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.

Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрической разности температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный фитиль водой. Испарение, а следовательно, и охлаждение с поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разность температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.

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)

Рис. 1. Зависимость относительной влажности от температур «мокрого» и «сухого» термометров :

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

Газ, очищенный от примесей и пыли, по каналу 1 поступает в камеру 2, где соприкасается с зеркальной поверхностью оптического канала 3, по которому световой поток от источника 4 попадает на оптрон 5. Поверхность 3 охлаждается термобатареей 6, работающей на эффекте Пельтье. Принцип ее работы состоит в том, что при прохождении тока через соприкасающиеся поверхности разнородных проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. Так, снижение температуры на 50 °С может быть получено при пропускании тока в 6 А при напряжении питания 15 В через термоэлектронную батарею размером 40 х 40 х 40 мм, содержащую 127 элементов. При достижении точки росы на поверхность 3 выпадает роса, оптрон запирается и ток через термобатарею 6 прекращается. Термопара 7 фиксирует температуру выпадения росы. Преобразователь точки росы прибора «КОНГ-Прима» измеряет точку росы в диапазоне -30. 30 °С, погрешность составляет ±0,25 и ±1 %.

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.?

Гигрометры для измерения влажности газов производятся отечественными фирмами: ИПТВ 056 (ф. «Элемер»), зарубежными фирмами: мод. 340, серия 800 (ф. Rosemount), мод. 4112 (ф. Honeywell), Dewcel (ф. Foxboro), мод. 70 (20—23, 31, 32, 51) (ф. Jumo) и др.

Источник

Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха

Содержание

Вещества могут переходить из твёрдого состояния в жидкое, а из жидкого – в газообразное. Последнее превращение называют парообразованием, которое может проходить путем испарения или кипения.

Кипение происходит при определённой температуре для каждой жидкости. А вот испарение жидкости, напротив, происходит при любой ее температуре.

Значит, испарение на нашей планете происходит непрерывно: испаряется вода с поверхностей озер, океанов, рек, различной растительности и т. д. Вследствие этого воздух в нашей атмосфере всегда содержит в себе водяные пары.

Влажность – это понятие, которое характеризует содержание водяного пара в атмосфере. В данном уроке мы разберем понятия абсолютной и относительной влажности воздуха, точки росы, познакомимся с приборами для измерения влажности воздуха.

Абсолютная и относительная влажность

Количество водяных паров в воздухе при определенной температуре определяет степень влажности. Но как эту степень оценить? В этом нам помогут два новых определения: абсолютная влажность и относительная влажность.

Абсолютная влажность $\rho$ – это физическая величина, показывающая, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом $1 \space м^3$ при данных условиях, т. е. плотность водяного пара.
$\rho = \frac$.

Обратите внимание, что, рассчитывая плотность различных веществ, мы использовали стандартную единицу измерения – $\frac<кг><м^3>$. Для абсолютной влажности принято применять внесистемную единицу измерения плотности – $\frac<г><м^3>$.

Степень влажности определяется фактором того, насколько водяной пар близок или далек от состояния насыщения.

• Чем больше в воздухе водяных паров, тем ближе пар к состоянию насыщения
• Чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения

Вспомним: насыщенным называют пар, который находится в динамическом равновесии со своей жидкостью. Число молекул, вылетающих из жидкости, становится равно числу молекул, возвращающихся в нее.

Соответственно, зная только абсолютную влажность, нельзя сказать сухой это воздух или влажный, насколько он близок к состоянию насыщения.

Чаще всего водяной пар, содержащийся в воздухе, является ненасыщенным. Если бы водяной пар в воздухе был всегда насыщенным, то все, что находится на земной поверхности, никогда бы не высыхало.

Относительная влажность воздуха $\varphi$ – это отношение абсолютной влажности воздуха $\rho$ к плотности $\rho_0$ насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
$\varphi = \frac<\rho> <\rho_0>\cdot 100 \%$.

Т.е., относительная влажность характеризует процентное содержание влаги в воздухе. Наиболее благоприятной для человека считается относительная влажность воздуха $40-60 \%$.

Точка росы

В любом случае в воздухе находится водяной пар. Если мы будем понижать температуру воздуха, то при определенной температуре сможем довести пар, содержащийся в нем, до состояния насыщения.

Если после этого продолжать снижать температуру, то пар начнет конденсироваться. В итоге, образуется туман, и выпадают капельки росы. Здесь у нас появляется еще одна новая величина, которая тоже характеризует влажность воздуха, – точка росы.

Точка росы – это температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным.

Влажность воздуха измеряют с помощью специальных приборов: конденсационных и волосных гигрометров и психрометров.

Конденсационный гигрометр

Рассмотрим устройство и принцип работы конденсационного гигрометра (рисунок 1). С помощью него можно определить абсолютную влажность воздуха по точке росы.

В его основе – небольшая металлическая коробка 1. Ее передняя стенка 2 окружена кольцом 3. Поверхности этих элементов хорошо отполированы. Между ними помещена теплоизолирующая прокладка 4. К самой коробке присоединена резиновая груша 5. Внутрь коробки вставлен термометр 6.

Заполним коробку, например, эфиром. Вы уже знаете, что эта жидкость достаточно быстро испаряется. Начнём продувать воздух через коробку с помощью груши. Так мы ускорим испарение эфира, коробка быстро охладится. Вскоре на полированной поверхности появятся капельки росы.

Отметим температуру, которая наблюдается в данный момент. Так мы определили точку росы. Именно в этот момент пар стал насыщенным.

Далее, используя специальные таблицы, можно определить абсолютную влажность воздуха.

Вид обычного лабораторного гигрометра представлен на рисунке 2.

Волосной гигрометр

Из названия этого прибора можно догадаться, что где-то в его устройстве присутствует волос. И, действительно, действие волосного гигрометра (рисунок 3) основано на одном интересном свойстве человеческого волоса. Дело в том, что при увеличении относительной влажности воздуха волос удлиняется.

На шкале этого прибора уже отмечены величины относительной влажности воздуха. При увеличении относительной влажности волос удлиняется, а при уменьшении – укорачивается. При этом стрелка двигается вдоль шкалы, указывая на величину относительной влажности воздуха.

Психрометр

Психрометр (от латинского психрос – холодный, метрио – измерять) представлен на рисунке 4.

Этот прибор состоит из двух термометров. Конец одного из них обмотан тканью и опущен в воду. Вода испаряется, термометр охлаждается. Термометры будут показывать разные значения.

Испарение проходит менее интенсивно при большой относительной влажности, и более интенсивно при малой относительной влажности. Чтобы оценить ее, нужно зафиксировать разность температур на термометрах. Для них также существуют специальные таблицы, из которых можно узнать величину относительной влажности воздуха.

Влажность в окружающем мире

Влажность воздуха важна как в природе, так и в быту человека. Изначально, наше самочувствие часто зависит от этого показателя. Ведь интенсивность испарения влаги с нашего кожного покрова определяется влажностью воздуха. Низкая влажность может приводить к пересыханию слизистых оболочек, проблемам с кожей и волосами, а очень высокая – к ухудшению общего физического состояния.

Влажность воздуха влияет на теплообмен многих организмов с окружающей средой, на жизнь животных и растений. Когда люди выращивают растения в теплицах или оранжереях, им необходимо знать и контролировать влажность воздуха. Таким образом поддерживается нужный режим для их роста и жизнедеятельности.

Значение влажности воздуха играет большую роль в метеорологи для прогнозов погоды. При работе различной техники важно учитывать влажность – при высоких показателях быстрее возникает коррозия. При хранении важных произведений искусств и книг также следят за влажностью.

Источник