17.6. Вимірювання вологості газів

Вологість газів є важливим параметром в системах комфортного і технічного кондиціювання повітря, при оцінюванні складу продуктів згоряння палива і умов роботи суднового устаткування для попередження корозії, тощо. Для кількісного оцінювання вологості газів користуються поняттями абсолютної і відносної вологості, а також воло- говмісту.

Абсолютна вологість – це масова або об’ємна кількість водяної пари в 1 м³ вологого газу, тобто густина пари при даному парціальному тиску і температурі вологого газу (кг/м³, м³/м³).

Відносна вологість дорівнює відношенню густини пари при даному стані газу до максимально можливої густини при тій же температурі. Звичайно відносну вологість газу виражають в процентах. Таким чином відносна вологість газу виражається формулою

(17.6)

де ρ_п і – відповідно густина водяної пари в парогазовій суміші даного стану і при повному насиченні парогазової суміші.

За умови, що парогазова суміш підлягає рівнянню стану ідеального газу, відносна вологість визначається формулою

(17.7)

де Р_п і Р_s – відповідно парціальний тиск водяної пари в парогазовій суміші даного стану і при повному насиченні парогазової суміші.

Вологовміст d визначає вміст водяної пари в газовій суміші, віднесений до одиниці маси сухого газу, кг/кг:

(17.8)

де ρ_п і ρ_с.г. – відповідно густина водяної пари і сухого газу.

Незважаючи на існування десятків методів вимірювання вологості газів, універсального методу визначення вологості нема. Найбільш поширені психрометричний і сорбційний методи, а також метод “точки роси”.

П с и х р о м е т р и ч н и й м е т о д грунтується на вимірюванні психрометричної різниці температур між “сухим” і “мокрим” термометрами. Резервуар одного термометра обгорнутий вологою тканиною (батистом). Внаслідок випаровування води цей термометр показує меншу температуру, ніж “сухий” термометр. На випаровування води з тканини витрачається теплота пароутворення, внаслідок чого знижується температура вологої тканини і показання “мокрого” термометра. Між поверхнею вологої тканини і навколишнім повітрям утворюється різниця температур. Внаслідок цього теплота з навколишнього повіт- ря надходить до вологої тканини. Температура “мокрого” термометра буде знижуватися до такого значення, при якому кількість теплоти, що витрачається тканиною на випаровування, буде дорівнювати кількості теплоти, що віддається повітрям тканині. Це граничне значення температури називають температурою “мокрого” термометра для повітря даного складу в процесі тепловологообміну між повітрям і водою. Різниця показань “сухого” і “мокрого” термометрів називається психрометричною різницею. За виміряними температурами “мокрого” термометра і психрометричній різниці визначається відносна вологість повітря.

Кількість теплоти, що витрачається на випаровування води визна- чається формулою

(17.9)

де – коефіцієнт масовіддачі; S – поверхня чутливого елемента термометра; – парціальний тиск насиченої водяної пари при температурі “мокрого” термометра; Р_б – атмосферний тиск; r – теплота пароутворення. Внаслідок різниці температур навколишнього повітря і тканини “мокрому” термометру передається від повітря кількість теплоти

(tс – tм),

(17.17)

де – коефіцієнт тепловіддачі; t_с і t_м – відповідно температури “сухого” і “мокрого” термометрів.

При термодинамічній рівновазі, коли Q₁ = Q₂

(17.11)

де – психрометричний коефіцієнт.

Відносна вологість повітря дорівнює

(17.12)

Значення психрометричного коефіцієнта залежать від конструк-тивних особливостей приладу-психрометра (розміру і форми чутливого елемента, теплопровідності його оболонки, виду захисту від радіаційних теплопритоків), а також від стану змоченої тканини і швидкості руху повітря. Для підвищення точності вимірювання здійснюють обдув термометрів.

На рис. 17.7 показано аспіраційний психрометр Ассмана. Резервуари “мокрого” 1 і “сухого” 2 термометрів розміщені в металевих трубках-екранах 3 і 4 з повітряним прошарком, які утворюють подвійний захист термометрів від радіаційних теплопритоків. Через трубки-екрани просмоктується повітря із швидкістю 2,5…3 м/с за допомогою аспіратора 5 – мініатюрного вентилятора з електродвигуном або із спеціальним пружинним механізмом. Після пуску вентилятора повітря всмоктується в прилад, обтікає резервуари “сухого” і “мокрого” термометрів, через повітропровід 6 надходить до аспіратора, яким через прорізи 7 викидається назовні. Резервуар “мокрого” термометра обгорнутий тканиною (батистом) і за 4…5 хвилин до вимірювання змочується дистильованою водою. При обтіканні повітрям «сухий» термометр показує температуру повітря, а «мокрий» – меншу температуру внаслідок випарного охолодження батистової тканини. За ви- міряними температурами по «сухому» і «мокрому» термометрам виз- начається вологість повітря.

Діапазон вимірювання психрометра Ассмана складає 17…170 % відносної вологості при температурі повітря від -17 до 40 ^оС. Основна допустима зведена похибка приладу 1,5 % і вище.

Для спрощення визначення відносної вологості повітря користуються психрометричною табл. 17.4. Для автоматичного вимірювання, запису показань і регулювання відносної вологості газів застосовуються автоматичні психрометри. Схема психрометра показана на рис. 17.8. До складу психрометра входять “сухий” і “мокрий” термометри опору, які обдуваються потоком газу із швидкістю 3…5 м/с.

В приладі застосовані два незрівноважених моста I і II. Спад напруги в діагоналі сd компенсується спадом напруги , тобто

Таблиця 17.4

Показання “мокрого” термометра, оС	Різниця показань “сухого” і “мокрого” термометрів, оС
	0,5		1		2		3		4		5	6	7	8	9
	Відносна вологість повітря, %
0	90		81		64		50		36		26	16	7	-	-
1	90		82		66		52		39		29	19	11	-	-
2	90		83		67		54		42		31	23	14	-	-
3	90		83		69		56		44		34	26	17	17	-
4	91		84		70		57		46		36	28	20	14	-
5	91		85		71		59		48		39	30	23	17	17
6	92		85		72		61		50		41	33	26	19	13
7	92		86		73		62		52		43	35	28	22	15
8	92		86		74		63		54		45	37	30	25	18
9	93		86		75		65		55		47	39	32	27	21
17	94		87		76		66		57		48	41	34	28	23
11	94		88		77		67		58		50	43	36	30	25
12		94		88		78		68		59	52	44	38	32	27
13		94		89		79		69		61	53	46	40	34	29
14		94		89		79		70		62	54	47	41	36	31
15		94		89		80		71		63	55	49	43	37	33
16		95		90		80		72		64	57	50	44	39	34
17		95		90		81		73		65	58	52	46	40	36
18		95		90		81		74		66	59	53	47	42	37
19		95		91		82		74		66	60	54	48	43	39
20		95		91		82		75		67	61	55	49	44	40
21		95		91		83		75		68	62	56	51	46	41
22		95		91		83		76		69	63	57	52	47	42
23		96		91		84		76		69	63	58	53	48	43
24		96		92		84		77		70	64	59	53	49	44
25		96		92		84		77		70	65	59	54	50	45

.

При цьому струм небалансу в електричному колі електронного підсилювача ЕП відсутній. Напруга небалансу, яка виникає при змінюванні опорів і , підвищується в електронному підсилювачі до величини, достатньої для приведення в дію реверсивного електродвигуна РД. В залежності від знаку небалансу реверсивний електродвигун механічно переміщує движок реохорду і пишуче перо. Шкала приладу розміщена на реохорді і відградуйована в одиницях відносної вологості. Діапазон вимірювання складає від 20 до 170 % відносної вологості в інтервалі температур газу від 17 до 40 ^оС. Клас точності приладу 3.

М е т о д т о ч к и р о с и грунтується на принципі Реньо, за яким в умовах рівномірного охолодження певного об’єму вологого газу при постійному повному тиску парціальний тиск газу і водяної пари в суміші залишається постійним до моменту насичення, тобто до початку переходу водяної пари з газоподібної фази до рідинної. При цьому існує залежність тиску насиченої водяної пари над плоскою поверхнею води від температури. Визначення парціального тиску або, що те ж саме, оцінювання вологості повітря полягає у вимірюванні температури насичення.

Таким чином, для вимірювання вологості методом точки роси повинні бути поверхня, на якій конденсується волога при змінюванні температури, пристрій для змінювання температури цієї поверхні (підігрівник і охолоджувач), вимірювальна система для контролю товщини водяної плівки, а також прилад для вимірювання температури осадження конденсату. Поверхнею, призначеною для осадження конденсату, є відполірована або гальванічно оброблена пластина.

В автоматизованих гігрометрах точки роси поява конденсату визначається по змінюванню величини відбитого або розсіяного світлового потоку. Сигнал, що фіксує розсіяння світлового променя, може використовуватись для автоматичного підтримання температури поверхні пластини на рівні точки роси.

Для підігріву і охолодження пластини звичайно застосовується обернений термоелектричний ефект (ефект Пельтьє), а температуру пластини вимірюють за допомогою терморезисторів або термопар. Конструкція вимірника температури повинна забезпечувати мінімальну різницю температур між поверхнею осадженого конденсату і термометром.

Принципова схема приладу з напівпровідниковим термоелектричним охолодником-підігрівником показана на рис. 17.9.

Охолодник-підігрівник 1 – це напівпровідникова термопара, до робочого кінця якої припаяне металеве дзеркало 2. Сила струму, що проходить через термопару, регулюється реостатом R_р в діапазоні від 0,5 до 1,5 А. При оптимальному значенні сили струму температура дзеркальної пластини може знижуватися на 25…30 ^оС. Температура пластини вимірюється термопарою 3 з мілівольтметром 4, шкала якого відградуйована в одиницях абсолютної вологості. Регулювання температури дзеркальної пластини здійснюється за допомогою фотоелемента 5, який керує роботою поляризованого реле 7 через баланс-ний підсилювач постійного струму 6. При відсутності на пластині конденсату фотоелемент освітлюється пучком світла, відбитим від дзеркальної поверхні пластини. При цьому контакти реле будуть в положенні а, а струм від батареї А буде проходити через напівпровід- никову термопару 1. Поява конденсату на дзеркальній поверхні охолодженої пластини спричиняє розсіяння світлового потоку, часткове затемнення фотоелемента і перемикання контактів реле в положення b, при якому живлення термопари 1 припиняється.

Для підігріву пластини передбачено живлення термопари 1 струмом протилежного напряму від батареї Б за допомогою ручного перемикача П.

При вимірюванні вологості методом точки роси виникають похибки, пов’язані з неточностями фіксації моменту появлення конденсату і вимірювання температури. Похибки виникають також при забрудненні поверхні пластини. Наприклад, при наявності на поверхні слідів жиру або нафтопродуктів температура конденсації може відрізнятися від дійсної температури точки роси на 8…17 ^оС.

В с о р б ц і й н и х м е т о д а х вимірювання вологості газів використовується залежність властивостей твердих тіл і рідин від кількості сорбційної води, яка знаходиться в рівновазі з водяною парою газової суміші. При змінюванні вологовмісту змінюються електричний опір, ємність або інші параметри вимірювального перетворювача. Таким чином, вимірювальна схема приладу визначається вихідним сигналом вимірювального перетворювача.

Сорбційні вимірювальні перетворювачі конструктивно прості, компактні, не впливають на склад і температуру газу. Недоліками їх є похибки від гістерезису, а також залежність вихідної величини від навколишньої температури, внаслідок чого сорбційні прилади не знаходять широкого застосування в енергетиці.