Методы и средства измерения влажности

Метрологические характеристики.

Наиболее важное свойство гигрометра этого типа состоит в  том, что он позволяет определить температуру точки росы, причем в  широком интервале температур (от – 80 до +70 °С).

Поскольку датчик предназначен для непосредственного использования  в точке измерения, он не требует  специального приспособления для отбора проб. Это значительно улучшает быстродействие прибора, поскольку при очень  низких значениях точки росы для  установления равновесия в самой  простой системе отбора проб в  виде 1 – 2 м трубки из нержавеющей стали и маленькой измерительной камеры может потребоваться несколько часов при переходе от точки росы +10 °С к –70 °С. Действительно, для таких очень низких значений точки росы время установления гигроскопического равновесия системы трубок с воздухом чрезвычайно велико, а скорость установления равновесия зависит от его расхода, температуры, используемых конструкционных материалов и давления в системе. Напротив, постоянная времени датчика на основе оксида алюминия, расположенного непосредственно в исследуемой газовой среде, очень мала и составляет всего несколько секунд.

Показания этих датчиков не зависят от потока: максимальная допустимая скорость ограничивается механической прочностью и составляет около 50 м/с. Датчики этого типа можно использовать при любых давлениях от вакуума до нескольких сотен атмосфер.

Гигрометры на оксиде алюминия позволяют измерять влажности как  газов, так и жидкостей. Тем не менее, не рекомендуется использовать эти датчики в средах, содержащих корпозионно-активные вещества, такие, как хлорид натрия, сера которые  взаимодействуют с алюминием  и, следовательно, могут повредить  чувствительный элемент.

Электролитический гигрометр

Принцип действия и конструкция

Электролитические гигрометры позволяют определить очень низкие содержания водяного пара в воздухе, содержащем другие газы.

Чувствительный элемент  такого гигрометра (рис.1.11) состоит  из трубки длиной 10 см, в которой размещаются скрученные в спираль электроды из платины или родия, со слоем фосфорного ангидрида (P₂0₅) между ними.

Рис. 1.11. Конструктивная схема электролитического датчика (фирма Beckaman):

1–оболочка из тефлона; 2–трубка для пропускания воздуха; 
3–электроды; 4–корпус из нержавеющей стали; 5–соединительные зажимы. 

 

Исследуемый газ циркулирует  в измерительной трубке, а содержащийся в нем водяной пар поглощается  фосфорным ангидридом, который превращается при этом в фосфорную кислоту. Между электродами создается  постоянное напряжение около 70 В, вызывающее электролиз воды с выделением кислорода и водорода и регенерацию фосфорного ангидрида. Согласно закону Фарадея, который определяет соотношение между количеством электричества, проходящим между электродами, и количеством воды, подвергнутой электролизу, для того, чтобы произошла диссоциация 1 г-эквивалента (т.е. 9 г) воды, необходимо 96500 Кл электричества. Один моль воды содержит 16 г кислорода и 2 г водорода и включает две связи. Если обозначить массу воды, расщепленной в ходе электролиза за единицу времени, через dm_e /dt, то сила электрического тока составит:

где I выражено в амперах, a dm_e /dt в кг/с. Обозначив расход воздуха (м³/с), циркулирующего в датчике, через Q, а концентрацию водяного пара, выраженную в кг пара на 1 м³ воздуха, через С, значение dm_e /dt можно выразить соотношением:

,

где a - коэффициент захвата молекул воды слоем Р₂0₅.

При подходящей геометрии  датчика и определенной величине расхода значение a можно довести практически до единицы. Однако в любом случае при заданной геометрии этот коэффициент остается постоянным, если постоянна скорость воздуха, и благодаря градуировке можно определить его действительную величину.

Замечание. Поскольку электролитический гигрометр пригоден только для измерений очень малых концентраций воды, различие между расходами влажного и сухого воздуха здесь не делается.

Вышеприведенное соотношение  для тока I можно записать как:

  либо

, где 

При заданном объеме воздуха  ток в электролите пропорционален концентрации водяного пара С, выраженной в кг пара на 1 м³ воздуха.

Замечание. Обычно результаты измерений выдаются в виде объемной концентрации, выраженной в миллионных долях (ppm), т. е. в умноженном на 10⁶ отношении объема пара к объему воздуха. (Под «объемом пара» понимается объем, который занимал бы при аналогичных условиях по температуре и давлению пар заданной массы.)

Метрологические характеристики

Рассматриваемый гигрометр  лучше всего подходит для измерений  в газах с очень малым содержанием  воды. Порог измерений определяется проблемами сорбции и десорбции  воды трубопроводами, которые делают результаты промышленных измерений  сомнительными при достижении температуры  точки росы –70 °С (10 – 20 ppm). Действительно, даже при использовании труб из нержавеющей стали вследствие этих явлении сорбции время установления равновесия составляет более 24 ч при концентрациях ниже 10 ppm (Т_d < –70 °С).

Рабочий диапазон некоторых  моделей таких гигрометров распространяется вплоть до 30000 ppm (Т_d = +30 °С), однако при переходе уровня 10000 ppm возникает опасность разрушения датчика теплотой, выделяемой электролитом; кроме того, коэффициент захвата молекул воды изменяется при высоких значениях влажности. Постоянная времени прибора зависит, главным образом, от направления, в котором происходит изменение влажности: при повышении влажности (от 10^-2 до 10^-1%) постоянная времени обычно не превышает 30 с; при снижении влажности (от 10^-1 до 10^-2%) эта величина может достигать нескольких минут.

Меры предосторожности. В соответствии с принципом действия датчика происходит непрерывная регенерация фосфорного ангидрида P₂O₅. Однако срок службы этого слоя не безграничен и необходимо периодически производить регенерацию прибора.

Частота регенерации зависит  от условий использования и от чистоты анализируемого газа. Ее можно  уменьшить путем использования фильтров из термообработанной нержавеющей стали. Не рекомендуется использовать гигроскопичные фильтры.

Электролитические гигрометры позволяют измерять влажность различных газов: азота, водорода, воздуха, метана, двуокиси углерода, хладагентов (фреонов и т. д.). Однако в некоторых газах проводить измерения не рекомендуется, поскольку они могут разрушить датчик или повлиять на его функционирование: это — аммиак, пары спиртов, амины, которые вступают в химические реакции с P₂O₅.

Психрометр

Принцип действия. Уравнение психрометра

Этот гигрометр состоит  из двух термометров, определенным образом  продуваемых воздухом, влажность  которого хотят измерить. Чувствительный элемент одного из двух термометров обернут марлей, увлажняемой дистиллированной водой. Испарение воды в воздух вызывает охлаждение термометра до равновесного значения температуры T_h, называемой «температурой влажного термометра». Другой термометр измеряет температуру воздуха T, называемую, напротив, «температурой сухого термометра».

Измерение температуры влажного термометра с помощью психрометра  представляет собой экспериментальный  способ определения теоретической величины, называемой «термодинамической температурой увлажненного термометра».

Температуре влажного термометра можно дать следующую физическую интерпретацию: это температура  равновесного испарения в воздух массы дистиллированной воды, если теплота, необходимая для такого испарения, поступает только из воздуха.

В пограничном слое влажного фитиля воздух насыщен при температуре T_h. Путем расчета энтальпий влажного воздуха на входе и выходе психрометра можно получить формулу, связывающую величины парциального давления пара и температур «сухого» и «влажного» термометров:

где    α – коэффициент, зависящий от T и T_h и характеризующий психрометр. В случае идеального функционирования α = 1;          

A – психрометрическая постоянная. При +10 ºС < T < +10 ºС A = 0,00064.

Приведенное выше соотношение  позволяет на основе измерений T и T_h и известном барометрическом давлении p определить парциальное давление водяного пара p_п и, следовательно температуру точки росы T_d и относительную влажность φ.

Психрометр с  электростимулированным обдувом

Циркуляция воздуха в  этом психрометре (рис.1.12) осуществляется с помощью вентилятора, приводимого  в действие либо пружинной механической системой (в простейших моделях), либо электродвигателем (в моделях с  непрерывным поступлением воды).

Рис. 1.12. Электрический психрометр с обдувом (конструкция фирмы Ultrakust).

1–трубка обдува; 2–металлическая  гильза; 3–сухой термометр; 
4–влажный термометр; 5–двигатель вентилятора; 6–вентилятор; 
7–резервуар с дистиллированной водой; 8–влажный фитиль. 

 

В соответствии с принципом  действия психрометра теплота, необходимая  для испарения воды из фитиля, должна отбираться из воздуха, поэтому приборы  снабжаются противорадиационным экраном, и в тепловом балансе должен преобладать  конвективный теплообмен. Для этого  необходима минимальная скорость потока 2 – 4 м/с.

Измерение температуры сухого термометра и температуры влажного термометра производится с помощью  либо ртутных термометров в механических психрометрах, либо с помощью платиновых термометров сопротивления (100 Ом при 0 °С), термопар или полупроводниковых термометров. Влажный термометр обернут хлопчатобумажной тканью. Температура воды, используемой для смачивания фитиля, влияет на постоянную времени прибора. (Идеальным было бы смачивание фитиля водой, имеющей температуру влажного термометра.)

Поскольку вода поступает  к влажному термометру непрерывно, необходимо, чтобы участок фитиля (примерно вдвое длиннее датчика  температуры) контактировал с воздухом для сокращения поступления тепла  вследствие теплопроводности со стороны  резервуара с водой.

Метрологические характеристики

Основным достоинством психрометра  является высокая воспроизводимость, достижимая при условии соблюдения ряда мер предосторожности.

Точность психрометра  зависит от его конструкции (противорадиационная  защита, достаточная скорость течения  воздуха и т.д.) и от аккуратности проведения измерений. При высокотемпературных  измерениях иногда необходимо проверять  градуировку.

Чувствительность психрометра  зависит только от чувствительности датчиков температуры. Дифференциальная схема включения датчиков температуры  обеспечивает прекрасную чувствительность и очень хорошую точность даже вблизи насыщения, т.е. в той области, где применение большинства датчиков влажности ограничено.

Важным достоинством психрометров является их простота: они просты в  изготовлении и сравнительно дешевы.

Обычно психрометры используются в системах кондиционирования воздуха. Эта область применения может  быть несколько расширена при  соблюдении ряда условий.

Низкотемпературный предел. Измерение Т_h ниже или вблизи 0 °С затруднено, так как необходимо проверять, покрыт ли термометр льдом или переохлажденной водой. В этих случаях используются различные уравнения.

Высокотемпературный предел. Необходимо рассмотреть два случая:

1. Психрометры, не рассчитанные  на непрерывную подачу воды  от фитиля, имеют высокотемпературный  предел, обусловленный тем, что  вода, смачивающая фитиль, может  испаряться быстрее, чем устанавливается  равновесие в колбе с влажным  воздухом. Обычно полагают, что температура  +40 °С является пределом.

2. Психрометры, рассчитанные  на непрерывную подачу воды  с расходом, компенсирующим испарение,  пригодны для использования вплоть  до температур +90 ÷ +100 °С, если температура резервуара равна температуре пробоотбора (+200 °С и выше), а резервуар и систему подачи можно поддерживать при температурах ниже точки кипения воды.

Разработан психрометр, предназначенный  специально для измерения влажности  в сушильнях, которые могут функционировать  вплоть до температур сухого термометра порядка +200 ÷ 250 °С при температуре влажного термометра +20 ÷ 75 °С (патент фирмы ITF - INOTECHNIQUE).

Прибор, схематически представленный на рис.1.13а (патент фирмы ITF Leblanc), снабжен, по сравнению с классическими  психрометрами, рядом оригинальных приспособлений позволяющих ему  функционировать при высокой  температуре: например, увлажнение влажного термометра обеспечивается с использованием инжекторной системы периодической  пульверизации. Эта система соединена  с приспособлением для измерения  изменения температуры влажного термометра и определения интервала  времени, на котором устанавливается  тепловое равновесие (рис.1.136). Именно на протяжении этого интервала термометр, по определению, указывает температуру  влажного воздуха. 

 

Рис. 1.13. Психрометр для измерения влажности при высокой температуре ( материалы фирмы Inotechnique – Richard & Pekly). 
а – конструкция; б – определение интервалов времени, необходимого для достижения теплового равновесия:

1–стенка трубы; 2–инжекторы; 3–влажный датчик; 4–сухой датчик; 5–пористое тело; 6–съемный чехол; 7–соединительная муфта. 

 

ГРАДУИРОВКА

Методы  градуировки с помощью гравиметрического  банка

Метод состоит в разделении определенной массы влажного воздуха  с помощью системы обезвоживания  на сухой воздух и водяной пар  при измерении по отдельности  массы собранной воды m_п и массы сухого воздуха m_a. Таким образом, непосредственно получают массовое отношение влаги φ для влажного воздуха.