Методы и средства измерения влажности

Список основных обозначений:

V – объем влажного воздуха;

T – температура воздуха;

M – масса влажного воздуха;

m_a – масса сухого воздуха;

m_п – масса водяного пара;

p – барометрическое давление;

p_а – парциальное давление сухого воздуха;

p_п – парциальное давление водяного пара;

p_н – давление насыщения водяного пара;

d – влагосодержание воздуха;

ρ_п – плотность водяного пара (абсолютная влажность воздуха);

ρ_н – плотность насыщенного водяного пара;

T_d – температура точки росы;

T_h – температура влажного термометра;

φ – относительная влажность воздуха;

m_p – весовая концентрация;

c – полярная (эквивалентная) концентрация;

a – химическая активность;

f  – коэффициент химической активности;

l –  эквивалентная электропроводность;

b – температурный коэффициент электропроводности;

g  – удельная электропроводность.  

 

 

РАЗДЕЛ I

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ  ВЛАЖНОСТИ

Методы и средства измерения  влажности, т.е. наличия молекул воды в веществе, делятся на три группы в зависимости от фазового состояния  исследуемого вещества или среды:

1)     Измерение влажности газов – определение физических величин, характеризующих содержание водяного пара в воздухе или иных газах;

2)     Задачи измерения влажности жидкостей формулируются как спорадическое или непрерывное определение содержания воды в жидкостях в случаях, когда вода не является основным компонентом, а только примесью (например в нефти, маслах, спирте, органических растворителях и др.);

3)     Измерение влажности веществ находящихся в твердой фазе проводится для определения количества гигроскопической или свободной (кристаллизационной или абсорбированной) воды в веществе. Метод и средства измерений существенно зависят от вида и состояния исследуемого материала: монолитный, кусковой, листовой, сыпучий, липкий и т.д.

Знание влажности воздуха  и прочих газов может оказаться  существенным для контроля различных  физико-химических и биологических  процессов. Необходимость ее намерения  связана с причинами, которые  можно классифицировать в соответствии с задачами, приведенными ниже.

Бытовое кондиционирование  воздуха. Диапазон значений относительной влажности, соответствующий ощущению комфорта, довольно широк и составляет 35 - 70%. При влажности ниже 35% могут возникать раздражения дыхательных путей, а выше 70% происходит опасное для организма ослабление кожного дыхания и потовыделения. В качестве другого критерия можно использовать энергозатраты, необходимые для поддержания определенных климатических условий; так, поддержание высокой влажности при неправильной регулировке кондиционера повлечет за собой неоправданный перерасход энергии при сохранении такого же ощущения комфорта.

Кондиционирование воздуха в промышленности. Требования к влажности в промышленности существенно различаются в зависимости от вида производства. В ряде случаев необходимо поддержание постоянных условий, например, в текстильной промышленности, поскольку изменение влажности приводит к изменению характеристик волокна (механическое натяжение, электрическое сопротивление и т. д.) и может повлиять на работу станков.

В пищевой промышленности оптимальные условия хранения различаются  для разных продуктов. Обычно желательны стабильные температура (около 0°С) и  очень высокая относительная  влажность (85 - 90%, а в отдельных случаях даже выше), так как изменение условий хранения в сторону более высокой влажности может привести к появлению плесени, а снижение влажности приведет к потере массы в результате испарения.

Обнаружение следовых количеств водяного пара. Во многих технологических процессах необходимо избегать присутствия следовых количеств водяного пара, как в воздухе, так и в различных газах (углекислый газ, гексафторид серы, этилен, природный газ и т. п.), поскольку присутствие слишком большого количества водяного пара может привести в ряде случаев либо к нежелательной побочной реакции, либо к конденсации. В наибольшей степени потребность в промышленных датчиках для измерения очень низких значений относительной влажности (порядка нескольких десятитысячных долей процента) ощущается в ядерной энергетике, микроэлектронике, металлургии, теплотехнике, электроэнергетике высоких напряжений.

Эксплуатация  теплообменников. Некоторые типы теплообменников основаны на использовании массопереноса, связанного с испарением воды (градирни, скрубберы) или с конденсацией водяного пара (холодильные батареи, испарители кондиционеров или тепловых насосов). Эти виды переноса тесно связаны с влажностью воздуха, которую, следовательно, необходимо измерять либо для определения тепловых характеристик установки, либо для контроля за ними в ходе процесса.

Контроль  над работой сушилен. Влажность воздуха на выходе сушильни является очень важным параметром при расчете ее энергопотребления. Действительно, в энергетическом балансе работы сушильни с горячим воздухом иногда до 80% потерь тепла связано с уходящим воздухом. Поэтому выгодно осуществлять процесс сушки при минимальном расходе воздуха и выбрасывать воздух наружу при максимальной влажности (однако без снижения скорости сушки).

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ, СВЯЗАННЫЕ  С ВЛАЖНОСТЬЮ

Основной объем измерений  влажности в промышленности и  в быту составляет измерение влажности  воздуха. Рассмотрим объем V влажного воздуха, находящегося при температуре Т. Масса М влажного воздуха, содержащегося в этом объеме, является суммой массы сухого воздуха m_a  и массы водяного пара m_п.

Общее, или барометрическое, давление p также представляет собой сумму парциальных давлений сухого воздуха p_a и водяного пара p_п. Напомним, что парциальным давлением того или иного компонента в смеси газов называется давление, которое имел бы данный компонент при удалении из объема, занимаемого смесью, всех остальных газов. Максимальная величина парциального давления водяного пара, находящегося в смеси с воздухом при данной температуре, ограничивается давлением насыщения p_н. Зависимость между парциальным давлением p_н и температурой показана на рис.1.1.

Рис. 1.1. Зависимость между температурой T и давлением насыщения p_н водяного пара. 

 

При парциальном давлении p_п ниже давления насыщения p_н пар в воздухе является перегретым, а когда парциальное давление p_п доходит до давления насыщения p_н, пар становится насыщенным. Если же воздух, содержащий насыщенный пар, охлаждается, этот пар превращается в мокрый. Состояние мокрого пара в воздухе неустойчиво. Взвешенный в нем конденсат очень быстро осаждается на ограждающих поверхностях, и мокрый пар переходит в сухой насыщенный. 

Влажность газов, жидкостей, твердых и сыпучих сред можно  измерять в одних и тех же единицах, используя понятие влагосодержание. Кроме того, влажность воздуха и других газов характеризуют одной или несколькими из следующих величин: абсолютной или относительной влажностью, температурой точки росы, температурой влажного термометра, давлением водяного пара.

Количество влаги в  жидкостях, сыпучих средах и твердых  телах измеряется или влагосодержанием, как указывалось выше, или влажностью.

Влагосодержание воздуха d [кг/кг] равно массе m_п водяного пара приходящийся на единицу массы (1 кг) сухой части воздуха. Таким образом, влагосодержание определяется отношением плотности водяного пара в воздухе к плотности собственно воздуха. Для практических расчетов удобно выражать влагосодержание d в граммах влаги на 1 кг сухого воздуха [г/кг_сухого].

Абсолютная  влажность воздуха ρ_п [кг/м³] равна массе водяного пара, содержащегося в единице объема влажного воздуха (парогазовой смеси). Величина ρ_п как правило выражается в граммах на 1 м³ влажного воздуха [г/м³_{влажного}] и характеризует плотность водяного пара.

Относительная влажность воздуха φ [%] – величина, характеризующая степень насыщения воздуха водяными парами. Она равна отношению парциального давления содержащегося в воздухе водяного пара p_п к парциальному давлению насыщенных водяных паров p_н при одной и той же температуре φ = (p_п / p_н)·100 или φ = (ρ_п / ρ_н)·100%; где ρ_н [кг/м³] – плотность насыщенного водяного пара при температуре влажного воздуха.

Температура точки росы T_d [ºC] – это температура, до которой необходимо охладить влажный воздух, чтобы достичь насыщения, сохраняя постоянным массовое содержание влаги в процессе охлаждения. При температуре точки росы p_п = p_н.

Температура влажного термометра T_h [ºC] – это температура равновесного испарения воды в воздух в случае, когда необходимая для испарения теплота поступает только из воздуха.

Давление  водяного пара p_п [Па] равно парциальному давлению водяного пара в воздухе. В метеорологии это давление обычно выражают в миллибарах.

Давление  насыщенного пара p_н (T) [Па] – давление пара, находящегося в равновесии с жидкой водой при температуре T. Это максимальное значение, которое может принимать парциальное давление пара p_п при температуре T, далее уже происходит конденсация.

Содержание воды в жидкостях  выражают в массовых процентах, отнесенных или к полной массе жидкости (влажность) или к массе безводной ее части (влагосодержание), а также в абсолютных единицах грамм или, чаще, миллиграмм воды в одном литре жидкости [мг/л].

В иностранной литературе последнюю единицу, для воды практически  равную одной миллионной доле содержания воды в жидкости по объему, обозначают также [ppm] (partes promillion); 1 ppm = 1·10^-4% объема.

Влажность твердых, кусковых и сыпучих материалов определяют или влагосодержанием в килограммах воды на 1 кг абсолютно сухого материала [1кг_воды/1кг_{абс.сух. мат.}]·100%, или влажностью [1кг_воды/1кг_{влаж. мат.}]·100%.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ  ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

Методы измерения влажности  газов, весьма многочисленные и разнообразные, укрупненно могут быть подразделены на специфичные, т.е. применимые только для определения паров воды (иногда и паров других веществ) в газах, и неспецифичные, т.е. модификации общих физических методов газового анализа, предназначенные для решения частной задачи определения влажности газов.

Наибольшее значение, особенно для промышленного контроля, имеют  специфичные методы. Для них характерно использование конденсированной фазы, по роду которого они делятся на два больших класса: 1) по образованию (или по условиям образования) конденсированной фазы из водяного пара газовой фазы и 2) по обратному воздействию (реакции) водяного пара газовой фазы на конденсированные системы.

К первому классу относятся 2 группы методов. Методы на основе полной конденсации водяного пара из пробы  и методы на основе термодинамических свойств, характеризуемые диаграммой «давление – температура». При использовании метода полной конденсации водяной пар из пробы анализируемого газа переводится из газовой фазы в конденсированную в результате химической реакции со вспомогательным сорбентом, или  в результате образования раствора со вспомогательным реагентом, например крепкой H₂SO₄, или в результате хемосорбции (например, CaCl₂ или P₂O₅), или путем вымораживания. О количестве сконденсировавшегося водяного пара чаще всего при автоматизированных измерениях судят, определяя вызванные конденсацией: а) тепловой эффект реакции сорбции или образования раствора; б) изменение физических свойств образующего водный раствор вспомогательного реагента, например электропроводности водного раствора H₂SO₄.

Один из влагомеров типа «а» (рис.1.2) состоит из двух трубок, по которым протекают две параллельные струи потока жидкого сорбента влаги. По правой трубке противотоком барботирует  анализируемый на влагу газ. Разность температур двух потоков, обусловленная  поглощением влаги из газа, выходящего после этого наружу, измеряется дифференциальной термобатареей. Пределы измерения  прибора такого типа (модель «Термо-флукс», Германия) от 0 до 0,3% объемных единиц (минимум) и до 3,3% объемных едниниц (максимум). Прибор не требует электрического питания  и взрывобезопасен. Аналогично устроен  влагомер типа «б».

Рис. 1.2. Принцип действия влагомера, основанном на тепловом эффекте реакции сорбции. 

 

Методы, основанные на термодинамических  свойствах, характеризуемых диаграммой «давление – температура» для  водяного пара, в частности на зависимости  парциального давления пара от температуры (рис.1.1), разделяются на 2 подгруппы:

1) Измерение давлений  пара и газа в двух различных  точках диаграммы p – T  для водяного пара. Этот метод применим для высоких влажностей и для парогазовых смесей низкого давления (т.е. для высоких парциальных давлений водяного пара), он позволяет определить точку росы. Его недостаток – необходимость точного (до 0,2 мм рт. ст.)измерения давлений и последующих графоаналитических расчетов. Метод представляет интерес для измерения влажности сильно запыленных газов.

2) Температурно-конденсационный  метод, или метод определения  температуры точки росы. Он имеет  большое практическое значение, в частности для измерения  невысоких влажностей газов.

Ко второму классу (реакция  водяного пара на конденсированные системы) относятся методы: а) психометрический, основанный на зависимости охлаждения чистой воды, испаряющейся в газовое  пространство, от влажности последнего; б) температурно-равновесный, основанный на зависимости разности упругостей водяного пара над насыщенным водным раствором гигроскопической соли и  над чистой водой от влажности  объема газа, соприкасающегося с раствором; в) методы, основанные на зависимости  физических свойств твердых гигроскопических тел от влажности газа (воздуха), с которыми они находятся в  состоянии динамического гигротермического  равновесия.  Наиболее широкое применение из этой группы получили методы дилатометрические (основанные на изменении линейных размеров) и электрохимические (основанные на изменении или электропроводности или количества электричества потребного для количественного электролиза сконденсированной влаги). Эти методы поддаются автоматизации и наряду с температурно-конденсационными позволяют решать подавляющее большинство задач измерения влажности газов в промышленности. Меньшее применение получили методы, основанные на измерении диэлектрической проницаемости и изменении цвета гигроскопических материалов.