Обзор и классификация методов измерения влажности газов

В настоящее время нет универсального метода измерения влажности газов, удовлетворяющего всем разнообразным требованиям, предъявляемым к этим измерениям. Известны, и нашли применение многочисленные (несколько десятков) методы, основанные на различных принципах. Наибольшее практическое значение имеют следующие из них:

· психрометрический, основанный на измерении температур двумя термометрами: «сухим» (обыкновенным) и «мокрым», имеющим чувствительный элемент, смоченный водой, и находящимся в термодинамическом равновесии с окружающей газовой средой. Испарение с поверхности чувствительного элемента мокрого термометра происходит тем интенсивнее, чем ниже влажность газа; разность показаний сухого и мокрого термометров зависит, следовательно, от значения влажности;

· точки росы, заключающийся в определении температуры, до которой необходимо охладить (при неизменном давлении) ненасыщенный газ для того, чтобы довести его до состояния насыщения. Практически температура точки росы определяется по началу конденсации водяного пара на плоской поверхности твердого тела (металлического зеркальца и т. п.), охлаждаемой в атмосфере влажного газа.

Родственный метод основан на применении электролитических подогревных датчиков Температуру точки росы определяют, подогревая до достижения равновесного состояния на­сыщенный солевой раствор, покрывающий чувствительный элемент температурного преобразователя;

· сорбционный, основанный на применении гигроскопических тел, свойства которых изменяются в функции количества поглощенной влаги. В зависимости от использованного для измерения параметра влагочувствительного материала можно различить сорбционные гигрометры деформационные, электрические, весовые, Цветовые и др.; наибольшее практическое значение имеют первые две группы.

В сорбционных гигрометрах деформационного типа используется свойство некоторых гигроскопических твердых материалов изменять свои линейные размеры в функции влажности окружающего воздуха. К наиболее старым и распространенным до настоящего времени приборам этого типа относятся волосные гигрометры; в них чувствительным элементом служит пучок обезжиренных человеческих волос. Кроме того, вместо волосных гигрометров нашли некоторое применение приборы с использованием животной пленки, обладающей сравнительно небольшим коэффициентом инерции. Этим преимуществом обладают также гигрометры с вальцованным (сплющенным при помощи вальцов) человеческим волосом. В некоторых гигрометрах применяются чувствительные элементы из капроновой нити, целлофана и других материалов.

Приборы этого типа отличаются простотой конструкции. Однако их инерционность возрастает с понижением температуры и относительной влажности; постоянная времени, при десорбции чувствительного элемента больше, чем при увлажнении. Стабильность показаний этих гигрометров невысока, и им присуще явление гистерезиса. Недостатком волосного гигрометра является также незначительность усилий, которыми можно нагружать его чувствительный элемент. Это затрудняет оснащение гигрометров данного типа электрическими преобразователями (омическими, индуктивными и т. п.) для дистанционных измерений и автоматического контроля. В связи с этим гигрометры деформационного типа имеют сейчас ограниченную область применения: метеорологические измерения, контроль влажности воздуха в помещениях, грубые регуляторы влажности воздуха в помещениях. Но и в этих областях они вытесняются другими, более совершенными приборами.

У электрических пирометрических датчиков используется зависимость электрических свойств чувствительного элемента от влажности окружающей среды. Из них следует выделить кулонометрические датчики, в которых происходит непрерывный электролиз поглощенной влаги.

В сорбционно-термическом методе измеряется количество тепла, выделяемое при сорбции влаги сухим гигроскопическим материалом или (значительно реже) серной кислотой.

Из других, менее распространенных методов измерения влажности газов заслуживают внимания следующие:

1. Метод полного поглощения, основанный на пропускании определенного объема газа через вещество, способное поглощать водяной пар, и оценке изменения параметров этого вещества в результате полного поглощения влаги.

Методы полного поглощения можно рассматривать как абсолютные, и их точность в принципе высока; практически она ограничена погрешностями измерительных операций (взвешивание поглотителя, измерение количества газа) и наличием примесей в газе и используемых реактивах. Процесс измерения длителен и трудоемок, в связи, с чем эти методы используются только в качестве лабораторных.

2. Конденсационно - сгустительный метод, в котором исследуемый газ охлаждается в холодильнике до полной конденсации, содержащейся в нем влаги. Количество последней определяют измерением количества газа и объема воды, выделившейся в холодильнике. Конденсационный метод, как и метод полного поглощения, является абсолютным, одним из его преимуществ является возможность определения влажности газов при высоких температурах.

3. Диффузионный метод, основанный на явлении диффузии газов через пористую
перегородку. В диффузионных гигрометрах измеряется разность давлений контролируемой
внешней среды и газа в камере, отделенной от этой среды пористой мембраной. В камере с
помощью увлажнителя или осушителя поддерживается определенная величина упругости
водяных паров.

Отдельную группу образуют методы, основанные на непосредственном измерении физических свойств газа, изменяющихся в функции влажности; достоинствами этих методов являются пригодность для автоматизации измерений и безынерционность функции преобра­зования. К ним относятся диэлькометрический метод и его разновидность — измерение диэлектрических свойств газа на сверхвысоких частотах (СВЧ рефрактометрия), поглощения инфракрасных, ультрафиолетовых и радиоизотопных излучений; последние методы можно рассматривать как спектрометрические, отличающиеся между собой используемым участком спектра электромагнитных колебаний. К этой же группе методов можно отнести и измерения, использующие теплофизические свойства влажных газов, например их теплопроводность.