ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

В настоящее время нет универсального метода измерения влаж­ности газов, удовлетворяющего всем разнообразным требованиям, предъявляемым к этим измерениям. Известны и нашли применение многочисленные (несколько десятков) методы, основанные на различ­ных принципах. Наибольшее практическое значение имеют следую­щие из них:

1) психрометрический, основанный на измерении темпе­ратур двумя термометрами: «сухим» (обыкновенным) и «мокрым», имеющим чувствительный элемент, смоченный водой, и находящимся в термодинамическом равновесии с окружающей газовой средой. Испарение с поверхности чувствительного элемента мокрого термо­метра происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность газа; раз­ность показаний сухого и мокрого термометров зависит, следова­тельно, от значения влажности;

2) т о ч к и росы, заключающийся в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) не на­сыщений газ для того, чтобы довести его до состояния насыщения. Практически температура точки росы определяется по началу кон­денсации водяного пара на плоской поверхности твердого тела (ме­таллического зеркальца и т. п.), охлаждаемой в атмосфере влажного газа.

Родственный метод основан на применении электролитиче­ских подогревных датчиков. Температуру точки росы определяют, подогревая до достижения равновесного состояния на­сыщенный солевой раствор, покрывающий чувствительный элемент температуриого преобразователя;

3) с о р б ц и о н и ы й, основанный на применении гигроскопиче­ских тел, свойства которых изменяются в функции количества погло­щенной влаги. В зависимости от использованного для измерения па­раметра влагочувствительиого материала можно различить сорбци - оииые гигрометры деформационные, электрические, весовые, цве­товые и др.; наибольшее практическое значение имеют первые две группы.

В сорбциоииых гигрометрах деформационного типа используется свойство некоторых гигроскопических твердых материа­лов изменять свои линейные размеры в функции влажности окру­жающего воздуха. К наиболее старым и распространенным до настоя­щего времени приборам этого типа относятся волосные гигрометры; в них чувствительным элементом служит пучок обезжиренных чело­веческих волос. Кроме того, вместо волосных гигрометров нашли некоторое применение приборы с использованием животной пленки, обладающей сравнительно небольшим коэффициентом инерции. Этим преимуществом обладают также гигрометры с вальцованным (сплю­щенным при помощи вальцов) человечееким волосом. В некоторых гигрометрах применяются чувствительные элементы из капроновой нити, целлофана и других материалов.

-- Приборы этого типа отличаются простотой конструкции. Однако их инерционность возрастает с понижением температуры и относи­тельной влажности; постоянная времени при десорбции чувствитель­ного элемента больше, чем при увлажнении. Стабильность показаний этих гигрометров невысока, и им присуще явление гистерезиса. Не­достатком волосного гигрометра является также незначительность усилий, которыми можно нагружать его чувствительный элемент. Это затрудняет оснащение гигрометров данного типа электрическими преобразователями (омическими, индуктивными и т. п.) для дистан­ционных измерений и автоматического контроля. В связи с этим гигрометры, деформационного типа имеют сейчас ограниченную область применения: метеорологические измерения, контроль' влаж­ности воздуха в помещениях, грубые регуляторы влажности воздуха в помещениях. Но и в этих областях они вытесняются другими, бо­лее совершенными приборами.

У электрических гигрометрических. датчиков используется зависимость электрических свойств чувствительного эле­мента от влажности окружающей среды. Из них следует выделить куло неметрические датчики, в которых происходит не­прерывный электролиз поглощенной влаги.

В сорбционно-термическом методе измеряется коли­чество тепла, выделяемое при сорбции влаги сухим гигроскопическим материалом или (значительно реже) серной кислотой.

Из других, менее распространенных методов измерения влажно­сти газов заслуживают внимания седуюпше:

1. Метод полного поглощения, основанный на пропус­кании определенного объема газа через вещество, способное погло­щать водяной пар, и оценке изменения параметров этого вещества в результате полного поглощения влаги. Известны две разновидности метода: гравиметрическая и химическая. В первой влагосодержаиие воздуха определяют по приросту в весе поглотителя. Химические методы основаны на химической реакции поглотителя с влагой иссле­дуемого газа. К наиболее известным относятся методы: газометри­ческий и титрования реактивом Фишера (см. '§ 1-3). В ацетиленовом методе используется реакция водяного пара с карбидом кальция с выделением ацетилена, а в гидридиом — с гидридом кальция с вы­делением водорода; эти методы мало распространены. При примене­нии метода Фишера анализируемый газ поступает в реакционный сосуд, где барботируется через реактив до окончания титрования, фиксируемого электрометрическим или иным способом. Влагосодер­жаиие газа определяют по объему прошедшего газа и количеству реактива в сосуде.

Методы полного поглощения можно рассматривать как абсолют­ные, и их точность в принципе высока; практически она ограничена погрешностями измерительных операций (взвешивание поглотителя, измерение количества газа) и наличием примесей в газе и используе­мых реактивах. Процесс измерения длителен и трудоемок, в связи с чем эти методы используются только в качестве лабораторных. Гравиметрический мегод поглощения применяют в качестве наиболее точного образцового при градуировке и испыта­ниях гигрометров (см. § 11-2); такие же функции возлагаются на метод Фишера в области весьма малых влагосодержаний.

2. Ко и д е н с а ц и о н и о - с г у с т и т е л ь н ы й метод, в кото­ром исследуемый газ охлаждается в холодильнике до полной конден­сации содержащейся в нем влаги. Количество последней определяют измерением количества газа и объема воды, выделившейся в холо­дильнике. Конденсационный метод, как и метод полного поглощения, является абгоддотным, одним из его преимуществ является возмож­ность определения влажности газов при высоких температурах.

3. Диффузионный метод, основанный на явлении диффу­зии газов через пористую, перегородку. В диффузионных гигрометрах измеряется разность давлений контролируемой внешней среды и газа в камере, отделенной от этой среды пористой мембраной. В камере с помощью увлажнителя или осушителя поддерживается определен­ная величина упругости водяных паров.

Отдельную группу образуют методы, основанные на непосредст­венном измерении физических свойств газа, изменяющихся в функ­ции влажности; достоинствами этих методов являются пригодность для автоматизации измерений и безынерциониость функции преобра­зования. К ним относятся диэлькометрический метод и его разно­видность— измерение диэлектрических свойств газа на сверхвысоких частотах (СВЧ рефрактометрия), поглощения инфракрасных, ультра­фиолетовых и радиоизотопиых излучений; последние методы можно рассматривать как спектрометрические, отличающиеся между собой используемым участком спектра электромагнитных колебаний. К этой же группе методов можно отнести и измерения, использующие тепло - физические свойства влажных газов, например их теплопровод­ность.

Приведенный перечень не исчерпывает всех известных способов определения влажности газов; более подробные обзоры и оценка этих способов даны в литературе [Л. 0-4, 0-5 и 0-9].

Ввиду отсутствия единой общепризнанной классификации мето­дов измерения влажности газов ее можно построить, исходя из раз­личных принципов. В (Л. 0-5] принято деление этих методов на интегральные, промежуточные (равновесные) и мгновенные.

Если обратиться к классификации методов измерения влажности твердых материалов и жидкостей ('§ 1-3), интегральные методы соот­ветствуют прямым, равновесные — массообмениым, а мгновенные — миогопараметрическйм (согласно {Л. 1-11]). Однако такое деление методов характеризует главным образом их быстродействие. Пра­вильнее рассматривать в качестве основы 'классификации физические процессы и свойства водяного пара, используемые для измерения (испарение, конденсация, адсорбция и абсорбция и т. д.), как это сделано в '[Л. 6-4]. При этом, однако, получается большое число групп методов, а каждая из них объединяет методы, весьма разнородные по своей физической реализации.

По нашему мнению, более рационально использовать в качестве классификационного признака не только физический процесс, на ко­тором осиоваи тот или иной метод измерения, но и характер физи­ческой величины, в которую преобразуется влажность (естественной выходной величины первичного преобразователя). Такой принцип классификации, примененный нами и в отношении твердых тел и жид­костей (см. '§ 1-3), удобен с точки зрения унификации технических средств измерения.

Все методы измерения влажности газов можно разделить на прямые и косвенные.

Прямые методы основаны на непосредственном разделении влаги и сухого газа с последующим определением количества влаги. В эту категорию входят методы полного поглощения (гравиметриче­ский и химические),г коиденсациоиио-сгустительиый, с выморажива­нием влаги и т. п.

В косвенных методах измеряется та или иная физиче­ская величина, функционально связанная с влагосодержанием газа. Классификация физических методов, рассматриваемых в настоящей книге, показана на рис. 6-1.

К температурным методам, в которых влажность газа преобра­зуется в температуру, отнесены методы: психрометрический, точки росы и основанный на применении электролитических подогревных датчиков. Большую группу методов, основанных на явлениях сорбции водяного пара твердыми и жидкими телами, можно разделить по характеру величины, в которую преобразуется влажность, на две подгруппы. В первую подгруппу методов, где выходная величина первичного преобразователя является неэлектрической, входят дефор­мационный, цветовой и сорбциоино-термический, причем последний метод измерения можно отнести и к температурным. Методы, осно­ванные на использовании электрических гигрометрических датчиков (адсорбционных и абсорбционных, электролитических, кулонометри - ческих), образуют вторую подгруппу сорбциоииых методов, особенно­стью которой является электрическая естественная выходная величи­на первичного преобразователя. Следующая группа основана на измерении различных физических свойств исследуемого газа — не­электрических (теплопроводности, акустических характеристик и т. п.) или электрических. Условно выделены в самостоятельную группу («спектроскопическую») те методы, в которых используются количе­ственные оценки физических свойств влажпого газа в различных участках спекгра электромагнитных колебаний — инфракрасном, ультрафиолетовом или 'сверхвысоких радиочастот; сюда включены и радиометрические методы.

Некоторыми особенностями отличаются измерения очень малых и микрокоицентраций влаги в газах—в диапазоне от Ю-6 до I0"4

(от 1 до 100 м. д.), представляющие собой количественное определе­ние следов влаги.

Указанную задачу решают с помощью лабораторных аналитиче­ских методов, например, титрованием реактивом Фишера. Применя­лись также современные аналитические методы; примером может служить сочетание хроматографического метода с гидридкальциевым. Для контроля и управлення производственными процессами в рас­сматриваемом диапазоне влагоссдержаний были разработаны и на­шли применение гигрометры следующих типов: точки росы, с элек­трическими сорбционньши датчиками (в частности, алюминиевооксид - ными и пьезокварцевыми), сорбционно-термические и кулонометри - ческие. При этом возникают определенные затруднения; общий характер имеют, например, погрешности, обусловленные диффузион­ным проникновением атмосферной влаги в анализируемый газ через стенкн газоподводящих комумникаций, уплотнения и другие детали аппаратуры. Причиной является очень большая разница парциальных давлений водяного пара в окружающем воздухе и анализируемом газовом потоке. Сильно усложняются также градуировка и новерка гигрометров. Способы Преодоления этих затруднений и специфиче­ские погрешности гигрометров различных типов для - микровлаго" > держаний рассматриваются ниже, в параграфах, посвященных этим гигрометрам и методам их градуировки.