ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ГИГРОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ДРУГИХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГАЗОВ

Гигрометры на принципе теплопроводности основаны на разнице между теплопроводностью сухих газов (возду­ха) "и теплопроводностью водяного пара. Принцип зтот применим в основном к влажным газам, содержащим только указанные два компонента. Измерение влагоеодержания более сложных газовых смесей возможно, если все компоненты смеси (кроме водяного пара) имеют значения теплопроводности, очень близкие по величине, или если их концентрации постоянны. Измерение выполняется с. помощью электрических газоанализаторов по теплопроводности, у которых чувствительным элементом служит нагреваемая электрическим током металлическая проволока (иногда термисгор), выполняющая одно­временно роль источника тепла и температурного датчика. Тепловое равновесие проволоки в камере, через которую протекает исследуемая газовая смесь, определяется (при условии постоянства притока тепла и минимизации потерь конвективных, радиационных и за счет тепло­проводности чувствительного элемента) главным образом теплопро­водностью газа. В зтих условиях величина сопротивления чувстви­тельного элемента несет информацию о влажности газа.- Важнейшим фактором, влияющим на результат измерения, помимо состава газа, является его скорость, которую необходимо стабилизировать. Влия­ние скорости газа устраняется в датчиках диффузионного или кон­вективного типа, однако при этом сильно увеличивается инерцион­ность датчика.

Теплопроводность воздуха при 0°С Хв=2,38 • Ю-2 вт1{м - град), Ее температурный коэффициент для температур от 0 до 100 °С равен ЛЕ=0,00253.

Для водяного пара при 100°С относительная теплопроводность (по отношению к воздуху) составляет 0,973, температурный

Коэффициент /4=0,00455.

Имеющиеся данные для других распространенных газов показы­вают, что их относительная теплопроводность изменяется в широких пределах — от 0,285 для сернистого углерода до 7,130 для водорода (значения ХДв указаны при О °С). Зависимость теплопроводности от температуры можио считать линейной:

Л=Ао(1+АД0,

Где % и?„о — теплопроводность сухого газа при температурах T и /о, Td—T—Tb.

Температурный коэффициент А распространенных газов находит­ся в пределах приблизительно от 260 • Ю-5 (азот, водород, окись углерода) до 980- Ю-5 (пары бензина).

Зависимость теплопроводности воздуха и других тазовых сме­сей от их влагосодержания не подчиняется простому аддитивному закону, и ее нельзя вычислить но значениям теплопроводности во­дяного пара и других компонентов смеси. В широком диапазоне вла­госодержаний эта зависимость немонотонна и имеет максимум. След­ствием этого является необходимость эмпирической градуировки гигрометров по теплопроводности и ограничения их верхнего преде­ла измерений. Для влагосодержаний воздуха больше 12% (при ат­мосферном давлении для температур точки росы т>50 °С) метод теплопроводности нельзя применять по причине недостаточной чув­ствительности или неоднозначности измерений. Нижний предел из­мерения также ограничен понижением чувствительности — для воз­духа значением т»—40 °С.

Гигрометры по теплопроводности (как и газоанализаторы этого типа) имеют измерительные устройства, построенные по мостовой схеме. В них используются датчики с измерительными камерами проточного типа и опорными, за-полнепиыми образцовым га­зом, 'например насыщенным. Для компенсации влияния ко­лебаний ■ состава исследуемого газа опорную камеру выполня­ют также ироточной, непре­рывно заполняя ее исследуе­мым газом, [доведенным до со­стояния насыщения. Для полу­чения максимальной чувстви­тельности измерительной схе­мы в четырехплечем мосте

Рис. 9-7. Блок-схема гигромет­ра по теплопроводности воз­духа.

1 — датчик с камерами измеритель­ной И и опорной С; 2 —источник питания; 3 — показывающий при­бор; 4 — мембранный насос; 5 — фильтр; 6 — насыщающий увлажни­тель: 7—осушитель, -
й два. плеча вводят измерительные сопротивления, а в два Леталь­ных — опорные. На этих принципах построена схема автоматическо­го гигрометра (рис. 9-7).

Настройка гигрометра по двум крайним точкам его шкалы (при подаче воздуха с Щ)= 100% в камеры Я и С и воздуха с кр=0 в ка­меру И) позволяет получить единую градуировку для воздуха и других газов. Шкалу гигрометра по теплопроводности можно гра­дуировать в различных единицах, причем необходимость введения поправки на параметры (давление р и температура /) исследуемого газа определяется выбором единицы измерения.

В [Л. 9-16] описан. гигрометр, имеющий шкалу, градуированную непосредственно в процентах относительной влажности. Измеритель­ное устройство состоит из двух одинаковых мостов; в каждый из них включены проточная и .опорная камеры. Проточная камера изме­рительного моста обтекается исследуемым газом, через камеру опор­ного моста непрерывно пропускают этот же газ, доведенный до насыщения при температуре исследуемого газа. Сигналом, характе­ризующим относительную влажность, служит отношение выходных напряжений обоих мостов.

Гигрометры по теплопроводности применимы в широком диапа­зоне влагосодержаний и температур газа (от низких отрицательных до 200 °С и выше) и позволяют автоматизировать измерения влаж­ности; они отличаются достаточно высокими быстродействием и на­дежностью. Их недостатками являются громоздкость аппаратуры, обусловленная введением увлажнителей и осушителей, и, самое глав­ное, возможность дополнительных погрешностей при появлении в тазовой смеси примесей, отличающихся по своей теплопроводности. Для возникновения погрешности, равной 0,1% объемного влагоео­держания, достаточно изменения концентрации водорода на 0,005.%, метана на 0,04%, двуокиси углерода, этилового и метило­вого спиртов на 0,2%. По указанным причинам метод теплопровод­ности не нашел широкого распространения.

Сорбционио-термические гигрометры основаны на повышении температуры жидких или твердых сорбентов в результа­те сорбции влаги из окружающей газовой среды. Процесс адсорбции влаги такими материалами является экзотермическим; обратный эф­фект — охлаждение гигроскопического материала — наблюдается при десорбции влаги. Количество выделенного тепла зависит от природы и количества сорбента, его влагоеодержания в момеит начала сорб­ции, количества адсорбированной влаги, ее фазы (жидкой или газо­образной) и от температуры. В первом приближении можно счи­тать, что у материалов такого рода интегральная теплота сорбции растет линейно с увеличением влагоеодержания материала.

В результате поглощения влаги температура сорбента повышает­ся до некоторого максимального значения, после чего происходит ее понижение до температуры окружающей среды. Эмпирическая формула описывает (весьма приблизительно) этот процесс линейной зависимостью

A tc=ka,

Где Ate — максимальное приращепие температуры сорбента; а — аб­солютная влажность воздуха; K — постоянный коэффициент.

Из жидких сорбентов в гигрометрах рассматриваемого типа применялась главным образом серная кислота. Известен такой прибор промышленного типа, выпускаемый в ФРГ под названием «Термофлюкс» [Л. 0-9].

Более распространены гигрометры с твердыми сорбента­ми; первоначально применялись абсолютно сухие гигроскопические материалы — отбеленный хлопок, целлюлоза, папиросная бумага. В последующем сорбентами служили силикагель, алюмогель, пяти" окись фосфора и в последнее время цеолиты.

Простейший чувствительный элемент представляет собой термо­электрическую цепь с двумя спаями: покрытым гигроскопическим материалом и оголенным. Первый спай попеременно подвергается воздействию осушенного и исследуемого воздуха. Разность термо - э. д. е., измеряемая прибором, включенным в термоэлектрическую цепь, характеризует влажность воздуха.

В автоматическом гигрометре, разработанном в США, исследуе­мый поток газа разделяется с помощью регуляторов расхода на две равные части, одна из которых полностью осушается в регенератив­ной адсорбционной колонне (ад­сорбере). Потоки сухого и влаж­ного газа поступают в две полови­ны измерительной камеры датчика. Реле времени с помощью трехходо­вых кранов автоматически переклю­чают газовые потоки через проме­жутки, достаточные і(нри данной скорости газа) для достижения ги - гротермического равновесия между газом и сорбентом в колоине. Та­ким образом, при полной длитель­ности цикла, равной 4 мин, каж­дый из газовых потоков подвергает­ся сушке в течение 2 мин. В дат­чике установлена дифференциаль­ная термобатарея со спаями термо­пар, покрытыми твердым сорбен­том. Одна серия спаев омывается > сухим газом, (вторая — влажным;

Так как процессы сорбции и 'десорбции происходят в датчике одновре­менно, результирующая термо - э. д. с. равна сумме максимальных абсолютных значений э. д. е., развиваемых в течение обоих полу­циклов и имеющих противоположные знаки. Прибор записывает знакопеременные импульсные сигналы, длительность каждого из ко­торых соответствует одному полуциклу измерения. При этом сере­дина шкалы самописца соответствует нулевому значению влажно­сти. Для получения более удобной, непрерывной записи и напряже­ния одного знака, а также с целью использования прибора для регулирования влажности был применен пиковый вольтметр (им - пульеметр). В последующем длительность цикла была уменьшена до 3 мин, а в датчике применяли два остеклованных миниатюрных тер - мистора [Л. 9-17]. Датчик (рис. 9-8) содержит два слоя сорбента 7 С сетчатыми экранами 6; в каждый из слоев погружены два терми - стора 4. В первой половине цикла влажный газ поступает по ка­налу 1 через отверстие 3 и. после прохождения через слой сорбента выходит через отверстие 5. Осушенный газ (канал 2) проходит через отверстие о, сорбент и отверстие 5. Во втором полуцикле канал 1 Играет роль «сухого», а канал 2 — «влажного». Четыре термистора включены в- плечи моста с выходным автоматическим потенциомет­ром.

Гигрометр имеет пределы измерений от 0—10 до 0—1 ООО м. д., причем шкала линейна для влагосодержаний до 500 м. д. Постоян­ная времени датчика превышает 4 мин. Существенное упрощение описанного прибора [Л. 9-18] заключается в использовании одного газового потока и совмещении адсорбера с датчиком. Стабилизиро­ванный по расходу поток газа 1 (рис. 9-9) с помощью автоматически управляемых трехходового крана 2 и двух выпускных клапанов 7 Периодически реверсируется и поступает попеременно на вход и вы­ход цилиндрической колонки 4, заполненной твердым сорбентом. С помощью дифференциальной термобатареи 5 и прибора Є измеря­ют разность температур ппотивоположных поверхностей слоя сорбен­та. Температура газа стаби­лизируется в теплообменни­ках 3 до -поступления в ко­лонку. Измерение разности температур на входе и вы­ходе слоя сорбента исполь­зовали также для автомати­ческого контроля степени увлажнения твердых сорбен­тов в регенеративных ад­сорберах для осушки газов.

Основной областью при­менения сорбц-ионно-терми - ческих гигрометров является измерение очень малых вла­госодержаний. Их свойства в значительной степени опре­деляются применяемыми сорбентами; оптимальными являются молекулярные сита (цеолиты). При наличии. в газе компонентов, полимеризующихсятри температуре регенерации цеолита, приходится прибегать к другим сорбентам. Не­которая громоздкость приборов и неудобства, связанные с необхо­димостью осушки газа и регенерации сорбента, имеют следствием то,. что на практике сорбционпо-термические гигрометры применя­ются редко, уступая место гигрометрам других типов, в первую очередь кулонометрическим.

Конденсационные (с густ и тельные) гигрометры основаны на конденсации водяного пара при искусственном охлаж­дении влажного газа и измерении количества конденсата, образо­вавшегося при прохождении известного количества газа через холо­дильник. Для охлаждения газа нашли практическое применение простейшие способы — пропускание газа через трубку, помещенную в ванну со льдом, или чаще всего (при измерениях влажности газов с высокой температурой), через холодильник, имеющий водяную рубашку с циркуляцией водопроводной воды.

Измерение малых и очень малых влагосодержаний возможно при глубоком охлаждении анализируемого газа. Так, например, для контроля влагоеодержания хладоагента холодильных машин приме­няли сжиженный кислород. В современных гигрометрах этого типа для измерения количеств газа и конденсата используются электри­ческие датчики и электронные приборы; весь процесс измерения выполняется автоматически.

Схема автоматического конденсационного гигрометра представ­лена на рис. 9-10. Исследуемый газ через клапан 1 с электромагнит­
ным приводом поступает в систему, находящуюся под разрежением, которое создает воздушный насос 2. При протекании газа через хо­лодильник 3 влага конденсируется, конденсат стекает в мерный со­суд 4, а таз проходит через газовый счетчик 5, снабженный прибо­рами, .измеряющими па выходе из счетчика параметры газа — тем­пературу Є и разрежение 7. Клапан 8 позволяет регулировать расход газа. В мерном сосуде установлев датчик 9, присоединенный к вто­ричному прибору 10, измеряющему массу или объем конденсата. Датчик может быть поплавкового типа; предпочтительно применение электрических датчиков уровня (емкостных, тензометрических), не имеющих подвижных частей. Принцип измерения — дискретный; газ

Пропускается через систему в течение заранее установленного време­ни или в заранее установленном количестве. Сигнал об окончании цикла измерения дает управляющее устройство 11 (реле времени "или контактное устройство газового счетчика). Управляющее устрой­ство закрывает клапан 1, останавливает насос 2 и фиксирует стрел­ку прибора 10 в неподвижном состоянии для отсчета или записи. После спуска конденсата при помощи клапана 12 можно возобно­вить измерение. Необходимым условием является герметичность все­го тракта прохождения газа.

Статическая характеристика гигрометра описывается уравнением [Л. 0-1]:

Е1 У, 760 Т J> — £Т+УИ р — Ет 273'

Где Хо — объемное влагосодержание исследуемого газа; Т — темпера­тура охлаждения газа, СК; £т — упругость насыщенного водяного пара при температуре Т; р— давление газа в системе, равное раз­ности атмосферного давления и разрежения Ар (рис. 9-10); VK, Vn— Измеренные объемы конденсата и газа.

Результат измерения влажности определяется не только отноше­нием количества конденсата в мерном сосуде к количеству газа, по также и температурой охлаждения (величины Т и £т) и в меньшей степени давлением газа в системе. Температуру и давление газа необходимо поддерживать постоянными или вводить соответствую­щие поправки в результат измерения. Точность измерения повышает­ся с увеличением количества конденсата, т. е. при увеличении объема газа и повышении его влагоеодержания; конденсационный метод обычно применяют при Хс5=0,І. В современных гигрометрах рас­сматриваемого типа расход газа стабилизируют или измеряют коли­чество газа с помощью расходомеров (электронных с сужающими устройствами, ротаметров), снабженных интеграторами.

Минимальная длительность одного цикла измерения при задан­ных значениях максимальной влажности, расхода газа и допустимой погрешности определяется глубиной охлаждения. При охлаждении водопроводной водой длительность цикла может быть понижена лишь до нескольких минут, что исключает применение гигрометров в процессах, протекающих с большой скоростью.

Основная область применения конденсационных гигрометров — измерение абсолютной влажности газов при высоких температурах. При этом положительным свойством метода является то, что га­зовые примеси, не конденсирующиеся при температуре охлаждения, не влияют на результаты измерения.

В автоматическом гигрометре {Л. 9-19] для газов подземной газификации и других агрессивных парогазовых смесей с темпера­турой до 250 °С и избыточным давлением до 1 кгс/см2 предусмот­рено охлаждение потоком воздуха, создаваемым вентилятором. Уро­вень сконденсированной влаги измеряется поплавком с индукцион­ным преобразователем, а расход газа стабилизируется регулятором прямого действия. Влияние температуры компенсируется автомати­ческим термокомпенсато^Ьм. Длительность цикла измерения состав­ляет для абсолютной влажности а в пределах от 150 до 400 г/м3 (объем в нормальных условиях) 15 мин, для 300 ^с ^ 1000 г/м3 — 5 мин.

Диффузионные гигрометры в простейшем виде состо­ят из измерительной камеры с полупроницаемой перегородкой или мембраной из твердого пористого материала, отделяющей камеру от внешней газовой среды, но пропускающей водяной пар. Во внутрен­ней полости камеры находится материал, сорбирующий или десор - бирующий влагу и создающий в камере постоянную упругость во­дяных паров. При диффузии газа через пористую перегородку на ней создается разность давлений, установившаяся величина ко­торой функционально связана с влажностью внешнего газа. Изме­ряя величину перепада давления с помощью дифференциального манометра, можно получить информацию о влажности газа и ее из­менениях.

В качестве материала для изготовления диффузионной пере­городки использовались определенные сорта глины (керамика) или угля, гипс, микропористый эбонит, мембраны из целлюлозы, жела­тина и др. Осушителями служили серная кислота (в первых диффу - зиониых гигрометрах), зысушенный алюмогель или силикагель, хло­ристый литий, увлажнителем — хлопчатобумажная ткаиь (фланель, марля) или вата, пропитанные дистиллированной водой.

Основной характеристикой прибора является линейная зависи­мость измеряемого перепада давления Ар от значения упругости Є Водяного пара исследуемого газа.

При применении - измерительной камеры с осушителем эта зави­симость имеет вид:

Apc=kc (є—Со), (9-8)

Где Ke — постоянная прибора с осушителем; ев — упругость водяного пара над поверхностью осушителя.

В тех случаях, когда йсіюльзуютСя высокоэффективные сорбен­ты влаги, значение е0 близко - к нулю и можно принять:

Apc=kce. (9-9)

При применении увлажнителя, насыщающего воздух в измери­тельной камере, имеет место соотношение

АРъ=К(Е—е), (9-10)

Где /ги — постоянная прибора с увлажнителем; Е — упругость на­сыщенного пара при температуре измерения (упругость пара над поверхностью увлажнителя).

Согласно теории '[Л. 9-20], основанной па законе диффузии Фика, для диффузионного гигрометра с насыщающим увлажнителем имеет место соотношение

(9-11)

Где а — коэффициент, зависящий от пористости перегородки; у. — коэффициент фильтрации воздуха через перегородку; D — коэффи­циент диффузии; ц — коэффициент внутреннего трения воздуха; h, he — толщина перегородки и ее расстояние от поверхности увлаж­нителя; р — атмосферное давление воздуха.

Из (9-11) следует, что постоянная прибора зависит не только от свойств (пористости и других) и размеров (толщина и располо­жение относительно сорбента или десорбента) мембраны, но и от полного давления исследуемого, газа, его состава и температуры (произведение Dp,).

Выполняя измерение с двумя одинаковыми камерами с идентич­ными мембранами, причем одна из камер снабжена увлажнителем, а вторая — осушителем, можно непосредственно определить относи­тельную влажность іф. Действительно, на основании (9-9) и (9-10) и принимая kc=kJ1, получаем:

Арс ^ <? _ Ьрс + ЬрВ Е

Если принимать во внимание остаточную влажность в измери­тельной камере с осушителем, т. е. использовать уравнения (9-8) и (9-10), получим уравнение

Арс _ У — Уо АРс + Ай. 1—уо*

Где <ро=Єо/£ — остаточная относительная влажность внутри камеры с осушителем.

Принцип устройства диффузионного двухкамерного гигрометра был предложен Грейнахером {Л. 9-21] и использован - в приборах, предназначенных для измерения влажности атмосферного воздуха, т. е. для условий, когда давление газа мало меняется в процессе измерения.

В других диффузионных гигрометрах нашли применение три камеры — с осушителем, с увлажнителем и компенсационная. По­следняя камера служит для уменьшения погрешности, связанной

С Колебаниями полного давления газа (атмосферного давления воз­духа), имеет такие же размеры и перегородку, как измерительные камеры, н присоединяется к свободному концу дифференциального манометра; в компенсационной камере отсутствуют как осушитель, так и увлажнитель. Для измерения абсолютной влажности приме­няются и двухкамерные гигрометры, имеющие измерительную каме­ру с осушителем н компенсационную.

Абсолютная погрешность определения относительной влажности ф диффузионным гигрометром с применением осушителя умень­шается с понижением ф; может быть достигнута относительно вы­сокая точность при измерении малых значений ф. В то же время точность и чувствительность измерения уменьшаются с понижением температуры газа, в связи с чем диффузионный метод применяется в осповном при положительных температурах.