Средства измерения влажности газа

Для измерения влажности воздуха применяют приборы, называемые гигрометрами . В климатических испытательных камерах для измерения и автоматического регулирования влажности воздуха находят наибольшее применение следующие методы: психрометрический, точки росы и сорбционный.

Психрометрический метод основан на определении разности температур, измеренных двумя термометрами: «сухим», измеряющим температуру воздуха ( t_с ), и «мокрым», измеряющим температуру тела, с поверхности которого происходит испарение воды (t_м ), т. е. находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой.

Пользуясь полуэмпирической психрометрической формулой, можно определить относительную влажность

(2.4-8.59.)

где Е_м – максимально возможная упругость водяного пара при температуре t_м; Е – максимальная упругость водяного пара при температуре t_с: А – психрометрический коэффициент; р – атмосферное давление.

По показаниям сухого и мокрого термометров с помощью психрометрических таблиц или диаграмм, составленных для определенных конструкций психрометров, можно определить относительную влажность φ. Психрометрический коэффициент – А зависит от размера и формы чувствительного элемента, вида и состояния смачиваемой поверхности тела, теплопроводности его защитной оболочки и ее защиты от радиации.

Существенное влияние на работу психрометра оказывает скорость циркуляции воздуха. При увеличении скорости воздушного потока усиливается испарение и уменьшается искажающее влияние теплового потока в тепловом балансе. В связи с этим в конструкции психрометра предусмотрена принудительная циркуляция воздуха. В аспирационном психрометре жидкостные термометры обдуваются с помощью аспиратора (вентилятора) потоком исследуемого воздуха с постоянной скоростью 2м/с. При этом они защищены от теплового воздействия прямых солнечных лучей. Коэффициент А =79, 47*10 ^–5 г/градус для скорости воздуха 2...2.5 м/с. С уменьшением скорости коэффициент А несколько увеличивается и может быть принят равным 10 ^-3 г/градус.

Суммарная статическая погрешность измерения φ зависит от погрешностей измерения температур t_c, t_м атмосферного давления р, а также от факторов, влияющих на значение коэффициента А. Погрешности, обусловленные скоростью воздушного потока, уменьшаются при использовании вместо жидкостных (т.н. ртутно-стеклянных) термометров миниатюрных термодатчиков - терморезисторов, так как скорость циркуляции при этом может быть снижена.

К достоинствам психрометрического метода можно отнести: достаточно высокую точность измерений, относительно небольшую инерционность (постоянная времени электронного психрометра с терморезисторами 1...3 мин). Недостатками метода являются: возможность измерений в ограниченном температурном диапазоне, особенно в области значений, близких к 0°С; зависимость результатов измерений от скорости циркуляции воздуха и атмосферного давления. Для измерений при отрицательных температурах смачивание мокрого термометра рекомендуется производить 3%-ным водным раствором формальдегида. В области повышенных температур психрометрический метод ограничен +100°С.

Метод точки росы основан на определении температуры, до которой необходимо охладить ненасыщенный водяной пар для доведения его до состояния насыщения, характеризуемого точкой росы. Температура точки росы определяется по началу конденсации водяного пара на плоской поверхности твердого тела (металлического зеркальца), охлаждаемой в атмосфере влажного воздуха. При измерении температуры зеркальца возможно возникновение погрешности, вызванной его тепловой инерцией и скоростью циркуляции воздуха. Сложность конструкции гигрометров точки росы, связанная с необходимостью применения охлаждающего устройства, практически исключает его использование в камерах влажности.

Сорбционные методы , получившие практическое применение, основаны на применении гигроскопических тел, изменяющих свои свойства в функции количества поглощенной влаги. В зависимости от материала, использованного для построения влагочувствительного элемента и соответственно параметра, изменяющегося под действием влаги, различают деформационные, электрические, массовые, цветовые и другие сорбционные гигрометры.

В деформационных гигрометрах используются свойства некоторых гигроскопических материалов изменять свои линейные размеры в функции влажности воздуха.

Наиболее широкое применение в камерах влажности получили электрические гигрометры и, в частности, электролитические подогревные гигрометры . Электролитический подогревной датчик (рисунок 2.4-8.47.) представляет собой металлическую гильзу 1 (каркас), покрытую изоляционным материалом, на которую надет чулочек 2 из стекловолокна, пропитанный водным раствором соли хлористого лития. Поверх чулочка находятся проволочные электроды 3, представляющие собой бифилярную обмотку, закороченную на конце. По обмотке проходит электрический ток, вызывающий ее нагрев. Так как солевой раствор хлористого лития проводит электрический ток, то проволочные электроды замыкаются раствором соли хлористого лития, в результате их активное сопротивление уменьшается, а нагрев током увеличивается. При этом вода, содержащаяся в растворе соли, испаряется, сопротивление раствора увеличивается и нагрев уменьшается. Испарение способствует охлаждению элемента и вследствие гигроскопичности соли хлористого лития увеличению поглощения влаги из окружающей среды.

После ряда колебаний температуры система приходит к установившемуся режиму, характеризуемому полным расходом подводимой энергии на испарение воды из солевого раствора. Таким образом, относительная влажность окружающей среды определяет сопротивление солевого раствора хлористого лития, от которого зависит нагрев чувствительного элемента. Равновесное состояние наступает при температуре точки росы, измеряемой малоинерционным терморезистором 4 , находящимся в гильзе.

Следует отметить, что минимальное измеряемое значение относительной влажности, при котором еще возможно установление равновесного состояния, равно 13%. Следовательно, энергия электрического тока, преобразуемая в теплоту, равна энергии, необходимой для поддержания той температуры, при которой парциальное давление пара над насыщенным раствором хлористого лития равно парциальному давлению пара в атмосфере.

Рабочая область электролитического гигрометра определяется зависимостью максимальной упругости Е водяного пара над плоской поверхностью воды от температуры (рисунок 2.4-8.48.). В соответствии с законом Рауля кривая 1 давления водяного пара проходит выше кривой 2 кристаллизации LiCl, которая имеет ряд изломов при определенных температурах, вызванных образованием гидратов соли: ниже - 16, 5°С образуется LiCl-3Н ₂ О, в диапазоне -16, 5…+19, 1°С образуется LiCl_·2Н ₂ О и в диапазоне +19, 1…93, 6°С образуется LiCI·H₂О. Насыщенный солевой раствор, при условии, что его давление ниже парциального давления водяного пара, поглощает пар. Равенства давлений без изменения концентрации раствора можно достичь путем повышения температуры раствора.

В случае, когда давление пара более низкое, чем давление пара над поверхностью LiCI, равновесие достигается понижением температуры раствора.

В обоих случаях температура, соответствующая равновесию («равновесная температура»), т. е. переходу системы в состояние, характеризующееся сосуществованием твердой соли, насыщенного раствора и пара, однозначно определяет значение давления водяного пара, содержащегося в окружающей среде. Из рассмотрения кривых (см. рисунок 2.4-8.48.) и высказанных соображений следует, что достижение равновесия повышением температуры раствора возможно только для температур и давлений, находящихся в области между кривыми 1 и 2.

Пользуясь приведенной характеристикой, можно определить упругость водяного пара (абсолютную влажность), а также относительную влажность. Так, например, равновесной температуре t_р=+48°С (точка А на кривой 2) соответствует температура точки росы t=+9, 3°С, определяемая точкой В по кривой 1, и упругость водяного пара 1, 2 кПа. Зная температуру воздуха окружающей среды и равновесную температуру, пользуясь специальными таблицами, можно определить относительную влажность.

Анализ свойств электролитических подогревных гигрометров показывает, что их можно использовать для измерения относительной влажности в пределах 13...100% в интервале температур 15...50°С. При этом точность измерений составляет ±2% относительной влажности, а постоянная времени - 1, 5...3 мин.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: