ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ ВЛАЖНОСТИ

Влажность газов и твердых тел является одним из важных параметров, подлежащих контролю технологических процессов в различных отраслях промышленности.

Влажность воздуха и газов при технических измерениях характеризуется следующими параметрами:

1) Абсолютной влажностью, определяемой количеством во­дяного пара, содержащегося в единице объема газа (г/м³);

2) Влагосодержанием - массой водяного пара, отнесенного к массе сухого газа (г/ кг);

3) Температурой точки росы - температурой, при которой газ становится насыщенным содержащимся в нем водяным паром (⁰С)

4) Относительной влажностью, определяемой отношением абсолютной влажности к влажности при данной температуре (%).

Влажность твердых и сыпучих тел характеризуется следующи­ми параметрами:

1) Влагосодержанием U- отношением массы влаги М к массе абсолютно сухого тела М₀

где M₁- масса влажного тела.

2) Влажностью - отношением массы влаги к массе влажного тела:

Эти величины выражаются главным образом в процентах.

Те или иные параметры, характеризующие влажность, приме­няют в зависимости от целей и задач конкретного технологичес­кого процесса. В производственной практике обычно использу­ют параметр - влажность.

Средства измерения влажности имеют многолетнюю историю. Создание волосяного гигрометра относится к 1783г., кондуктометрический метод был предложен в начале двадцатого столе­тия. Однако в последние годы в технологических процессах ко­ренным образом изменились требования к приборам для измере­ния влажности и задачи измерений. Потребовались автоматичес­кие приборы контроля влажности, работающие в условиях аг­рессивных сред и радиационных воздействий.

Разработаны следующие методы измерения влажности: психрометрический, сорбционный, гигрометрический, метод точки росы и другие.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ТВЕРДЫХ И СЫПУЧИХ ТЕЛ

Методы условно можно разделить на две группы: прямые ме­тоды, основанные на определении влажности лабораторными методиками в пробах, и косвенные, основанные на определении влажности по параметру, функционально связанному с влажнос­тью.

Для определения влажности твердых и сыпучих тел применяются прямые методы, позволяющие определить непосредственно массу влаги или массу сухого вещества в навеске и косвенные методы, позволяющие определять влажность путем измерения функционально связанной с ней величины.

Характерная особенность прямых методов — высокая точ­ность. Однако прямые методы длительны по времени. Так, время высушивания навески до постоянной массы составляет 5—15 ч, .

Косвенные методы характерны быстрым определением влаж­ности, но имеют значительно меньшую точность по сравнению с прямыми.

В производственных условиях, когда требуется боль­шое количество быстрых анализов, отдают предпочтение косвенным методам. Только эти методы позволяют автоматизировать кон­троль влажности.

Из косвенных методов для автоматического непрерывного измерения влажности получили распространение кондуктометрический, емкостный, радиоактивный и ядерного магнитного резо­нанса методы.

ПСИХРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, из которых у одного (мокрого) тепловоспринимающая часть все время остается влажной, сопри­касаясь с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда.

При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате между сухим и мокрым термометрами получается разность температур, называемая психрометрической разностью.

Относительная влажность в зависимости от психрометрической разности (t_с — t_в) выражается зависимостью

где р_в — упругость паров, насыщающих испытуемую среду при

температуре t_в, влажного термометра; Р_с — упругость паров, насыщающих испытуемую среду при

температуре t_c сухого термометра;

А — психрометрический коэффициент, зависящий от кон­струкции психрометра, скорости обдувания влажного термометра газом и давления газа.

Коэффициент А определяется по психрометрическим таблицам, составленным для определенных конструкций психрометров. Наи­большее влияние на величину А оказывает скорость обдувания влажного термометра. С возрастанием скорости газового потока коэффициент А быстро убывает и при скоростях больше 2,5— 3 м/сек практически остается постоянным.

В датчиках промышленных психрометров предусматриваются устройства, обеспечивающие постоянную скорость газового по­тока не ниже 3—4 м/сек. В датчиках электрических психрометров для определения температуры применяются термопары, полу­проводниковые термосопротивлении и металлические термометры сопротивления.

Термоэлектрические датчики изготовляются в виде термо­батарей, разделенных на две группы, одна из которых смачи­вается. Т,-э. д. с, измеряемая на выводах термобатарей, пропорцио­нальна психрометрической разности температур.

В большинстве электрических психрометров используются стандартные термометры сопротивления.

На рис. 327 показана принципиальная схема электрического психрометра (типа ПЭ), Измерительная часть прибора состоит из двух мостов I и II. Оба моста питаются переменным током от обмотки силового трансформатора электронного усилителя и имеют два общих плеча R₁ и R₃. Сухой термометр сопротивле­ния R_mc включен в плечо моста I, мокрый R_mм — в плечо моста II.

Мост I образован сопротивлениями R₁, R₂, R₃, R_d + R_л + R_mc,

а мост II — сопротивлениями R₁,R₃, R₄, R_л + R_mм .

Назначение отдельных сопротивлений, входящих в схему, сле­дующее: R_н и R_n — сопротивления, определяющие начало и ко­нец шкалы;

R_p — реохорд; r_н и r_n — подгоночные сопротивления к R_н и R_n;

R_ш — шунт реохорда; r₂ и r₄ — подгоночные сопро­тивления к R₂ и R₄: R_д — добавочное сопротивление; R_б и R_б1 — балластные сопротивления в цепи питания; R_A — уравнительные сопротивления; С_рд — сдвигающий конденсатор.

Разность потенциалов на вершинах a и b диагонали моста I пропорциональна температуре сухого термометра сопротивления, а разность потенциалов на вершинах а и с — температуре мокрого термометра сопротивления.

Падение напряжения между точками b и с диагонали двой­ного моста пропорционально разности температур сухого и мок­рого термометров сопротивления. Равновесие измерительной схемы

устанавливается автоматически изменением положения движка реохорда R_p, приводимого в движение реверсивным двигателем РД. Одновременно двигатель переставляет стрелку прибора.

Пределы показаний прибора 20—100% относительной влаж­ности; основная допустимая погрешность показаний психрометра не превышает ±3%. При отрицательных температурах (не очень низких) для смачивания мокрого термометра применяют 3%-ный водный раствор формальдегида.

Преимущества психрометрического метода — достаточная точ­ность при положительных температурах и незначительная инер­ционность, недостатки — зависимость результатов измерения от скорости движения газов, колебаний атмосферного давления, понижение чувствительности и рост погрешности с понижением температуры.

МЕТОД ТОЧКИ РОСЫ

При этом методе испытуемый газ охлаждают до наступления насыщения, т. е. до точки росы. Методом точки росы можно изме­рять влажность газа при любых давлениях.

При неизменном давлении точка росы не зависит от темпера­туры исследуемого газа. Для определения момента наступления точки росы обычно используют охлаждаемое металлическое зер­кало, температуру которого в момент выпадения конденсата на нем фиксируют как точку росы. Рабочая поверхность зеркала

должна быть обезжирена. При наличии в исследуемом газе пыли, масел, тяжелых углеводородов и других загрязнений необходимо предусматривать автоматическую очистку поверхности зеркала перед каждым измерением.

В автоматических приборах появление точки росы на зеркаль­ной поверхности определяется по ослаблению светового потока, отраженного от зеркала и воспринимаемого фотоэлементом.

Зеркалом гигрометра (рис. 328) является отполированная торцовая поверхность полого цилиндра I из нержавеющей стали, помещенного в среде газа, влажность которого измеряется. Вну­тренняя полость цилиндра охлаждается непрерывно протекающей жидкостью. Температура охлаждающей жидкости регулируется электрическим подогревателем 2, управляемым электромагнит­ным реле 3, по обмотке которого протекает фототек фотоэлемента F. Фотоэлемент освещается отраженным от зеркальной поверхности цилиндра световым потоком лампы накаливания 4.

Температура поверхности цилиндра (точка росы) измеряется термометром сопротивления (или термопарой) Т, Вторичным при-

бором служит записывающий логометр или милливольтметр с па­дающей дужкой. Реле 5, управляющее работой падающей дужки, в свою очередь, управляется электромагнитным реле 3. Работа обоих реле синхронизирована таким образом, что стрелка вторич­ного прибора прижимается падающей дужкой в те моменты вре­мени, когда появляется туман на зеркале.

При охлаждении стенок цилиндра (зеркала) до точки росы на поверхности зеркала появляется туман и световой поток, падающий на фотоэлемент, уменьшается. При уменьшении фото­тока фотоэлемента срабатывает реле 3, замыкая цепь электронагре­вателя 2. Охлаждающая жидкость принимает температуру выше точки росы, туман на зеркале исчезает, фототок возрастает, реле снова выключает электронагреватель. Таким образом, темпера­тура зеркальной поверхности цилиндра все время колеблется около точки росы.

В последнее время начали применять в качестве охладителя полупроводниковый термоэлемент,

В приборах применяют полупроводниковые батареи из трой­ных металлических сплавов (висмута, теллура и селена) для отри­цательной ветви и сурьмы для положительной ветви. На рис. 329 показана принципиальная схема конденсационного гигрометра точки росы с полупроводниковой батареей в качестве охладителя.

К холодному спаю полупроводникового термоэлемента (холо­дильника ПТ) припаяно металлическое зеркало 3; сила тока, пропускаемого через термоэлемент, регулируется реостатом. Для измерения температуры металлического зеркала к его поверх­ности припаяна полупроводниковая термопара Т, подключенная к милливольтметру со шкалой, градуированной в единицах абсолютной влажности.

Температура зеркала регулируется фотоэлементом СЦВ-3, управляющим работой поляризованного реле РП-4 через балансный усилитель постоянного тока, собранный на двух триодах (лампы Л₁и Л₂). Для повышения чувствительности обмотки РП-4 включены в анодные цепи ламп по дифференциальной схеме. Работа гигрометра происходит следующим образом. При отсут­ствии на поверхности зеркала конденсата падающий на него от осветителя О световой поток почти целиком отражается и попадает на фотоэлемент. В цепи фотоэлемента потечет фототек, вследствие чего к сетке одной электронной лампы подается отрицательное, а к другой — положительное напряжение. Уменьшение анодного тока в цепи одной из ламп и увеличение его в цепи другой приводит к тому, что якорь поляризованного реле займет положение 1. При этом через холодильник ПТ потечет ток и зеркало будет охлаждаться.

Появление конденсата на отражающей поверхности зеркала вызовет рассеяние светового потока, а следовательно, и умень­шение освещенности фотоэлемента. Это вызовет уменьшение тока через открытую лампу и увеличение его через другую и перемеще­ние контактов поляризованного реле в положение 2, при котором питание холодильника отключено. Так как окружающая темпе­ратура выше температуры зеркала, то конденсат с поверхности зеркала быстро испаряется; реле вновь включает в работу холо­дильник. Таким образом, зеркало все время поддерживается при температуре точки росы.

Для подогрева зеркала предусмотрено питание холодильника током обратного направления от батареи Б с помощью ручного переключателя П. Вторичным прибором термопары Т может быть и потенциометр.

Существуют конденсационные гигрометры с несколько изме­ненным принципом действия. В них температура зеркала под­держивается постоянной, а выпадение конденсата на поверхности зеркала достигается изменением давления газа.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГИГРОМЕТРЫ

Чувствительный элемент гигрометров выполняется из гигро­скопического материала, в котором с изменением влажности изме­няются электрические параметры.

Обычно влажность газа определяется по электропроводности ненасыщенных водных растворов электролитов, содержащихся во влагочувствительном элементе (электролитические гигрометры).

На рис. 330 показана принципиальная схема электролити­ческого гигрометра с подогревным датчиком, в котором в качестве влагочувствительного элемента используется хлористый литий.

Насыщенный раствор хлористого лития нагревается до тем­пературы, при которой парциальное давление водяного пара над раствором равно парциальному давлению паров в окружающей атмосфере.

Следовательно, по принципу действия электролити­ческие гигрометры с подогревным датчиком аналогичны гигро­метрам точки росы. Преимуществом этих гигрометров является то, что нагреть датчик значительно легче и проще, чем охладить зеркало в гигрометрах точки росы.

Чувствительный элемент прибора представляет собой тонко­стенную трубку из нержавеющей стали, покрытую стеклянной ватой 2, пропитанной раствором хлористого лития. Сверху на стеклянную вату намотаны изолированные друг от друга спи­рали 3 (электроды) из серебряной проволоки. Сверху на элемент надевается металлическая трубка с сетчатой вставкой, которая задерживает сильные газовые струи. Внутри трубки 1 помещается малоинерционный термометр сопротивления 4, к которому под­ключен измерительный прибор 5. Серебряные спирали питаются переменным током (во избежание поляризации) напряжением 24в через балластное сопротивление R₁.

В подогревных датчиках температура хлористого лития не­прерывно и автоматически устанавливается на точке росы. Дости­гается это следующим образом. При подаче напряжения на сереб­ряные спирали через раствор хлористого лития проходит электри­ческий ток, вызывая его нагрев. Раствор нагревается до темпера­туры кристаллизации хлористого лития; образование твердой соли приводит к резкому увеличению сопротивления между элек­тродами, ток уменьшается и температура датчика понижается.

Понижение температуры продолжается до тех пор, пока вслед­ствие поглощения влаги из окружающей среды проводимость раствора между электродами не повысится вновь, что повлечет за собой увеличение тока и повышение температуры датчика. Таким образом, температура в датчике автоматически поддержи­вается на уровне равновесной, соответствующей влажности окру­жающей датчик газовой среды.

Для точного измерения влажности температура исследуемого газа должна быть ниже равновесной температуры чувствитель­ного элемента, но выше точки росы.

Обычно ограничиваются измерением точки росы до 60° С при температуре газа не выше 100° С.

Вторичный прибор, подключенный к термометру сопротивле­ния, градуируется в единицах абсолютной влажности. В качестве вторичного прибора используется уравновешенный мост или лого-мер. При наличии второго термометра сопротивления, измеряю­щего температуру окружающей среды, можно измерять относи­тельную влажность.

Влагомеры с подогревными датчиками могут примениться для любых газов, не воздействующих на раствор хлористого лития. Градуировка подогревных датчиков устойчива во времени, сами датчики взаимозаменяемы. Показания приборов не зависят от давления. Основной недостаток влагомеров с подогревными дат­чиками — узкие пределы их применения.

Кондуктометрический метод.

Обычно промышленные материалы являются капиллярно-пористыми телами, в порах которых на­ходится влага. Для таких материалов характерна зависимость - их электрических свойств от влагосодержания. В сухом виде эти материалы обычно являются диэлектриками с удельным объемным сопротивлением Q_D = 10¹⁰ ом*см и выше.

В результате увлажнения капиллярно-пористые тела становятся про­водниками, причем их электрическое сопротивление очень резко снижается (до Q_D = 10^-2 ом*см).

Зависимость электрического со­противления от влажности для капил­лярно-пористых материалов выра­жается показательной функцией вида

где Rx — сопротивление;

А — постоянная, зависящая от исследуемого материала;

W — влажность материала в процентах по массе сухого

вещества;

п — показатель степени, зависящий от структуры и природы исследуемого материала (показатель степени для раз­личных материалов колеблется в широких пределах).

График показательной функции показан на рис. 331. Зави­симость Rx='f(W) имеет два характерных участка.

Начальный участок (1-й участок), соответствующий низкой и средней влаж­ности, характерен высокой крутизной„и может быть аппроксими­рован прямой вида

где а и b — постоянные, зависящие от материала и условий измерения.

На этом участке влагомер очень чувствителен к изменению: влажности материала; влияние других факторов на величину сопротивления незначительно.

Участок повышенной влажности (2-й участок) характерен снижением крутизны характеристики; чувствительность влаго­мера резко падает, начинают оказывать влияние побочные фак­торы.

Основная область применения кондуктометрического метода ограничена 1-м участком кривой (до W = 30%). Но и на этом участке имеется область (W — 0 + 2%), где практически невоз­можно измерить влагосодержание ввиду резкого возрастания электросопротивления материала (сопротивление материала ста­новится соизмеримым или большим сопротивления изоляции под­водящих проводов).

Степенная зависимость сопротивления от влажности материала определяет высокую чувствительность кондуктометрического ме­тода определения влажно­сти капиллярно-пористых материалов.

Однако сложная зави­симость сопротивления от ряда других факторов (тем­пература, структура мате­риала, плотность насыпки, химический состав, нали­чие электролитов и др.) делает этот метод малопри­годным для автоматиче­ского непрерывного опре­деления влажности.

Приборы этого типа в настоящее время применя­ются в основном в качестве лабораторных.

Датчики кондуктометрических влагомеров пред­ставляют собой два элек­трода, конструктивно выполненных в виде плоских пластин, цилиндрических трубок, роликов и т. п.

Воспроизводимость показаний кондуктометрических влаго­меров соблюдается лишь при прессовании навески, поэтому боль­шинство датчиков для сыпучих материалов снабжается устрой­ством, спрессовывающим навеску между электродами.

Из измерительных схем наибольшее распространение полу­чили схемы моста, образованного двумя постоянными сопротив­лениями и внутренним сопротивлением двойного триода, у кото­рого смещение на вторую сетку зависит от сопротивления датчика. Мостовые измерительные схемы отличаются высокой чувстви­тельностью; они используются при средних и повышенных влагосодержаниях (5—25%).

На рис. 332 показана принципиальная схема автоматического влагомера с мостовой измерительной схемой.

Испытуемый ленточный материал пропускается между роли­ком и валом, причем ролик изолирован от вала. Основным эле­ментом цепи является мост, два плеча которого R₄ и R₅ — по­стоянные сопротивления, а два других являются внутренним сопротивлением двойного триода Л (в схеме имеется два дополни­тельных сопротивления R₁ и R₃). В диагональ моста включен милливольтметр. Отрицательное напряжение Uc на сетке левой половины лампы определяется падением напряжения на сопро­тивлении R_K и является постоянным. Поэтому будет постоянным и сопротивление левой половины триода. Отрицательное напряже­ние на сетке правого триода отличается от Uc на величину IR₆, а ток I зависит от сопротивления R_x исследуемого материала и от положения движка реохорда R₂. Движок реохорда при отклоне­нии стрелки милливольтметра от нулевого положения (при нару­шении равновесия моста) приводится в движение компенсатором до тех пор, пока падение напряжения на R_z не уравновесится падением напряжения на R₆ и R₇.

Когда напряжения смещения в обеих половинах триода станут равными, мост придет в состояние равновесия. При изменении влажности, а следовательно, и сопротивления материала R_x на сопротивлении R₆ вновь возникнет ток, мост выйдет из состояния равновесия, что вызовет соответствующее перемещение движка R₂. Каждому значению влажности соответствует определенное поло­жение движка реохорда R₂.

Как указывалось, сопротивление датчика, кроме влажности материала, зависит также от ряда других факторов. Поэтому кривые, характеризующие зависимость сопротивления от влаж­ности, оставаясь одинаковыми по характеру, для различных веществ обычно не совпадают (для каждого вещества необходима градуировочная кривая или пересчетные таблицы).