа среза и формы кварцевой пластины;

ρк — плотность кварца;

S — площадь поверхностного слоя кварцевой пластины; m — масса поглощенной влаги.

Схема датчика пьезосорбционного гигрометра приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема пьезосорбционного датчика влажности: 1 и 2 — рабочий и сравнительный чувствительные элементы;

3 и 4 — измерительный и опорный генераторы; 5 — смеситель

Частота собственных колебаний кварцевого пьезоэлемента зависит также и от температуры. Поэтому для исключения влияния температуры в одном датчике устанавливают два пьезоэлемента.

Один чувствительный элемент (рабочий) покрыт гигроскопической пленкой, другой (сравнительный) либо изолируется от воздействия влажного газа, либо не покрывается гигроскопической пленкой. Выходным сигналом датчика является разность частот ∆f собственных колебаний рабочего f1 и сравнительного f2 пьезоэлементов

∆f = f1 – f2 = f (φ).

Принцип действия диэлькометрических сорбционных

19

гигрометров основан на изменении диэлектрической проницаемости гигроскопического материала при поглощении влаги. Вода имеет аномально высокую диэлектрическую проницаемость — около 80. У других веществ она не превышает 10. Поэтому при поглощении воды диэлектрическая проницаемость материала увеличивается.

Чувствительный элемент гигрометра представляет собой электрический конденсатор с электродами, выполненными из благородного металла (обычно из золота) и проницаемыми для паров воды. Между электродами располагается гигроскопичный диэлектрический материал — синтетическая пленка или окись алюминия.

Электрическая емкость конденсатора C пропорциональна диэлектрической проницаемости ε заполняющего его вещества. С увеличением относительной влажности газа увеличиваются количество поглощенной влаги, диэлектрическая проницаемость материала и емкость конденсатора C

C = f(φ).

При изменении относительной влажности от очень малых значений до 100 % емкость конденсатора возрастает на 20…40 %. На рис. 7 приведена типичная зависимость электрической емкости чувствительного элемента от влажности воздуха. В пределах от 20 до 95 % относительной влажности зависимость практически линейна.

В настоящее время емкостные гигрометры наиболее широко применяются для измерения относительной влажности.

20