Измерение содержания влаги. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Для характеристики влажности в воздухе или газах, т. е. содержания в них водяных паров, используются ряд величин:

Абсолютная влажностьQ – масса водяного пара, содержащаяся в единице объёма газа – влажного или сухого.

Влагосодержаниеα - отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объёме. Выражается в г/кг или кг/кг.

Объёмное влагосодержание x – отношение объёма водяного пара к объёму газа. Эта безвременная величина выражается по отношению к объёму сухого или влажного газа.

Парциальное давлениеℓ – упругость водяного пара. Выражается в единицах давления, чаще всего в мм.рт.ст.

Температура точки росы τ – температура, которую примет влажный газ, если охладить его до полного насыщения по отношению к плоской поверхности воды.

Относительная влажностьφ – отношение действительной влажности газа к максимально возможной влажности газа при данной температуре. Относительная влажность выражается либо в относительных единицах – φ ≤ 1 либо в процентах φ ≤ 100%.

φ = ℓ / Е или φ = 100·ℓ / Е,

где ℓ – упругость водяного пара, находящегося в воздухе;

Е – упругость насыщенного водяного пара при данной температуре.

Для характеристики содержания влаги в твердых и сыпучих телах используют следующие параметры:

Влажность ..

Влагосодержание , где а – масса влажного материала, b – масса сухого материала.

.                               .

Приборы, используемые для измерения влажности, называются влагомерами и гигрометрами.

Основными методами для измерения влажности газов являются следующие:

1. Психрометрический метод, который основан на измерении температуры двух термометров – «сухого» и «влажного». Разность между ними – является основой для определения влажности газов.

2. Точки росы, заключается в определении температуры, при которой газ находится в состоянии насыщения, т. е. происходит конденсация водяных паров.

3. Сорбционный метод, основан на применении гигроскопических тел, способных изменяться в зависимости от поглощенной влаги.

4. Полного поглощения, которое заключается в пропускании через определенное вещество заданного объема газа, при этом вещество должно поглотить водяной пар и измерить свои свойства. Известны две разновидности этого метода – весовой и химический.

При весовом способе, влагосодержание определяется по приросту веса сорбента, поглощающего воду. А в химическом – влага, содержащаяся в исследуемого газа, вступает в химическую реакцию. Например, с карбидом кальция, при этом выделяется некоторое количество газа или повышается температура.

Названные выше методы измерения влажности являются прямыми или абсолютными, обладают высокой точностью измерений и используются в лабораторных исследованиях и в качестве эталонных приборов для градуировки различных средств контрольно-измерительных приборов, фиксирующих текущее влагосодержание газов.

5. Конденсационный метод, заключающийся в том, что газ охлаждают в холодильнике до полной конденсации влаги, которую затем измеряют, он также является абсолютными, но требует более трудоемких операций недопустимых, например, при выполнении градуировки приборов.

6. Тепловой метод, использует эффект, различной теплопроводимости сухих и влажных газов.

7. Радиационный метод, базируется на зависимости степени поглощения инфракрасного излучения, проходящего через объем газа и зависящего от его влажности.

8. Емкостной метод, основан на принципах работы конденсатора, если между его обкладками отсутствует влага, то значение емкости значительно больше, чем в том случае, когда в газе между пластинами конденсатора находится влажный газ.

9. Кондуктометрический метод, используется зависимость влажности газа от его электропроводности, с повышением влажности увеличивается электропроводность газов.

Рассмотрим некоторые из них.

Психрометрический метод.

В основу метода положено измерение температуры среды, влажность которой требуется определить при помощи двух термометров, один из которых применяется в обычных условиях – его называют «сухим», а другой, так называемый «мокрый», смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Испарение с «мокрого» происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность измеряемого газа, а, следовательно, его температура будет ниже, чем у «сухого». По разности температуры «сухого» и «мокрого» термометров судят о влажности воздуха или газа. Для определения величины влажности служит полуимперическая формула:

ℓ = E_м-А·Р·(t_с-t_м) ,                                                  (1)

где ℓ - упругость водяного пара в измеряемой среде;

E_м – максимально возможная упругость пара при температуре tм;

Р – атмосферное давление;

А – психометрический коэффициент

t_с и t_м – показания «сухого» и «мокрого» термометров.

Психометрический коэффициентА зависит от очень многих факторов, в том числе от размеров и формы чувствительного элемента, состояния смачивающего фитиля защиты термометров от радиации и т.п. и определяется по специальным психометрическим таблицам, составляемых для определённых конструкций психрометров.

Особое значение имеет скорость воздуха. С возрастанием скорости воздухаА быстро убывает, но при скоростях более 2,5-3 м/с он практически становится постоянным. Поэтому при использовании промышленных психрометров необходимо предусматривать постоянную скорость потока не ниже 3-4 м/с.

Простейшим, однако, наиболее распространённым, является психрометр, состоящий из 2-х одинаковых ртутных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров обмотан тканью, конец которого находится в резервуаре с водой. Таким образом, баллончик этого термометра всегда мокрый, а следовательно его температура всегда ниже чем соседнего с ним «сухого» термометра.

Принципиально электрические психрометры не отличаются от простейших, за исключением того, что в датчиках электрических психрометров для определения температуры применяются термопары, металлические термометры сопротивления или полупроводниковые термосопротивления (ТС).

Термоэлектрические датчики изготовляются в виде термобатарей, разделённых на две группы. Одна их этих групп смачивается водой. ЭДС, измеряемая на выводах термобатареи, пропорциональна психрометрической разности температур.

Метод точки росы.

Метод точки росы, ранее применяющийся исключительно как лабораторный, с развитием автоматизации стал одним из основных методов контроля влажности воздуха и газов, особенно при минусовых температурах и при любых давлениях. При этом методе испытуемый газ охлаждается до наступления состояния насыщения, т.е. до точки росы.

Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа θ_г, легко определить его относительную влажность:

где - упругость насыщенного пара при температуре τ, а  - упругость насыщенного пара при температуре θ_г.

При неизменном давлении точка росы не зависит от температуры исследуемого газа. Благодаря этому имеется возможность устанавливать датчик вне исследуемой среды на значительном расстоянии и подводить к нему газ по газопроводу.

Само измерение точки росы сводится к измерению температуры, техника измерений температуры наиболее хорошо разработана, а точно достаточно высока. Для определения момента наступления точки росы обычно используется металлическое охлаждаемое зеркало, температура которого в момент выпадения на нём конденсата фиксируется как точка росы. При этом поверхность зеркала должна быть обезжирена и очищена от пыли. Фиксация точки росы происходит в автоматических приборах с помощью фотоэлементов или измерением электрического сопротивления поверхностного слоя зеркала. Схема одного из типов приборов, основанных на использовании метода точки росы, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема прибора, использующая метод точки росы.

Зеркалом является полированная поверхность полого цилиндра, через который протекает охлаждающая жидкость. Температура её регулируется подогревателем. Фотоэлемент (ФЭ) освещается отражённым от зеркальной поверхности световым потоком, постоянным источником которого является лампа накаливания. Вторичным прибором чаще всего служит прибор с падающей душкой. Когда появляется туман на зеркале, ФЭ подаёт сигнал, душка падает и прижимает стрелку к показывающей шкале прибора.

Сорбционный метод.

В основу сорбционного метода измерения влажности положена способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать (поглощать) влагу на поверхности пор.

Электрические сорбционные датчикис пористыми диэлектриками основаны на использовании изменении их электрических свойств при адсорбции влаги на внутренней поверхности пор.

Одной из распространённых конструкций этих датчиков являются датчики с чувствительным элементом, выполненным из микропористого эбонита с напылёнными металлическими электродами. Сопротивление таких датчиков изменяется в зависимости от влажности окружающего газа. Для увеличения чувствительности эбонит иногда пропитывают хлористым литием. Широкое распространение получили датчики с оксидными плёнками из алюминия.

Электрические гигрометрические датчики.

ЭГД изменяют свои электрические свойства в зависимости от изменения влажности воздуха или газов. Выходной величиной ЭГД является тот или иной электрический параметр влагочувствительного элемента, зависящий от влажности окружающей среды.

Широкое применение получили ЭГД, основанные на применении хлористого лития (LiCl), который представляет собой очень гигроскопическую соль. Эти датчики получили распространение под названием электролитические ЭГД.