Методы измерения влажности газов. Поверка гигрометров. Учебное пособие

Рис. 7. Зависимость электрической емкости чувствительного элемента от относительной влажности воздуха

Принцип действия сорбционно-резистивных гигрометров

основан на изменении электрического сопротивления гигроскопического материала от количества поглощенной влаги. Чувствительные элементы могут быть выполнены в виде пластинки, покрытой гигроскопичным слоем полимерного материала, гелем

хлористого лития или специальной керамикой. На пластинку нанесены электроды в виде гребенки из благородного металла (рис. 8). Измеряется сопротивление R между электродами, закрепленными на поверхности гигроскопического материала.

21

Рис. 8. Чувствительный элемент с гребенкообразными электродами: 1 — гигроскопическая пленка; 2 — электроды

Другой тип чувствительных элементов представляет собой слой гигроскопического материала, заключенного между металлическими пластинками (электродами), одно из которых выполняется проницаемой для паров воды.

С увеличением относительной влажности газа увеличивается количество поглощенной влаги гигроскопическим материалом, снижается электрическое сопротивление датчика R. Зависимость R = f(φ) определяется при градуировании гигрометра.

Применяются сорбционно-резистивные гигрометры, в которых гигроскопическим материалом служит окись алюминия. Чувствительный элемент датчика состоит из алюминиевой подложки, на которой специальным электрохимическим окислением сформирован тонкий пористый слой окиси алюминия. Слой окиси алюминия покрыт очень тонким, проницаемым для паров воды слоем золота. Алюминиевая подложка и слой золота образуют пару электродов. Водяные пары проникают через слой золота и оседают на стенках пор слоя окиси алюминия. Количество молекул воды, адсорбированных в структуре окиси алюминия, определяет электрическую проводимость стенок пор.

В настоящее время используются датчики с очень тонким слоем окиси алюминия, у которых электрическое сопротивление определяется не относительной влажностью газа, а в большей степени массовой концентрацией паров воды в газе.

Такие датчики обеспечивают возможность измерения содержания влаги в диапазоне температур точки росы в пределах от –110 до +60 ºС, что соответствует объемной доле влаги от 0,001 до

200000 ppM. При этом электрическое сопротивление датчика изменяется от 2 МОм до 50 кОм. Погрешность измерения

22

температуры точки росы в пределах ±2,0 ºС в диапазоне значений температуры точки росы свыше –65 ºС и ±3 ºС при более низких значениях.

2.4. Кулонометрический метод

Кулонометрический метод используется для измерения малых концентраций влаги в пределах от 1 до 1000 ppM. В кулонометрическом датчике гигрометра происходит непрерывное поглощение влаги пленкой гигроскопического вещества при одновременном электролизе поглощенной влаги. В качестве гигроскопического материала используется фосфорный ангидрид (пятиокись фосфора) P2O5. Поглощение влаги происходит с образованием фосфорной кислоты:

P2O5 + H2O → 2HPO3.

Электролиз воды происходит с восстановлением фосфорного ангидрида:

2HPO3 → P2O5 + H2 + 0,5 O2.

Сила тока электролиза I пропорциональна массе воды, подвергнутой электролизу в единицу времени, т.е. массовому

расходу паров воды через датчик qв. Массовый расход паров

анализируемого газа Qo и массовой концентрацией влаги ρв:

I ~ qв, qв = Qoρв.

При постоянном расходе ток электролиза пропорционален массовой концентрации влаги.

Датчик гигрометра представляет собой два проволочных электрода, выполненных из платины или иридия. Электроды разделены фосфорным ангидридом. К электродам подводится электрическое напряжение не менее 2 В. При этом напряжении происходит электролиз воды.

Схема кулонометрического гигрометра приведена на рис. 9. Анализируемый газ через фильтр 1 поступает в рабочий

датчик 2. Для постоянного контроля за полнотой поглощения и электролиза воды в рабочем датчике используется контрольный датчик 3. Поддержание постоянного расхода газа обеспечивается

23

регулятором 4. Расход газа контролируется индикатором 5, в качестве которого используется или ротаметр, или тепловой расходомер.

Кулонометрические гигрометры могут быть использованы для измерения влажности газов, которые не взаимодействуют с фосфорным ангидридом.

Рис. 9. Схема кулонометрического гигрометра:

1 — фильтр; 2 — рабочий датчик; 3 — контрольный датчик; 4 — регулятор расхода; 5 — индикатор расхода

2.5. Физические методы

К физическим методам относятся методы, основанные на изменении диэлектрической проницаемости и теплопроводности газа, оптические методы.

Принцип действия диэлькометрического газового гигрометра основан на сравнении диэлектрической проницаемости сухого и влажного газов. В один и тот же емкостной преобразователь попеременно поступают анализируемый и опорный газы. Разность электрической емкости определяется массовой концентрацией влаги в газе. Такие приборы используются для измерения содержания влаги в азоте, аргоне, водороде, воздухе и смеси азота с водородом.

Оптико-абсорбционный метод основан на способности водяного пара поглощать излучение в близкой инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Поглощение описывается уравнением Бугера – Ламберта – Бера

P P0e kCL , где Р0 — мощность падающего излучения;

24

Р — мощность излучения, прошедшего через среду;

k — коэффициент поглощения, зависящий от частоты излучения;

C — концентрация поглощающего компонента;

L — расстояние, пройденное излучением в анализируемом газе.

Такой метод, как правило, используется в комплексных газоанализаторах, которые обеспечивают измерение концентрации не только паров воды, но и углекислоты, окислов азота, серы и т.д.

2.6. Нормируемые метрологические характеристики гигрометров

В отличие от большинства других средств измерений в настоящее время отсутствует общий нормативный документ, регламентирующий технические требования к гигрометрам и методы их испытаний. Гигрометры выпускаются в соответствии с техническими условиями на конкретный тип прибора, в которых указываются следующие метрологические

характеристики.

1. Измеряемая величина:

влагосодержание — объемная или молярная доля, млн–1 (ррM);

влагосостояние — относительная влажность, % или температура точки росы, °С.

2.Характеристики анализируемого газа — состав, давление, температура.

3.Диапазон измерения.

4.Характеристики основной погрешности.

У приборов, измеряющих относительную влажность или температуру точки росы, нормируется абсолютная погрешность соответственно в процентах или градусах Цельсия.

У приборов, измеряющих объемную или молярную долю, нормируется приведенная погрешность, значение которой может быть различно для разных диапазонов измерения. За нормирующее значение принимается верхний предел диапазона измерения.

25

5.Дополнительные погрешности, вызванные изменением влияющих величин в рабочем диапазоне, — температуры и давления анализируемого газа, температуры окружающего воздуха, напряжения питания и т.д.

6.Динамические характеристики — время установления показаний, постоянная времени, время начала реагирования (время задержки).

26

3.МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИГРОМЕТРИИ

3.1.Поверочная схема средств измерений относительной влажности

Государственная поверочная схема для средств измерения относительной влажности включает в себя:

государственный первичный эталон;

образцовые средства измерений (рабочие эталоны) 1-го, 2-го и 3-го разрядов;

рабочие средства измерений.

Государственный первичный эталон состоит из генераторов влажного газа, основанных на методе двух давлений для положительной и отрицательной температуры, и набора прецизионных гигрометров для контроля за стабильностью работы генераторов влажного газа. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы относительной влажности — процента (%) со средним квадратическим отклонением, не превышающим 0,05 %. Неисключенная систематическая погрешность не превышает 0,1 % при положительной температуре и 0,2 % — при отрицательной температуре.

Пределы измерений образцовых средств измерений (рабочих эталонов) 1-го, 2-го и 3-го разрядов охватывают диапазон относительной влажности 5...100 % при температуре от –60 до +60 ºС.

Вкачестве рабочих эталонов 1-го разряда применены гигрометры относительной влажности. Пределы допускаемых абсолютных погрешностей составляют от 0,2 до 0,5 % в зависимости от температуры.

Вкачестве рабочих эталонов 2-го разряда применены динамические и статические генераторы влажного газа. Пределы допускаемых абсолютных погрешностей — от 0,5 до 1,0 % в зависимости от температуры.

Вкачестве рабочих эталонов 3-го разряда применены гигрометры и динамические и статические генераторы влажного газа.

Пределы допускаемых абсолютных погрешностей — от 1 до 5 %

взависимости от температуры.

Вкачестве рабочих средств измерений применяют гигрометры и гигрографы различных типов в диапазоне

27

измерений 5...100 % при температуре от –60 до +60 ºС. Пределы допускаемых абсолютных погрешностей рабочих средств измерений составляют от 1 до 15 %.

3.2. Эталонные генераторы влажного газа

Для поверки гигрометров применяются следующие типы генераторов влажного газа:

генераторы по методу двух давлений; генераторы по методу смешения; генераторы по методу двух температур; солевые генераторы; диффузионные генераторы.

Принцип действия генераторов по методам двух давлений, двух температур, смешения и солевых генераторов основан на использовании состояния равновесия (насыщения) влажного газа, количественные характеристики которого известны.

Принцип метода двух давлений заключается в том, что в процессе снижения давления газа уменьшается и парциальное давление водяного пара. В то же время давление насыщенного водяного пара при постоянной температуре остается неизменным.

Схема генератора, работающего по методу двух давлений, приведена на рис. 10. Сжатый газ (обычно воздух) поступает от источника 3 через регулятор давления 4 в камеру насыщения 1, в которой за счет контакта газа с водой происходит его увлажнение до состояния насыщения (φ = 100 %). В дроссельном вентиле 5 снижается давление газа, и он проходит в рабочую камеру 2 с расположенными в ней поверяемыми гигрометрами. Для обеспечения равенства температур в рабочей камере и камере насыщения они размещаются в одном термостате 6.

28

Рис. 10. Схема генератора влажного газа по методу двух давлений: 1 — камера насыщения; 2 — рабочая камера; 3 — источник газа; 4 — регулятор давления; 5 — дроссельный вентиль; 6 — термостат

Относительная влажность в рабочей камере φ определяется отношением давлений:

р2 100,

р1

где p1 и p2 — абсолютные давления в камере насыщения и рабочей камере.

Требуемая относительная влажность в рабочей камере устанавливается путем регулирования давления в камере насыщения p1. Давление в рабочей камере p2 близко к атмосферному.

Погрешность получения относительной влажности в генераторе двух давлений складывается из следующих составляющих:

погрешности измерения давления в камере насыщения и рабочей камере;

погрешности, вызванной неравенством температур в камере насыщения и рабочей камере;

погрешности от неполноты насыщения газа влагой; погрешности от отклонения свойств реального газа от

идеального.

При давлениях p1 менее 10 бар эта составляющая не превышает 0,25. При давлениях p1 более 10 бар при расчете относительной влажности необходимо учитывать отклонение свойств влажного газа от свойств идеального газа.

Сущность метода двух температур заключается в следующем. В процессе нагрева газа при постоянном давлении его влагосодержание не изменяется, но значение его относительной влажности уменьшается за счет того, что более высокой температуре соответствует более высокое парциальное давление водяного пара.

Схема генератора влажного газа по методу двух температур приведена на рис. 11. Вентилятор 3 обеспечивает непрерывную циркуляцию газа между камерой насыщения 1 и рабочей камерой 2. Термостатами 4 и 5 в камерах поддерживается разная температура. В камере 1 газ насыщается влагой до 100 %

29

относительной влажности. В рабочей камере поддерживается температура t2 > t1. Поэтому при одинаковом влагосодержании относительная влажность в рабочей камере меньше 100 %. Она определяется по соотношению

рн1 100,

рн2

где рн1 и рн2 — давление насыщенного водяного пара при температуре камеры насыщения t1 и рабочей камеры t2.

Рис. 11. Схема генератора влажного газа по методу двух температур: 1 — камера насыщения; 2 — рабочая камера; 3 — вентилятор; 4 и 5 — термостаты

Основными источниками погрешности генератора являются: погрешность измерения температуры; неравномерность температуры в камере насыщения и

рабочей камере; разность давлений в рабочей камере и камере насыщения;

неполнота насыщения газа.

В одном генераторе влажного газа могут быть одновременно реализованы методы двух давлений и двух температур. Значение относительной влажности в рабочей камере определяется по формуле

рн1 р2 100.

рн2 р1

Такие генераторы позволяют получать влажный газ с более низкой относительной влажностью, чем генераторы, в которых используется только один метод.

30