Методы и приборы измерения влажности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы и приборы измерения влажности

1. Основные понятия

Влага - один из обязательных компонентов твердых неметаллических материалов. Влажность часто служит показателем качества материалов, характеризует их чистоту, теплофизические свойства, влияет на технологические свойства материала.

Содержание влаги в любом теле характеризуется его абсолютной или относительной влажностью; единицей измерения абсолютной влажности является кг/м³.

Для количественной характеристики содержания влаги в материале применяют две величины - влагосодержание U и влажность W:

где M - масса влаги; М0 - масса абсолютного сухого материала; М1 - масса влажного материала.

2. Методы и приборы (гигрометры) для измерения влажности газов

К методам измерения влажности газов относятся следующие методы.

Психрометрический метод основан на психрометрическом эффекте, т.е. на зависимости скорости испарения влаги в окружающую среду от влажности этой среды. Скорость (интенсивность) испарения возрастает с уменьшением влажности газа.

Метод точки росы заключается в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) насыщенный газ для того, чтобы привести его к состоянию насыщения.

Зная температуру точки росы, можно определить абсолютную влажность газа по таблицам насыщенного водяного пара.

Сорбционный метод основан на поглощении влаги из анализируемой среды каким-либо гигроскопическим веществом. Количество поглощенной влаги определяют по изменению массы или других параметров влагосорбирующих материалов. В зависимости от этого различают следующие разновидности сорбционного метода:

Конденсационный метод основан на охлаждении исследуемого газа в холодильнике до полной конденсации содержащейся в ней влаги; количество влаги в газе определяют по объему воды, выделившейся в холодильнике,

Спектрометрический метод использует зависимость поглощения излучений от влажности исследуемого газа (применяют инфракрасное, ультрафиолетовое и радиоактивное излучения).

Электрохимический метод (метод К. Фишера) основан на измерении электрического потенциала, возникающего в растворе (раствор Фишера) подвергнутого возгонке металлического йода, безводного пиридина и сухого сернистого ангидрида в метаноле при попадании в него воды:

J2 + SO2 + 2H20 = 2J- + SOI + 4Н+.

Метод теплопроводности основан на различии теплопроводности сухого и влажного газа.

Ниже рассмотрены первые три из указанных методов, как наиболее распространенные.

3. Психрометрический метод

Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, у одного из которых (мокрого) тепловоспринимающая часть все время остается влажной, так как соприкасается с гигроскопическим телом, всасывающим воду it:" сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате между сухим и мокрым термометрами создается разность температур, называемая психрометрической разностью,

Зависимость относительной влажности ер от психрометрической разности tc - tв имеет вид

где рв - давление насыщенных паров испытуемой среды при температуре tB влажного термометра; рс - давление насыщенных паров испытуемой среды при температуре tc сухого термометра; А - психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции психрометра, скорости обдувания влажного термометра газом и давления газа.

Коэффициент А определяют по психрометрическим таблицам, составленным для психрометров определенных конструкций. Наибольшее влияние на величину А оказывает скорость обдувания влажного термометра. С возрастанием скорости газового потока А быстро уменьшается и при скорости больше 2,5-3 м/с практически остается постоянным. В промышленных психрометрах предусматривают устройства, обеспечивающие постоянную скорость газового потока не менее 3-4 м/с. В электрических психрометрах применяют термометры термоэлектрические полупроводниковые, металлические термометры сопротивления.

Шкала прибора отградуирована в единицах измерения относительной влажности (%). При отрицательных температурах (не очень низких) для смачивания мокрого термометра применяют 3%-ный водный раствор формальдегида. Преимущества психрометрического метода - достаточная точность при положительных температурах и незначительная инерционность; недостатки - зависимость результатов измерения от скорости движения газов и колебаний атмосферного давления, уменьшение чувствительности и рост погрешности с понижением температуры.

4. Метод точки росы

Метод точки росы предусматривает охлаждение испытуемого газа до наступления насыщения, т.е. до точки росы. Методом точки росы можно измерять влажность газа при любых давлениях.

При постоянном давлении точка росы не зависит от температуры исследуемого газа. Для определения момента наступления точки росы обычно используют охлаждаемое металлическое зеркало, температуру которого в момент выпадания на нем конденсата фиксируют как точку росы. Рабочая поверхность зеркала должна быть обезжирена.

В автоматических приборах появление точки росы на зеркальной поверхности определяется обычно по ослаблению светового потока, отраженного от зеркала и воспринимаемого фотоприемником.

5. Сорбционные методы

Сорбционно-электролитические влагомеры. Влажность газа определяют по электрической проводимости ненасыщенных водных растворов электролитов, содержащихся во влагочувствительном элементе (электролитические гигрометры).

В электролитическом гигрометре в качестве влагочувствительного элемента используется хлористый литий. Насыщенный раствор хлористого лития нагревается до температуры, при которой парциальное давление водяного пара над раствором и равно парциальномому давлению паров в окружающей атмосфере. Следовательно, по принципу действия электролитические гигрометры с подогревным преобразователем аналогичны гигрометрам точки росы, но обладают тем преимуществом, что нагреть преобразователь значительно легче и проще, чем охладить зеркало в приборах точки росы.

Чувствительный элемент 1 прибора (трубка) представляет собой тонкостенную трубку из коррозионно-стойкой стали, покрытую слоем стеклянной ваты 2, которая пропитана раствором хлористого лития. На стеклянную вату намотаны изолированные одна от другой спирали 3 (электроды) из серебряной проволоки. Сверху на элемент надета металлическая трубка с сетчатой вставкой, которая задерживает сильные газовые струи, Внутри трубки 1 помещается малоинерционный термометр сопротивления 4, к которому подключен измерительный прибор 5. Серебряные спирали питаются переменным током (во избежание поляризации) напряжением 25-30 В через резистор R.

Температура хлористого лития непрерывно и автоматически устанавливается на точке росы.

Пьезосорбционные гигрометры. Чувствительный элемент пьезосорбционных гигрометров представляет собой пластину кварцевого резонатора, на поверхность которой нанесена пленка гигроскопичного материала. В результате процессов сорбции или десорбции водяных паров пленкой увеличивается или уменьшается масса гигроскопичного покрытия и, как следствие этого, изменяется частота колебаний пьезосорбционного чувствительного элемента. В установившемся режиме частота колебаний является мерой влажности окружающей среды. Изменения массы вещества на кварцевой пластине и собственной частоты колебаний связаны уравнением

где - изменение собственной частоты колебаний; - собственная частота колебаний; N - частотный коэффициент; -плотность кварца; s - площадь пластины; - изменение массы сорбированного водяного пара.

Отношение = const = k определяется свойствами пьезоэлектрического материала, поэтому уравнение принимает вид

С помощью кварцевого резонатора, колеблющегося на частоте 15 МГц, можно определить изменение. на уровне 10-11, что свидетельствует о чрезвычайно высокой чувствительности пьезокварцевых элементов. Кроме того, к их преимуществам следует отнести возможность определения влажности в широком диапазоне, быстродействие, легкость преобразования частотного выхода в цифровую форму.

Теоретическое определение изотерм сорбции воды сорбентами вызывает затруднения; поэтому статические характеристики пьезосорбционных гигрометров, как правило, получают с использованием экспериментальных данных.

К недостаткам пьезосорбционных гигрометров следует отнести необходимость их градуировки на газовых смесях с известной влажностью, увеличение погрешности измерения при наличии в анализируемой среде примесей, сорбирующихся чувствительным элементом. V

6. Методы и приборы для измерения влажности твердых тел

Для определений влажности твердых и сыпучих тел применяют прямые методы, позволяющие определить непосредственно массу влаги или массу сухого вещества в навеске, и косвенные методы определения влажности измерением функционально связанной с ней величины. Характерная особенность прямых методов- высокая точность. Однако прямые методы длительны. Так, время высушивания навески до постоянной массы 5-15 ч.

Из прямых методов наибольшее распространение получили методы высушивания, экстракционные и химические.

Метод высушивания состоит в воздушно-тепловой сушке небольшой специально подготовленной навески материала до достижения равновесия с окружающей средой, что условно считают равноценным полному удалению влаги. Метод высушивания наиболее точный и его используют для поверки других методов.

Влажность образца определяют по разности масс влажной и сухой навесок. Основная погрешность определения связана с неполным удалением влаги, потерей летучих компонентов и окислением вещества при сушке. В связи с этим результаты определения влаги зависят от методики подготовки навески, способа и режима сушки. Преимущество метода - простота и универсальность.

Экстракционный метод заключается в извлечении влаги из (исследуемого образца водопоглощающей жидкостью (спирт) с последующим определением характеристик жидкого экстракта (плотности, показателя преломления, температуры кипения или замерзания и т.п.), зависящих от его влагосодержания. Преимущество экстракционного метода - малое влияние на результаты определения влажности других физических характеристик материала (плотности, гранулометрического состава и др.). Недостатки метода - зависимость результатов от чистоты и дозировки водопоглощающей жидкости, большая длительность.

Химический метод предусматривает извлечение воды с помощью реагента, вступающего в химическую реакцию с влагой образца материала (например, СаС2 + 2Н2О = Ca(OH)2 + С2Н2). В качестве реагента применяют реактив Фишера, карбид кальция, обезвоженный метанол. Количество влаги в материале определяют по объему выделившегося ацетилена или повышению давления з сосуде постоянного объема.

Общие недостатки прямых методов - необходимость отбора и специальной подготовки проб материала, периодичность и большая длительность процесса контроля; поэтому прямые методы используют главным образом в лабораторных исследованиях, а также при градуировке и поверке промышленных влагомеров.

Косвенные методы характеризуются быстрым определением влажности, но по точности значительно уступают прямым методам. В производственных условиях, когда требуется выполнять много анализов в короткое время, отдают предпочтение косвенным методам. Только эти методы позволяют автоматизировать контроль влажности.

К косвенным относятся следующие основные методы: кондуктометрический, диэлькометрический, сверхвысокочастотный, оптический, ядерного магнитного резонанса, термовакуумный, теплофизический.

7. Кондуктометрический метод

Обычно промышленные материалы являются капиллярно-пористыми телами, у которых влага находится в порах. Для таких материалов характерна зависимость их электрических свойств от влагосодержания. В сухом виде эти материалы обычно являются диэлектриками с удельным объемным сопротивлением Ом-см. В результате увлажнения капиллярно-пористые тела становятся проводниками, причем их удельное электрическое сопротивление резко снижается (до Ом-см).

Зависимость электрического сопротивления от влажности для капиллярно-пористых материалов выражается показательной функцией вида

влажность газ гигрометр роса

где Rx - величина сопротивления пористого материала; А - постоянная, зависящая от исследуемого материала; W - влажность материала, % по массе; п - показатель степени, зависящий от структуры и природы исследуемого материала (для различных материалов колеблется в широких пределах).

Основная область применения кондуктометрического метода ограничена начальным участком кривей (до W = 30%). Но и на этом участке есть область (W = 0 ... 2%), где практически невозможно измерить влагосодержание из-за резкого возрастания электрического сопротивления материала (сопротивление материала становится соизмеримым с сопротивлением изоляции подводящих проводов или превышает его). Степенная зависимость сопротивления от влажности материала определяет высокую чувствительность кондуктометрического метода измерения влажности капиллярно-пористых материалов. Однако сложная зависимость сопротивления от ряда других факторов (температуры, структуры материала, насыпной плотности, химического состава, наличия электролитов и др.) делает этот метод пригодным лишь для простых низкочастотных сигнализаторов я индикаторов, не обеспечивающих высокой точности.

Преобразователи кондуктометрических влагомеров представляют собой два электрода, конструктивно выполненные в виде пластин, цилиндрических трубок, роликов и т. п. Из измерительных схем наиболее распространены мостовые.

8. Диэлькометрический метод

Метод основан на том, что диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь tg твердых капиллярно-пористых материалов, относящихся с точки зрения физики диэлектриков к макроскопически неоднородным диэлектрикам, в большой степени зависят от их влажности. Связь между этими величинами определяется комплексной диэлектрической проницаемостью

где - активная составляющая диэлектрической проницаемости; - коэффициент диэлектрических потерь; - электрическая проводимость; - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; - круговая частота приложенного электрического поля.

Очевидно, что и емкостный преобразователь, заполненный влагосодержащим веществом, должен характеризоваться комплексной электрической емкостью, зависящей от влажности материала.

Большая часть капиллярно-пористых материалов является хорошими диэлектриками, их диэлектрическая проницаемость = 1 ... 6, в то время как для воды, как правило, обладающей значительной электрической проводимостью, диэлектрическая проницаемость = 81, Таким образом, присутствие влаги в твердом материале должно в значительной степени изменять комплексную диэлектрическую проницаемость .

Емкостные преобразователи диэлькометрических влагомеров обычно выполняют в виде двух пластин или двух соосных цилиндров, пространство между которыми заполнено анализируемым веществом. Применяют также датчики рассеянного поля с металлическими электродами, нанесенными на стеклянную, кварцевую или стеклотекстолитовую пластины.

Размещено на Allbest.ru