Приборы для измерения влажности газа реферат

Обновлено: 05.07.2024

Измерение влажности веществ в химической промышленности необходимо для определения содержания влаги в газах, твердых или сыпучих материалах.

Так для управления влаготепловым режимом в печах, камерах и других технологических аппаратах необходимо контролировать текущее значение влажности воздуха или газов.

В химической технологии и других отраслях промышленности можно выделить процесс сушки, основанный на изменении влажности, который немыслим без измерений текущих значений влагосодержания продуктов. Это энергозатратных технологический процесс, на который расходуется до 15% топлива потребляемого в стране, например, удаление влаги из минеральных удобрений перед фасовкой в герметические пакеты, сушка цемента и других целевых продуктов.

1. Измерение влажности газов

Трудно назвать область деятельности человека, где бы не требовалось измерять содержание влаги в газах. Самый близкий для нас процесс, это удаление влаги из воздуха, предназначенного для использования в системах пневматической автоматики в нефтехимии и химической промышленности.

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

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

Влагосодержание α - 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 давление ℓ – 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 влажность φ – 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.

Основными методами для измерения влажности газов являются следующие:

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 зависимость 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.

Этот список можно продолжить, но для нас особый интерес представляют три первых метода, которые мы рассмотрим более подробно.

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 - упругость водяного пара в измеряемой среде;

Eм – максимально возможная упругость пара при температуре tм;

Р – атмосферное давление;

А – психометрический коэффициент

tc и tм – показания “сухого” и “мокрого” термометров.

Психометрический коэффициент А 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, очевидно, имеет скорость воздуха. С возрастанием скорости воздуха А быстро убывает, но при скоростях более 2.5-3 м/сек он практически становится постоянным. Поэтому при использовании промышленных психрометров необходимо предусматривать постоянную скорость потока не ниже 3-4 м/сек.

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.

Принципиальная схема измерительной цепи психрометра показана на рис. 1 и состоит их двух мостов, имеющих одну общую точку и самостоятельные источники питания (U₁ и U₂).

Рис. 1. Принципиальная схема психрометра

Мост I содержит в качестве плеча “сухой” ТС - R_с, а мост II содержит “мокрый” ТС – R_м. В диагональ моста I включён реохорд R_р, а на выход указателя нуля H подаётся разность выходного напряжения U_м моста II и напряжения U_р между началом реохорда R_р и его движком. При соответствующём подборе постоянных сопротивлений, входящих в мосты I и II, можно записать:

недостатком является то, что показания психрометров зависят от скорости воздуха или газов.

Метод точки росы

Таким образом, шкала реохорда может быть отградуирована в процентах относительно влажности. Большим недостатком психрометров с использованием “сухого” и “влажного” термометров является невозможность применения их при температуре ниже точки замерзания воды. В некоторых специальных случаях применяются жидкости, имеющие точку замерзания ниже точки замерзания воды, однако, при этом значительно снижается точность измерения. Другим существенным недостатком является зависимость показаний психрометров от скорости воздуха или газа.

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 E_τ упругость насыщенного пара при температуре τ, а E_θ
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. 2.

Рис. 2. 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.

Влажность газа является одним из основных параметров при добыче, транспортировке и переработке природного (или попутного нефтяного) газа. Надежное и точное измерение этого параметра требуется на всех этапах - от скважины до газоперерабатывающего завода, и существенно влияет на экономичность и эффективность процессов.

Задачи измерения влажности можно разделить на три большие группы по различным процессам газовой промышленности, а именно:

- в процессах осушки газа на месторождениях и газоперерабатывающих заводов;

- при транспортировке газа;

- в коммерческом учете газа.

Осушка газа на месторождениях и газоперерабатывающих заводах

Газ, поступающий из скважины, как правило, насыщен водой. Поэтому, еще до перекачки он должен быть осушен до определенного уровня во избежание коррозии трубопроводов и образования гидратов, разрушающих арматуру и другие элементы трубопроводной системы (см. рис. 1). К тому же перекачка воды на тысячи километров просто убыточна.

Рис. 1. Образование гидратов в газопроводе.
Наиболее распространенным способом осушки на установках подготовки газа до настоящего времени остается поглощение воды ди- или триэтиленгликолем. Это обеспечивает осушку газа до уровня порядка 100 – 200 ppm (-20…-15ºС в единицах температуры точки росы при 40 бар, соответственно), что достаточно для решения проблем транспортировки газа по магистральным газопроводам.

Осушка требует больших затрат энергии, поэтому необходимо автоматическое поддержание влажности газа в заданных пределах. Таким образом, анализатор влажности становится основным прибором, управляющим процессом осушки. Типичная схема процесса, а также место установки анализатора, приведены на рис. 2.

Рис.2. Установка дегидратации диэтиленгликолем
Главной проблемой измерения на таких установках является наличие в газе диэтиленгликоля (ДЭГ), уносимого потоком. Хотя концентрация паров ДЭГ невелика, но анализатор непрерывно находится под их воздействием. Это может влиять на показания большинства промышленных анализаторов влажности.

При транспортировке газа под высоким давлением и низкой температуре окружающей среды (например, для подводных газопроводов) необходима гораздо более глубокая осушка природного газа - менее -40ºС в единицах температуры точки росы. Обычно это осуществляется с помощью молекулярных сит или цеолитов. Типичной задачей автоматического регулирования при этом является управление временем переключения осушающих барабанов. Поскольку процесс регенерации осушителя также энергоемкий, то переключение с осушки на регенерацию по показаниям анализатора, а не по среднему расчетному времени, позволяет значительно улучшить экономичность процесса.

Так, анализаторы на основе охлаждаемого зеркала (см. далее) сложно использовать в диапазоне ниже -40ºС. Другие типы анализаторов не измеряют температуру точки росы непосредственно, и для показаний в этих единицах используют пересчет по таблицам ГОСТ 20060-83 или ASTM 1492. Однако, эти таблицы ограничены снизу значением -40ºС, ниже которого какие-либо нормированные алгоритмы пересчета отсутствуют.

К этой задаче примыкает также измерение влажности на установках газоразделения методом глубокого охлаждения (иначе называемых турбоэкспандерами). На этих установках происходит выделение непредельных углеводородов: этилена, пропилена, - стоимость которых как химического сырья во много раз выше стоимости природного газа. Для эффективной и безопасной работы такой установки необходима фантастически низкая влажность газа – менее 100 ppb. Измерение столь низких значений влажности возможно только с помощью специальных анализаторов и систем пробоотбора.

Методы измерения влажности воздуха и газа

В настоящее время наибольшее распространение в промышленных приборах получили следующие методы измерения влажности газов и воздуха : психрометрический, точки росы, сорбционный и оптический.

Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным находящейся в нем влагой. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара

на зеркальной поверхности, температура которой может устанавливаться любой в интервале температур работы влагомера.

Сорбционный метод основан на связи физических свойств гигроскопических веществ с количеством поглощенной ими влаги, зависящей от влажности анализируемого газа.

Оптический метод основан на измерении ослабления инфракрасного (ИК) излучения за счет его поглощения парами воды.

Психрометрический метод . В психрометрическом методе используется зависимость между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:

р н.м – р = Ар б (t c – t m ) (1)

где р — парциальное давление пара в парогазовой смеси; р н.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра t m ; р б — барометрическое давление; А — психрометрическая постоянная; t c — температура сухого термометра.

Относительная влажность φ может быть определена из (1) следующим образом:

φ = р/р н.с 100 = 100[р н.м - Ар б (t c – t m )]/ р н.с (2)

где р н.с , р н.м — парциальное давление насыщенного пара при температурах t c и t m .

В связи с тем, что р н.с и р н.м , однозначно определяются t c и t m , то при А = const, можно получить зависимость

φ = f(t c – t m ,t c ) (3)

По этой зависимости можно составить психрометрические таблицы. Таблицы могут быть различными для разных конструкций мокрого термометра. Психрометрическая постоянная А определяется условиями теплоотвода от термометра через фитиль в окружающую среду (размерами и формой резервуара или гильзы термометра, теплопроводностью гильзы и ткани фитиля, смоченностью ткани и другими факторами), поэтому практически для каждой новой конструкции А будет отличным от других. Для обеспечения постоянства А для каждой конструкции обеспечивают такой режим обдува мокрого термометра (как правило, V ≥ 3 м/с), при котором А = const. Зависимость (3) может быть аппроксимирована семейством прямых φ = const в координатах t m ,t c . Полагая, что прямые φ = const пересекаются в одной точке с координатами t a ,t b (рис. 1), можно считать,

φ = f(t m – t a )/(t c - t b ) (4)

1 - 5 - φ = 100 %; 80; 60; 40; 20

Рис. 2. Принципиальная схема психрометра с термопреобразователями сопротивления

Принципиальная измерительная схема психрометра с преобразователями сопротивления представлена на рис. 2. При соответствующем подборе плеч мостов можно считать, что Uab = k 1 (t m – t a ) и Ucd = k 2 (t c - t b ). В момент компенсации Uab = Uef = mUcd, где m — относительное положение движка реохорда, тогда

m = k 1 (t m – t a )/ [k 2 (t c - t b )] (5)

Шкала психрометра градуируется в процентах относительной влажности. Возможны различные модификации этой схемы, но, как правило, принцип действия остается неизменным.

Преимущества психрометрического метода — достаточно высокая точность и чувствительность при температурах выше 0 °С. К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с непостоянством психрометрической постоянной А.

Метод точки росы . По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод один из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров, основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало, обдуваемое анализируемым газом. Зеркало необходимо охлаждать, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся

в анализируемом газе. Одновременно фиксируется температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).

Для технических измерений разработаны автоматические влагомеры точки росы. Одна из схем такого влагомера представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема влагомера точки росы :

1 — канал; 2 — камера; 3 — зеркальная поверхность; 4 — источник измерения; 5 — оптрон; 6 — термобатарея; 7 — термопара

При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации (выпадения росы) зависит от метода фиксации (оптический, кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы может зависеть от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. Например, наличие жира или нефтепродуктов на поверхности конденсации существенно занижает температуру точки росы. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы вызывают коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.

Сорбционные влагомеры . В сорбционных влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике технических измерений

получили распространение следующие разновидности сорбционных преобразователей: электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные.

В электролитических гигрометрах измерительный преобразователь включает влагочувствительный элемент, содержащий электролит. Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что приводит к изменению концентрации электролита во влагочувствительном элементе и соответствующему изменению его сопротивления или емкости. В качестве электролита чаще всего применяют хлористый литий. Измерительные схемы электролитических гигрометров представляют собой различные варианты мостовых измерительных схем. К недостаткам электролитических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества на их показания.

Электролитические преобразователи с подогревом по своему устройству близки к электролитическим преобразователям. Однако их принцип действия отличается. Изменение электропроводности преобразователя вследствие изменения влажности газа вызывает изменение температуры преобразователя. Если влажность газа увеличивается, то электропроводность преобразователя увеличивается, что приводит к возрастанию тока, увеличению температуры преобразователя и испарению влаги из преобразователя. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению электропроводности, тока и температуры преобразователя.

Таким образом, автоматически поддерживается режим, соответствующий равновесному состоянию между парциальным давлением паров воды в анализируемом газе и парциальным давлением пара над насыщенным раствором электролита. Температура, соответствующая этому равновесию, измеряется каким-либо термопреобразователем. Электролитические гигрометры с подогревом относительно просты и надежны. Их характеристики практически не зависят от запыленности или загрязнения, скорости измеряемого газа, его давления и напряжения питания.

В кулонометрических преобразователях влажность газа определяют по количеству электричества, затраченного на электролиз влаги, которая поглощается частично гидротированным пентаоксидом фосфора. Измерительный преобразователь в этих приборах состоит из пластмассового корпуса, во внутреннем канале которого расположены два электрода в виде несоприкасающихся спиралей. Пространство между электродами заполнено частично гидратированным пентаоксидом фосфора, являющимся хорошим осушителем. Влага газа, соединяясь с гигроскопическим веществом, образует раствор фосфорной кислоты с большой удельной проводимостью. Подключенное к электродам постоянное напряжение вызывает электролиз поглощенной влаги. Количество поглощенной и разложенной воды при постоянном расходе газа одинаково и определяется концентрацией влаги в анализируемом газе.

Преимуществом кулонометрических гигрометров является независимость их показаний от напряжения питания и состава газа. Загрязнения сорбента практически не влияют на показания прибора, метод не требует градуировки на эталонных смесях и хорош для измерения микроконцентраций влаги в газах.

К недостаткам метода относится необходимость исключения паров и газов, имеющих щелочную реакцию (аммиак, амины). Их присутствие выводит из строя чувствительный элемент. На показания существенно влияют пары спиртов, которые гидролизуются на пентаоксиде фосфора с образованием воды.

В пьезосорбционных гигрометрах используется зависимость частоты собственных колебаний кварцевого резонатора от массы влаги, поглощенной сорбентом, нанесенным на поверхность кварцевой пластины.

Метрологические характеристики пьезосорбционных гигрометров определяются материалом сорбента и технологией его нанесения на поверхность кварцевой пластины. Применение в качестве сорбентов силикагеля, цеолитов, сульфированного полистирола позволяет использовать пьезосорбционный метод для измерения микроконцентраций влаги в газах. Конструкция чувствительного элемента прибора достаточно проста.

Пьезосорбционные гигрометры требуют градуировки по газовым смесям с известной влажностью. Возможны дополнительные погрешности за счет сорбирования помимо влаги других примесей анализируемого газа. Пьезосорбционные гигрометры применяются в химической промышленности и при испытаниях материалов и изделий в термобарокамерах.?

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30 °С в Сибири, где зимой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0 °С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно. (Естественно, что здесь учитываются только климатические факторы и не рассматриваются экономические, культурные и политические). Работа многих также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20–25 °С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях, правда, здесь существуют исключения: например, в производственных комнатах Класса А влажность должна быть 38%, а в больничных операционных – 60%. Влага входит в состав большинства выпускаемых изделий и материалов. Можно сказать, что большую часть валового национального продукта любой страны составляет вода.

Для измерения влажности используются приборы, называемые гигрометрами.

Первый гигрометр был создан Джоном Лесли A760–1832. Чувствительный элемент гигрометра должен избирательно реагировать на изменение концентрации воды. Его реакцией может быть изменение внутренних свойств. Датчики для измерения влажности и температуры точки росы бывают емкостными, электропроводными, вибрационными и оптическими. Оптические газовые датчики определяют точку росы, в то время как оптические гигрометры измеряют содержание воды в органических растворах по поглощению излучения ближнего ИК диапазона в интервале 1.9…2.7 мкм.

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются разные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м3). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ррт). Приведу несколько полезных определений:

1 Влагомер ( ): измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности твердых или жидких веществ.2 Гигрометр ( , ): измерительный прибор, предназначенный для измерения одной или нескольких величин влажности газов.3 Гигрограф: регистрирующий измерительный прибор, предназначенный для непрерывной записи значений величин влажности газов.4 Датчик влажности; датчик: первичный измерительный преобразователь величин влажности в другие физические величины, например в электрические.5 Гравиметрический метод: метод косвенного измерения величин влажности, заключающийся в выделении влаги из вещества и раздельном измерении массы влажного вещества и его сухой части либо выделенной влаги.6 Испарительно-гравиметрический метод; метод высушивания: гравиметрический метод измерения влажности твердых веществ, основанный на испарительном способе удаления влаги из вещества.7 Термогравиметрический метод; тепловой метод ( ): метод высушивания, основанный на удалении влаги из вещества путем его нагревания.8 Вакуумно-гравиметрический метод; вакуумный метод: метод высушивания, основанный на вакуумном способе удаления влаги из вещества.9 Вакуумно-тепловой метод: метод высушивания, основанный на одновременном применении теплового и вакуумного способов удаления влаги из вещества.10 Сорбционно-гравиметрический метод: гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на сорбционном способе выделения влаги из газов.11 Конденсационно-гравиметрический метод: гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на конденсационном способе выделения влаги из газов.12 Кулонометрический метод: метод косвенного измерения влажности газов, основанный на сорбционном способе выделения влаги из газа и последующем измерении количества электричества, необходимого для электролитического разложения этой влаги.13 Психрометрический метод: метод косвенного измерения влажности газов, основанный на зависимости понижения температуры (охлаждения) смоченного твердого тела от влажности окружающего газа.14 Психрометр: устройство для реализации психрометрического метода измерения, содержащее сухой и смоченный термометры.15 Аспирационный психрометр: психрометр, снабженный аспиратором – устройством для обдувания термометров анализируемым газом.16 Психрометрическая формула: математическое уравнение, выражающее зависимость какой-либо величины влажности газа от разности температур сухого и смоченного термометров17 Психрометрический коэффициент: коэффициент в психрометрической формуле, зависящий от конструкции психрометра и скорости обдува термометров.18 Психрометрический гигрометр: гигрометр, принцип действия которого основан на психрометрическом методе измерения, автоматическом вычислении величины влажности и представлении ее значения на отсчетном устройстве.19 Конденсационный метод: метод измерения точки росы [инея], заключающийся в охлаждении газа до температуры выпадения конденсата (росы или инея) и измерении этой температуры.20 Равновесный метод: метод косвенного измерения влажности твердых веществ, заключающийся в измерении влажности газа, находящегося в гигротермическом равновесии с этими веществами.21 Диэлькометрический метод: метод косвенного измерения влажности веществ, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости этих веществ от их влажности.22 Метод Фишера: химический метод измерения влажности твердых и жидких веществ заключающийся в экстрагировании влаги из пробы вещества растворителем и последующем титровании ее специальным раствором Фишера.23 Оптические методы: методы косвенного измерения влажности газов, основанные на зависимости их оптических свойств от влажности.24 Нейтронный метод: метод измерения влажности твердых веществ, заключающийся в замедлении быстрых нейтронов на ядрах водорода (протонах) и измерении интенсивности потока образующихся медленных нейтронов.25 Деформационный гигрометр [датчик влажности]: гигрометр [датчик], принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента от влажности газа.26 Волосяной гигрометр [датчик влажности]: деформационный гигрометр [датчик], в котором в качестве чувствительного элемента использован волос, например человеческий.36 Пленочный гигрометр [датчик влажности] ( ): деформационный гигрометр [датчик], в котором в качестве чувствительного элемента использована влагочувствительная пленка, например животного происхождения.37 Резистивный влагомер [гигрометр, датчик влажности]: влагомер [гигрометр, датчик], принцип действия которого основан на зависимости электрического сопротивления чувствительного элемента от влажности вещества38 Емкостный влагомер [гигрометр, датчик влажности]: влагомер [гигрометр, датчик], принцип действия которого основан на зависимости электрической емкости чувствительного элемента от влажности вещества.39 Электролитический гигрометр [датчик влажности газа]: резистивный гигрометр [датчик влажности газа], в котором в качестве чувствительного элемента использована пленка раствора соли.40 Электролитический подогревный гигрометр точки росы [датчик точки росы]; подогревный гигрометр [датчик]: электролитический гигрометр [датчик влажности газа] с подогревом, вследствие которого сопротивление чувствительного элемента поддерживается на постоянном уровне, а температура равновесия служит мерой точки росы окружающего газа.41 Пьезосорбционный гигрометр [датчик влажности газа]: гигрометр [датчик влажности], принцип действия которого основан на зависимости частоты колебаний или добротности пьезоэлектрического резонатора, покрытого влагосорбирующим слоем, от влажности окружающего газа.42 Нейтронный влагомер: влагомер твердых веществ, принцип действия которого основан на нейтронном методе измерения.

В воздухе всегда содержится определенное количество влаги в виде водяного пара. Там, где наличие водяного пара приводит к возникновению химических, физических и биологических процессов или оказывает влияние на эти процессы, большое значение имеет постоянный контроль за влажностью воздуха. Для определения количества влаги имеются две измерительные величины. Различают абсолютную и относительную влажность.

Абсолютная влажность (точка насыщения)

Абсолютная влажность Fabs показывает такое количество водяного пара, которое содержится в определенном обьеме воздуха.

Воздух, как смесь газа и пара, всегда содержит водяной пар. Водяной пар создает определенное давление, которое называют давлением водяного пара. Оно является частью всего барометрического давления газа.

Давление водяного пара и соответственно абсолютная влажность воздуха могут повышаться при определенной температуре только до предела насыщения. Это максимально возможное давление называют давлением насыщения. Температурная зависимость давления насыщения изображается кривой давления водяного пара.

Давление окружающей среды или наличие других газов не оказывает влияния на кривую давлений водяного пара. Влажность насыщения достигается максимальным количеством водяного пара, смотри диаграмму.

При дальнейшем поступлении водяного пара образуется конденсация. Избыточное количество водяного пара проявляется в виде дождя, тумана или конденсата. Насыщенное состояние при этом сохраняется. Если насыщенный теплый воздух охлаждается, то также происходит конденсация. Теперь охлажденный воздух будет впитывать меньше влаги. Температура, при которой это происходит, называется температурой точки насыщения. Она указывается в °С. С помощью точки насыщения можно установить давление водяного пара влажного воздуха по кривой давления водяного пара. Итак, точка насыщения является единицей измерения количества воды во влажном воздухе. Величина абсолютной влажности воздуха подбирается в зависимости от данных расчетных требований. Различные размерности имеют постоянное соотношение друг с другом, смотри диаграмму.

Относительная влажность воздуха это отношение фактически имеющейся, т.е. абсолютной влажности воздуха Fabs к максимально возможной влажности воздуха Fsat при данной температуре. Относительная влажность воздуха представляет собой безразмерную величину. Она является передаточным числом и указывается в%.

При высокой температуре воздух может поглощать больше влаги чем при низкой. Максимальная влажность, которую может поглотить воздух, называется влажностью насыщения. До насыщения давление водяного пара и следовательно относительная влажность пропорциональна всему барометрическому давлению. Так как давление насыщения зависит только от температуры, относительная влажность воздуха также зависит от температуры. Относительная влажность уменьшается, если температура повышается и наоборот. Влияние колебаний температуры на относительную влажность может быть значительным.

Зависимости давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда от температуры, полученные теоретически на основании уравнения Клаузиуса – Клапейрона и сверенные с экспериментальными данными многих исследователей, рекомендованы для метеорологической практики Всемирной метеорологической организацией (ВМО):

ln psw = -6094,4692T-1 + 21,1249952 – 0,027245552 T + 0,000016853396T2 + 2,4575506 ln T

ln psi = -5504,4088T-1 – 3,5704628 – 0,017337458T + 0,0000065204209T2 + 6,1295027 ln T,

где psw и psi – давление насыщенного пара над плоской поверхностью воды и льда соответственно (Па);

Т – температура (К).

Приведенные формулы справедливы для температур от 0 до 100ºC (для psw) и от -0 до -100ºC (для psi). В то же время ВМО рекомендует первую формулу и для отрицательных температур для переохлажденной воды (до -50ºC).

2. Методы и средства измерения влажности

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т.д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

Влагосодержание – величины и единицы, выражающие реальное количество влаги в веществе. Основной характеристикой влагосодержания является абсолютная влажность, определяемая как количество влаги в единице объема:

(1)

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

(2)

где Т – абсолютная температура, n₀ – постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см 3 при нормальных условиях, т.е. при p₀ = 760 Торр= 1015 Гпа и T₀ = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т.е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%. Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т. к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Влагосостояние – процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

(3)

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

(4)

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в табл. 1.

Читайте также: