Измерване на влажност
Начало > Измервателна техника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007
Принципи за измерване влажността на газове и насипни материали
Влажността на газове и насипни материали е важна процесна характеристика за редица индустриални производства. Влажността се оценява на базата на няколко параметри, които са повече или по-малко подходящи да характеризират спецификите на дадено приложение. Например, при транспортиране на газове се използва параметърът температура на оросяване. Когато се контролира ограничено като количество съдържание на влага в чисти газове, подходящ параметър е влагосъдържанието. От своя страна, измерването на влажността на насипни материали силно се затруднява от влиянието, което формата на свързване на влагата с материала и хигроскопичната връзка на материала с околния въздух оказват върху физичните му свойства. Това води до нееднозначност на статичните характеристики, което от своя страна влошава метрологичните параметри на измерването.
Психрометричен метод
Съществуват различни методи за определяне влажността на газове. Сред най-широко използваните е т.нар. психрометричен метод. Методът се базира на “сух” и “мокър” термометри. Към мокрия термометър непрекъснато се подава вода. Колкото влажността на газа е по-малка, толкова охлаждането му ще бъде по-голямо. Измерва се температурната разлика, наричана психрометрична, между “сухия” и “мокрия” термометър, на базата на която се определя влажността на газа. Съществуват различни измервателни схеми за реализация на психрометричния метод, но принципът им на действие е аналогичен. Обикновено скалата на психрометъра се градуира в проценти относителна влажност. Психрометричните методи се характеризират с висока чувствителност при изследване на газове, имащи положителни температури. Те не са подходящи за измерване влажността на газове с ниски температури, тъй като при работа в подобни условия психрометричния метод се отличава с висока грешка на измерване.
Хигрометрични методи
Базират се на съществуващата връзка между физическите свойства на хигроскопичните материали и влажността на околната среда. В групата на хигрометрични методи влизат уредите, при които за влажността на околната среда се съди по линейната деформация на определен чувствителен елемент. Основно изискване на постигане на висока точност на метода е чувствителният елемент да се намира в хигрометрично равновесие с измервания газ.
Сред хигрометричните методи, използвани широко в практиката, е електролитния принцип. Измервателният преобразувател при тези хигрометри е влагочувствителен елемент, съдържащ електролит. Между влажността на газа и количеството влага, съдържащо се в чувствителния елемент, съществува функционална зависимост. Електролитните хигрометри обикновено се изпълняват като различни мостови схеми, при които промяната във влажността на газа се преобразува във вид на изменение на съпротивление или електропроводимост. Като електролит най-често намира приложение литиев хлорид. Точността на измерване на влажността с електролитен хигрометър зависи от концентрацията и температурата на електролита. Към недостатъците им се отнася и нестабилността на статичната характеристика.
Друг вид влагомери, базирани на хигрометричния принцип, са
електролитните с подгряване
Като конструкция те са близки с електролитните, но принципът им на действие е по-различен. При електролитните преобразуватели с подгряване изменението на влажността също води до промяна в електропроводимостта на чувствителния елемент, но това рефлектира и върху стойността на температурата му. Колкото по-висока е влажността на газа, толкова по-голяма е електропроводимостта на преобразувателя. С нарастването на електропроводимостта големината на тока в едното рамо на мостовата схема също се увеличава, което от своя страна води до нарастване на температурата и съответно изпарението на електролит в преобразувателя. Това провокира обратния процес, а именно колкото по-високо е изпарението, толкова по-ниска е температурата и електропроводимостта. Следователно електролитните хигрометри с подгряване поддържат автоматично равновесно състояние между парциалното налягане на водните пари в газа и парциалното налягане на парата над наситения разтвор на електролита. Равновесното състояние съответства на определена стойност на температурата на преобразувателя, която не е трудно да се измери. Именно по тази стойност се съди за влажността на изследвания газ.
Предимства на електролитните хигрометри са отсъствието на влияние върху резултата от измерването от скоростта и налягането на газа, захранващото напрежение, запрашаването и замърсяването.
Третият вид методи, използвани в индустрията, са т.нар.
сорбционни хигрометри
При тези методи база за определяне на влажността е зависимостта на физичните свойства на сорбционните материали от влажността им, която е пряко зависима от влажността на анализирания газ. Сорбционни са материалите с микропореста структура, алуминиеви оксиди, керамични материали и др. Този вид хигрометри не се използват широко в областта на промишлеността, тъй като всеки уред се отличава с индивидуални градуировъчни характеристики.
Друг вид принцип, използван за измерване влажността на газове, е
методът на температурата на оросяване
На базата на този метод се определя както абсолютната влажност, така и влагосъдържанието. Характеризира се с висока точност, която не се влияе от налягането на газа. Точността на тези влагомери е висока и при положителни, и при отрицателни температури. Във функцията на чувствителен елемент се използва огледало, обдухвано с измервания газ. Както личи от наименованието му, методът се основава на определяне на температурата, при която съдържащата се в газа водна пара достига състояние на насищане. Огледалото започва да се охлажда с цел определяне на температурата, при която върху повърхността му започва кондензацията на съдържащите се в изследвания газ водни пари.
Именно със състоянието на огледалната повърхност са свързани и част от трудностите, свързани с практическата реализация на метода на температура на оросяване. Например, ако върху огледалото попаднат нефтопродукти, температурата на оросяване значително се понижава. Друга трудност произтича от точното определяне на момента, в който водните пари започват да кондензират върху чувствителния елемент.
Съществуват две групи методи за
измерване влажността на насипни материали -
преки и косвени. В индустрията намират приложение основно косвените методи, характерно за които е, че влажността се определя по косвен път, т.е. за масата на влагата или сухото вещество се съди по изменението на определени параметри, като капацитета, например. Логично, преки са методите, при които директно се определя масата на влагата или сухото вещество във взетата проба. По принцип, косвените методи се характеризират с по-ниска точност и по-високо бързодействие, а преките са по-точни, но за сметка на това с малко бързодействие.
Сред косвените методи за измерване влажността на насипните материали е
съпротивителният метод
Повечето материали, използвани в индустрията, имат капилярно-пореста структура. Когато се намират в сухо състояние, обикновено са диелектрици, имащи специфично съпротивление по-високо от 108 W.m. Ако върху тях попадне вода, обаче, някои от материалите се превръщат в проводници, чието съпротивление е от порядъка на 104 W.m. Между съпротивлението на насипните материали и влажността съществува следната функционална зависимост: R = k/Wn, където R е електрическото съпротивление, W е влажността на материала, n - степенен показател, зависещ от материала, и k - константа. Конкретните стойности на k и n се определят експериментално за конкретния материал. Методът се характеризира с висока чувствителност, което се дължи на степенната зависимост на съпротивлението. Точността на измерване е силно зависима от влиянието на температурата, плътността на насипния материал, структурата му, химичния състав, наличието на електролити. Всичко това ограничава приложната област на съпротивителния метод до лабораторни цели.
Друг метод за измерване влажността на насипни материали е
капацитивният метод
Той се основава на съществуващата зависимост между диелектричната проницаемост на изследвания материал и влажността му. За промяната в диелектричната проницаемост се съди в зависимост от изменението на капацитета на кондензатор, между електродите на който се поставя изследваният материал. Чувствителният елемент при метода се изпълнява във вид на две плоски пластини или два концентрични цилиндъра. Между капацитета на кондензатора (C), диелектричната проницаемост на изследвания материал (e) и константата (k), зависеща от геометричните размери и формата на кондензатора, съществува зависимостта C=k.e.
Измерването на влажността, реализирано с капацитивен преобразувател, се характеризира с ниска чувствителност спрямо състава на насипния материал, контактното съпротивление между електродите и материала, както и структурата на материала. За да се осигури висока повторяемост на получените резултати, пространството между електродите на кондензатора се запълва с насипния материал от определена височина. Именно, използваният начин за запълване на пространството между електродите оказва влияние и върху точността на измерването. Методът се характеризира с чувствителност по отношение температурата на изследвания материал. По тази причина влагомерите с промишлено приложение, работещи на основата на капацитивния метод, са с автоматична корекция на внесената грешка от изменението на температурата. Грешката при капацитивните влагомери би могла да достигне до 0.2 - 0.5% от измервателния обхват.
Вижте още от Измервателна техника
Новият брой 8/2024
