Завдання №27
Вимірювачі вмісту вологи в газах та твердих тілах.
Вологість газів, твердих і сипких матеріалів - один з найважливіших показників технологічних процесів у хімічній, текстильній, металургійній та інших галузях промисловості.
Вологість газів вимірюють в абсолютних або відносних одиницях. Абсолютна вологість - це маса водяної пари, яка міститься в одиниці об'єму вологого газу. Відносна вологість - відношення кількості водяної Пари, що міститься в одному кубічному метрі газової суміші, до максимально можливої кількості пари, яка може міститись у цьому ж об'ємі суміші за такої самої температури (у відсотках).
Вологість газів характеризується також вологомісткістю - масою водяної пари, віднесеної до маси сухого тіла, а також температурою точки роси, тобто температурою, за якої газ насичується водяною парою, що міститься в ньому (у градусах Цельсія).
Вологість твердих і сипких тіл характеризується вологомісткістю -відношенням маси вологи до маси абсолютно сухого тіла, або вологістю, під якою розуміють відношення маси вологи до маси вологого тіла. Ці величини переважно виражають у відсотках.
Вимірювання вмісту вологи в газах. Абсолютну вологість газів вимірюють кулонометричним методом. Принцип дії кулонометричних гігрометрів ґрунтується на безупинному поглинанні вологи з контрольованого газового потоку плівкою гідрофільної речовини (фосфорного ангідриду) і одночасному розкладанні води на водень і кисень у товщі плівки через електроліз. У сталому режимі значення сили струму електролізу служить мірою вологості аналізованого газу. Чутливий елемент являє собою два платинові електроди, між якими розміщено плівку фосфорного ангідриду (п'ятиоксиду фосфору).
Схему кулонометричного гігрометра для вимірювання вологості газів показано на рис. 12. Первинний вимірювальний перетворювач гігрометра виконано у вигляді ізоляційної трубки 1, всередині якої поміщено платинові електроди 2 і 3 у вигляді двох паралельних спіралей, які підключено до джерела постійного струму 5.
Електроди утворюють спіральний проміжок, покритий тонкою плівкою з фосфорною ангідриду, який є високоефективним сорбентом і не розкладається під час електролізу. Плівка поглинає вологу з газу, який пропускається через ПВП зі сталою швидкістю. При цьому безперервно проходять два процеси: утворення фосфорної кислоти та електроліз з регенерацією фосфорного ангідриду:
Р2О5+Н2О → 2НРО3
4НРО3 → 2Н2 + О2 + 2Р2О5
Струм електролізу, який вимірюється за спадом напруги на резисторі ц за допомогою автоматичного компенсатора 4, пропорційний абсолютній вологості газу.
Рисунок 12 - Схема кулонометричного гігрометра:
1 - ізоляційна трубка; 2,3 - платинові електроди; 4 - автоматичний компенсатор; 5 - джерело постійного струму.
Серед модифікацій кулонометричних гігрометрів, використовуваних для вимірювання вологості в промислових умовах, значного поширення завдяки високій точності та надійності набули гігрометри типу «Байкал» (модифікацій «Байкал-1», «Байкал-11», «Байкал-2» і «Байкал-21»), призначені для вимірювання вмісту вологи в газах (Н2, повітрі, СО2, Н2, О2, інертних газах і їхніх сумішах та інших газах, які не взаємодіють із фосфорним ангідридом). Гігрометри двох останніх модифікацій мають іскробезпечне виконання, а «Байкал-11» - електричний вихідний сигнал у паралельному двійково-десятковому коді 8-4-2-1. Стала часу гігрометрів «Байкал» становить від 2 до 15 хв - залежно від діапазону вимірювання.
Гігрометр типу «Байкал-5» призначено для вимірювання та сигналізації граничнодопустимих значень вологості повітря. Допустимий вміст механічних домішок становить 0,05 мг/м3, а пари та аерозолів - 0,1 мг/м3 . Час початку реагування - 20 с, час перехідного процесу - 15 хв, стала часу становить 150 с. Гігрометри призначені для умов роботи: температури навколишнього повітря 5...50 °С, відносної вологості до 80 %. Витрата газу через гігрометр - 180 л/год. До складу гігрометрів «Байкал» входять вторинні прилади КСП4 відповідного виконання.
Гігрометри типу «Корунд-М» застосовують для вимірювання вмісту вологи в хлоровмісних газах з об'ємним вмістом контрольованого середовища (%): 45... 98 С12, 0... 4 Н2, 0... 10 мг/м3 Н2РО4 (аерозолі); решта - повітря та СО2. Стала часу цих гігрометрів становить 10 хв, витрата газу - 180л/год. До складу гігрометра входять вторинні прилади КСПЗ або «Диск-250». Гігрометри призначені для умов роботи: температури навколишнього повітря 5... 50 °С, відносної вологості 30...80 %.
Вимірювання абсолютної вологості газів методом точки роси полягає у визначенні температури, до якої необхідно охолодити за сталого тиску ненасичений газ для того, щоб він став насиченим. Якщо додатково виміряти температуру газу, то можна визначити і відносну вологість.
У сучасних дзеркальних гігрометрах точки роси в потоці аналізованого газу розміщують металеве дзеркальце 3 (рис. 13), яке охолоджується за допомогою напівпровідникового елемента Пельтьє (термопари) 5.
Рисунок 13 - Схема автоматичного вологоміра точки роси:
1 - випромінювач; 2,9- лінзи; 3 - дзеркальце; 4 - термоелектричний термометр; 5 - елемент Пельтьє; 6 - регулятор струму; 7 - підсилювач; 8 – фотоелемент.
На дзеркальце 3 від випромінювача 1 через лінзу 2 спрямовується промінь світла, який, відбившись від нього, через другу лінзу 9 потрапляє на фотоелемент 8. Викликаний у фотоелементі струм підсилюється і через регулятор струму 6 живить елемент Пельтьє 5. Якщо на дзеркалі немає вологи, то промінь світла від дзеркала майже повністю відбивається і потрапляє на фотоелемент, викликаючи струм зворотного зв'язку і відповідно - охолодження дзеркала. Температура дзеркала буде зменшуватися доти, доки на дзеркалі не випаде роса. Тоді на фотоелемент буде потрапляти ослаблений потік світла, струм через елемент Пельтьє зменшуватиметься, а температура дзеркала почне підвищуватися внаслідок нагрівання аналізованих газів. Це призведе до випаровування роси, збільшення світлового потоку, підвищення струму зворотного зв'язку й охолодження дзеркала. Отже, температура дзеркала буде підтримуватися близькою до температури точки роси, яку вимірюють контактним ТП 4.
Недоліками методу точки роси вважають складність фіксації моменту випадання роси, залежність температури точки роси від стану поверхні дзеркала тощо.
Для вимірювання відносної вологості газів за додатних температур (0...100°С) широко використовують психрометричний метод, що ґрунтується на вимірюванні різниці температур двох термоперетворювачів: сухого, розміщеного в досліджуваному газовому середовищі, та мокрого, який змочений водою і перебуває в термодинамічній рівновазі з навколишнім газовим середовищем. У цьому випадку чим менша вологість аналізованого газу, тим інтенсивніше випаровування з поверхні ЧЕ мокрого термоперетворювача і тим нижча його температура.
Під час випаровування вологи зі зволоженої поверхні мокрого термометра його температура знижується. У результаті між сухим і мокрим термометрами виникає різниця температур, яку називають психрометричною. різницею. Відносну вологість залежно від психрометричної різниці (tc −tм) виражають залежністю:
φ = [рм-А(tc −tм)]/рс,
де рм - пружність пари, яка насичує аналізоване середовище за температури мокрого термометра; рс - пружність пари, що насичує аналізоване середовище за температури сухого термометра; А - психрометричний коефіцієнт, який залежить від конструкції психрометра, швидкості обдування мокрого термометра газом і тиску газу.
Рис. 7.14. Принципова схема даомостового компенсаційного психрометра.
В електричних психрометрах для визначення температури застосовують ТП, напівпровідникові та металеві термоперетворювачі опору (ТО). Термоелектричні перетворювачі зазвичай виготовляють у вигляді термобатарей, поділених на дві групи, одна з яких змочується. Електрорушійна сила, вимірювана на виводах термобатарей, пропорційна психрометричній різниці температур. Для її вимірювання в електричних психрометрах використовують переважно стандартні ТО. В автоматичному психрометрі (рис. 14) різницю температур вимірюють за допомогою терморезистивних перетворювачів - сухого Rтc та мокрого Rтм, увімкнених у двомостову компенсаційну вимірювальну схему.
Напруга розбалансу кожного з мостів буде пропорційною відповідно температурі tc і tм, а різниця цих напруг - мірою вимірюваної вологості. А оскільки напруга розбалансування двомостового кола автоматично врівноважується спадом напруги на реохорді Rр, то переміщення повзунка реохорда і відповідно покажчика відлікового пристрою можуть бути також мірою вимірювальної вологості, а шкала - проградуйованою в одиницях вимірюваної величини.
Переваги психрометричного методу вимірювання вологості - порівняно висока точність, висока чутливість за температури понад 0 °С; недоліки - зменшення точності та чутливості за низьких температур, нестабільність функції перетворення (психрометричної сталої), зумовлена впливом зовнішніх чинників.