Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

250

9 ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ

9.1 Общие положения

Водяные пары, содержащиеся в некоторых газах, являются неже-

лательным компонентом. Так, избыточное количество водяных паров

в газообразном топливе приводит к уменьшению теплоты сгорания

газа, что снижает температуру в топочном пространстве агрегата. Со-

держащаяся в продуктах сгорания влага вызывает коррозию конструк-

тивных элементов газоотводящих трактов и ухудшает работу дымовой

трубы. В таких газах, как защитные атмосферы, используемые при

проведения специальных видов термообработки и в других техноло-

гических операциях, влага должна практически отсутствовать. В до-

менных печах горячее воздушное дутье должно содержать определен-

ное количество водяных паров в целях стабилизации хода доменной

плавки.

Приведенные примеры показывают, что постоянный или перио-

дический контроль содержания водяных паров в различных газах по-

зволяет обеспечивать оптимальный технологический режим в различ-

ных агрегатах.

Содержание водяных паров в газах выражается абсолютной или

относительной влажностью.

Абсолютная влажность показывает весовое содержание водяных

паров в одном кубометре влажного или сухого газа при нормальных

условиях. Пересчет абсолютной влажности, отнесенной к сухому и

влажному газу, производится по формуле:

)804/f(1

,(9.1)

где f – содержание водяных паров, отнесенное к влажному газу, г/м

;

– содержание водяных паров, отнесенное к сухому газу, г/м

;

804 – плотность водяных паров при 0°С и 101,325 кПа, г/м

Относительная влажность показывает отношение водяных паров,

содержащихся в 1 м

газовой смеси, к максимально возможному со-

держанию водяных паров, соответствующее состоянию насыщения

при той же температуре. Относительная влажность выражается в от-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

251

носительных единицах или в процентах и определяется по формуле:

100

=ε

, %(9.2)

где f – текущее содержание водяных паров в газе, г/м

;

– максимально возможное содержание водяных паров в газе в

состоянии насыщения при данной температуре, г/м

Относительная влажность может быть выражена через парциаль-

ные давления водяных паров по формуле:

100

.н.п

=ε

, %(9.3)

где Р

– текущее значение парциального давления водяных паров в

газе, Па;

п.н

– парциальное давление водяных паров в газе при насыщении

его паром, Па.

В производственных условиях влажность газов часто выражают

температурой точки росы, представляющей собой температуру, при

которой газ насыщен парами воды и избыточная влага выпадает в ви-

де капелек воды на окружающих поверхностях. Влияние температуры

на парциальное давление и содержание водяных паров в состоянии

насыщения показано в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Парциальное давление и абсолютная влажность

газовой среды в состоянии насыщения

t, °C

–40–30–20–10010203040

п.н

, кПа 0,0130,0380,1020,2600,6111,2272,3704,2417,375

, г/м

сух.0,100,280,812,14,89,818,935,163,1

Если давление влажного газа отличается от нормального

(101,325 кПа), то производится перерасчет значения f

, приведенное в

таблице 9.1, по формуле:

.н.п

РР

Р325,101

−

, (9.4)

где Р – абсолютное давление анализируемого газа, кПа.

Для измерения абсолютной и относительной влажности использу-

ются различные методы, основными из которых являются: психромет-

рический, конденсационный (метод точки росы) и сорбционный методы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

252

9.2 Психрометрический метод

Измерение влажности приборами, получившими название "пси-

хрометры", основано на измерение температуры газовой среды двумя

термометрами, один из которых находится во влажной среде, напри-

мер, обернут влажной тканью. Два термометра, сухой и влажный, бу-

дут иметь разные показания, т.к. произойдет понижение температуры

влажного термометра в результате затраты тепла на испарение жидко-

сти в окружающую среду (в анализируемый газ). Чем ниже влажность

окружающей среды, тем интенсивнее идет испарение влаги с поверх-

ности мокрого термометра. Следовательно, разница в показаниях су-

хого и мокрого термометров будет тем больше, чем ниже влажность

анализируемого газа. По разности температур и температуре сухого

термометра с помощью таблиц или номограмм определяется влаж-

ность газа. На рисунке 9.1 приведена номограмма для определения

абсолютной влажности по показаниям температуры сухого термомет-

ра и разности температур сухого и влажного термометров. Относи-

тельная влажность рассчитывается по формуле (9.2), в которой абсо-

лютная влажность (текущее содержание водяных паров в газе) f опре-

деляется по номограмме

(рисунок 9.1), а макси-

мально возможное количе-

ство водяных паров f

по

температуре сухого тер-

мометра по справочным

таблицам.

Психрометрический

метод измерения влажно-

сти газовых сред реализо-

ван в приборах различной

конструкции от перенос-

ных до автоматических. На

рисунке 9.2 представлена

схема автоматического

психрометра, в котором

использовано микропро-

цессорное устройство для

обработки и получения

информации об абсолют-

ной и относительной

100

150

200

250

300

0255075100

25 50 75 100

Температура сухого термометра, °С

300

250

200

150

100

Абсолютная влажность, г/м

–t

вл

Рисунок 9.1 – Номограмма для

определения влажности газов

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

253

влажности газовой среды.

Прибор состоит из ра-

бочей камеры, разделенной

на две половины, в каждой

из которых расположены

термометры сопротивле-

ния. Один из термометров

(сухой термометр) опреде-

ляет действительную тем-

пературу газовой среды, t

Второй термометр (чувст-

вительная его часть) обер-

нут влажным гигроскопи-

ческим материалом.

Анализируемая газо-

вая среда непрерывно про-

качивается через газовые

камеры за счет разряжения,

создаваемого вентилято-

ром 1. Информация о раз-

ности температур между «сухим» и «мокрым» термометром поступает

в микропроцессор (МП), в котором производится решение двух урав-

нений:

f=f

нас

–A⋅(t

сух

–t

вл

);

%100

нас

⋅=ε

,(9.5)

где f – текущее значение влажности анализируемой газовой среды, г/м

;

нас

– значение абсолютной влажности газа в состоянии насыще-

ния при данной температуре (t

сух

), г/м

;

А – постоянная прибора (психрометра).

В блок памяти микропроцессора вводятся табличные данные f

нас

при различной температуре газовой среды, т.е. f

нас

=ϕ(t

сух

), и постоян-

ная прибора А.

Микропроцессор выдает следующие данные: абсолютную влаж-

ность f, относительную влажность ε и температуру газовой среды t

сух

9.3 Конденсационный метод измерения влажности

Конденсационный метод или метод точки росы основан на изме-

рении температуры гладкой металлической поверхности в момент вы-

падения на ней конденсата, т.е. в момент, когда водяной пар, содержа-

щийся в газе, достигает насыщения. Для получения конденсата произ-

вл

газ

сух

)

МП

1 – вентилятор; 2 – "сухой" термометр;

3 – "мокрый" термометр; 4 – влажная

ткань; 5 – сосуд с водой; 6 – микро-

процессор

Рисунок 9.2 - Психрометр

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

254

водится постепенное охлаждение металлической пластинки с обратной

стороны холодной водой или специальным хладагентом до температу-

ры точки росы (t

т.р.

). При известной начальной температуре газовой

среды (t

) и температуре точки росы (t

т.р.

) можно определить абсолют-

ную и относительную влажность, используя табличные данные по дав-

лению и плотности насыщенных паров воды (Приложение К).

Пример 9.1. Определить абсолютную и относительную влаж-

ность воздуха, если температура воздуха равна +25°С, а температура

точки росы составила +5°С.

Решение. Используя табличные данные, определим абсолютную

влажность по температуре токи росы: f=6,8 г/м

Определим максимальное количество водяных паров, которое

может содержаться в воздухе в состоянии насыщения при температу-

ре воздуха +25°С, по табличным данным: f

макс

=23,1 г/м

Относительная влажность определится отношением:

ε=

%,%

макс

429100

123

100 ==

Для определения влажности газовых сред (воздуха, горючих га-

зов, технологических газов и других газовых сред) используются вла-

гомеры, в которых момент появления росы на металлической пла-

стинке фиксируется визуально или автоматически.

На рисунке 9.3 показана схема прибора, в котором непрерывно

автоматически поддерживается температура точки росы. Прибор со-

стоит из двух сочлененных между собой камер: холодильной 1 и газо-

вой 3. Между камерами располагается металлическая пластинка 2 с

зеркальной поверхностью на газовой стороне.

Через камеры непрерывно прокачивается охлажденная вода и

анализируемый газ. При постепенном снижении температуры метал-

лической пластинки 2 на ее зеркальной поверхности при определен-

ной температуре появятся капельки воды (роса) из охлажденного газа.

При этом резко уменьшится освещенность фотоэлемента 4, а на выхо-

де усилителя 5 электрический сигнал будет равен нулю и реле 6 вклю-

чит нагреватель 7, расположенный в холодильной камере. Повышение

температуры воды приведет к увеличению температуры пластинки и к

испарению влаги. Появившийся сигнал на выходе усилителя, отклю-

чит через реле нагреватель и при этом снова начнется процесс охлаж-

дения пластинки до появления росы. Таким образом, система автома-

тически будет поддерживать температуру пластинки близкой к темпе-

ратуре точки росы. Установленный в металлической пластинке чувст-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

255

вительный элемент (на-

пример, термистор) по-

кажет на вторичном при-

боре небольшие колеба-

ния температуры вокруг

температуры точки росы.

Приборы для изме-

рения влажности, осно-

ванные на измерении

точки росы, отличаются

большой точностью и

могут применяться в

промышленных объек-

тах, где необходимо не-

прерывно измерять

влажность технологиче-

ских газов.

Дальнейшее усо-

вершенствование конденсационного метода измерения влажности

связано с применением микропроцессорного блока, в память которого

введены табличные данные по содержанию водных паров в газовой

среде в состоянии насыщения при различной температуре.

9.4 Сорбционный метод измерения влажности

В этом методе используется свойство некоторых веществ погло-

щать влагу из анализируемого газа и изменять свои электрические ха-

рактеристики в зависимости от содержания влаги в газе.

Сорбционный метод измерения влажности используется в куло-

нометрических и электрических влагомерах. На рисунке 9.4 показана

схема кулонометрического влагомера, основанного на измерении тока

электролиза той воды, которая образуется при поглощении сорбентом

из анализируемого газа.

Датчик прибора представляет собой цилиндрическую трубку 1

небольшого диаметра, на внутренней поверхности которой размеще-

ны два спиральных платиновых электрода 3. Электроды располагают-

ся в тонком слое фосфорного ангидрида 2. В сухом виде фосфорный

ангидрид имеет большое электрическое сопротивление, а при насы-

щении влагой сопротивление резко падает.

т.р.

г.

∼U

газ

вода

1 – холодильная камера; 2 – металлическая

пластинка; 3 – газовая камера; 4 – фото-

элемент; 5 – электронный усилитель;

6 – реле; 7 - нагреватель

Рисунок 9.3 – Конденсационный влагомер

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

256

Анализируемый газ с по-

стоянной скоростью пропус-

кают через трубку датчика.

Если в газе имеется влага, то

она поглощается фосфорным

ангидридом с образованием

фосфорной кислорты по реак-

ции:

+Н

О→2НРО

Под воздействием напря-

жения, приложенного к элек-

тродам, происходит электро-

лиз фосфорной кислоты по

реакции:

2НРО

→Р

+Н+0,5О

В установившемся равновесии количество поглощенной влаги в

единицу времени равно количеству удаленной. Чем больше влаги в

анализируемом газе, тем больше ток электролиза, который является

мерой концентрации влаги.

Кулонометрические влагомеры предназначены для измерения

микроконцентраций влаги в газах от 10

-4

% до 1 % в объемных едини-

цах с погрешностью ±(5 - 10)%.

В промышленных условиях при определении концентрации во-

дяных паров в газовых средах повышенной влажности применяются

электролитические не подогреваемые и подогреваемые датчики.

Неподогреваемые датчики имеют чувствительный элемент, вы-

полненный из гигроскопического материала, например, влагосорби-

рующей пленки из окиси алюминия. Внутри материала располагаются

два электрода, которые связаны с мостовой электрической схемой.

При изменении влажности анализируемого газа изменяется электро-

проводность слоя гигроскопического материала, находящегося между

двумя электродами. Величина электрического сопротивления мате-

риала является мерой концентрации влаги в анализируемом газе.

Принцип действия подогреваемых датчиков основан на измере-

нии температуры гигроскопического материала в тот момент, когда

давление водяных паров над поверхностью насыщенного раствора

гигроскопической соли хлористого лития уравновешивается давлени-

ем водяных паров измеряемой газовой среды.

Подогреваемый датчик (рисунок 9.5) представляет собой термо-

резистор 1, на котором находится слой стеклоткани 2, пропитанный

газ

1 – трубка; 2 – пленка Р

;

3 – платиновый электрод

Рисунок 9.4 – Кулонометрический

влагомер

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

257

раствором хлористого лития. На слое стеклоткани располагается на-

греватель 3 из платиновой или серебряной проволоки. Датчик поме-

щен в колпачок 4 из нержавеющей стали.

В датчике постоянно

протекают два процесса,

оказывающих противопо-

ложное влияние: испаре-

ние влаги из пропитанной

раствором хлористого ли-

тия стеклоткани за счет

тепла нагревателя и по-

глощение влаги вследствие

гигроскопичности соли.

Равновесие наступает,

когда парциальное давле-

ние водяного пара в анали-

зируемом газе (в котором

находится датчик) уравня-

ется с парциальным давле-

нием водяного пара над

насыщенным раствором

хлористого лития.

Температура датчика, при которой устанавливается равновесие

давлений паров воды, однозначно связана с влажностью анализируе-

мого газа, т.е. с температурой точки росы. Установившаяся темпера-

тура внутри датчика в момент равновесия парциальных давлений во-

дяного пара измеряется терморезистором, включенного в схему изме-

рительного моста 5. Точка росы в подогреваемых гигрометрах отсчи-

тывается от –45 до +60°С. Подогреваемые датчики имеют стабильную

зависимость R=f(t), поэтому обладают хорошей взаимозаменяемо-

стью, их погрешность не превышает 2%.

1 – терморезистор; 2 – стеклоткань;

3 – электронагреватель; 4 – колпачок;

5 – измерительный прибор

Рисунок 9.5 – Схема электролитического

влагомера с подогреваемым датчиком

∼

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

258

10 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

10.1 Общие сведения

Усложнение технологических объектов и увеличение объема ин-

формации привело к необходимости измерять или контролировать

одновременно сотни физических величин. Так, например, система

контроля и управления энергоблоком 800 МВт на тепловой электро-

станции включает в себя более 1600 контролируемых параметров,

свыше 1000 регулирующих блоков, 120 локальных контуров регули-

рования.

Переработка больших объемов информации, увеличение площа-

ди щитов, занятых вторичными приборами, локальными регуляторами

и защитно - сигнализирующими устройствами, при физиологической

ограниченности возможностей человека в переработке больших объе-

мов информации привела к возникновению такого вида средств изме-

рений, как измерительные информационные системы (ИИС).

По функциональному назначению ИИС делят на:

- измерительные системы;

- системы автоматического контроля;

- системы технической диагностики;

- измерительно-вычислительные комплексы.

По организации алгоритма функционирования ИИС различают:

- системы с жестким, заранее заданным алгоритмом функцио-

нирования;

- программируемые системы;

- адаптивные системы.

В системах с жестким алгоритмом функционирования алгоритм

работы ИИС не меняется, и такая система может применяться в объ-

ектах работающих в определенном режиме. В программируемых сис-

темах алгоритм работы изменяется в соответствии с заранее заданной

программой, которая составляется в зависимости от условий функ-

ционирования объекта исследования. В адаптивных системах алго-

ритм работы изменяется, приспосабливаясь к изменениям измеряемых

величин и условий работы объекта. Для адаптивных систем требуется

меньшее количество предварительной информации, чем для систем с

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

259

жестким алгоритмом функционирования, что имеет большое значение

для новых объектов, характеристики которых мало известны.

Основными функциями ИИС являются:

- получение измерительной информации от объекта:

- обработка измерительной информации;

- представление информации оператору или ЭВМ;

- формирование управляющих воздействий на объект.

На рисунке 10.1 представлена обобщенная структурная схема

ИИС, содержащая следующие устройства:

- устройства измерения, включающие в себя первичные и вто-

ричные измерительные преобразователи и собственно изме-

рительное устройство, выполняющее операцию сравнения с

мерой;

- устройство обработки измерительной информации, выпол-

няющее обработку измерительной информации по опреде-

ленному алгоритму;

- устройство хранения информации;

- устройство представления информации в цифровом виде;

- устройство управления, служащее для организации взаимо-

действия между объектом и другими устройствами ;

- устройство воздействия на объект.

Информация от ИИС может выдаваться оператору или поступать

в ЭВМ. Оператор ЭВМ может воздействовать на устройство управле-

ния ИИС, меняя соответственно программу ее работы. При наличии в

Объект

Устройство

измерения

Устройство

обработки

информации

Устройство

хранения

информации

Устройство

хранения

информации

Оператор

или

ЭВМ

Устройство

управления

Устройство

воздействия

на объект

Рисунок 10.1 – Структурная схема измерительной информационной

системы