Измерение влажности газовой среды. Влагомер АВП-201

Измерение влажности газовой среды. Влагомер АВП-201

.    
Особенности измерения влажности газов

Необходимость контроля влажности возникает во многих отраслях промышленности: при кондиционировании воздуха, в газосборниках, холодильниках и сушильных установках.

Содержание влаги в газе характеризуется его абсолютной и относительной влажностью.

Под абсолютной влажностью газа понимают массовое количество водяного пара, содержащегося в 1 м³ этого газа.

Относительная влажность - это отношение массы водяного пара в 1 м³ газовой смеси к массе 1 м³ насыщенного пара при той же температуре и давлении.

Из определения абсолютной влажности следует, что это плотность водяного пара r_п находящегося в парогазовой смеси, т. е.

где P_п - парциальное давление водяных паров, Па; R_п - газовая постоянная водяного пара; Т - абсолютная температура влажного газа, °К.

Так как при температуре до 100°С максимально возможная масса водяного пара, заключающегося в 1 м³ газовой смеси, есть его плотность в насыщенном состоянии r_{п н}, то относительная влажность газа равна

С достаточной для практики точностью отношение плотности можно заменить отношением парциальных давлений, т.е.

Таким образом, относительная влажность j газа показывает степень насыщения смеси водяными парами. Она равна отношению парциального давления содержащегося в газе водяного пара Р_п к парциальному давлению насыщенных водяных паров Р_пн при той же температуре.

Относительная влажность газов обычно выражается в процентах:

Измерение влажности газов обычно производится одним из трех методов: 1) психометрический; 2) по точке росы, заключающемся в определении температуры, при которой содержащийся в газе водяной пар достигает состояния насыщения при неизменном давлении и 3) поглотительным, основанным на поглощении гигроскопическим телом влаги из окружающего газа и изменении при этом физических свойств этого тела.

Наибольшее распространение получил психрометрический метод, основанный на зависимости интенсивности испарения влаги в окружающую газовую среду от влажности этой среды. Интенсивность испарения тем больше, чем суше испытуемая среда и наоборот - тем меньше, чем больше количество водяных паров содержит газовая среда. Так как процесс испарения влаги требует затраты определенного количества тепла (скрытой теплоты испарения), заимствуемого из влаги, то температура последней, а также соприкасающихся с ней тел понижается и притом тем значительней, чем интенсивнее идет испарение (чем суше окружающая среда).

Тело, с поверхности которого происходит испарение, принимает некоторую температуру, известную под названием температуры «мокрого» термометра; чем меньше влажность испытуемой газовой среды, тем ниже температура «мокрого» термометра и тем больше разность показаний «сухого» и «мокрого» термометров или психрометрическая разность. Приборы, построенные на этом принципе, называются психрометрами.

Измерение относительной влажности исследуемого газа сводится к измерению разности показаний двух одинаковых термометров, установленных рядом. Один из них постоянно смачивается водой, а другой остается сухим. Приравнивая расход тепла на испарение влаги с «мокрого» термометра и приток тепла, передаваемого последнему из газовой среды в момент равновесия между потерей и притоком тепла, можно вывести зависимость между относительной влажностью газа и психрометрической разностью. Эта зависимость выражается уравнением:

где  - парциальное давление содержащегося в испытуемой среде водяного пара при температуре «сухого» термометра;  - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t_c «сухого» термометра;  - парциальное давление насыщенного водяного пара, насыщающего испытуемую среду при температуре t_м «мокрого» термометра; t_c - температура «сухого» термометра; t_м - температура «мокрого» термометра; А - психрометрическая постоянная, зависящая от конструкции прибора, скорости обдувания влажного термометра исследуемым газом и давления газа.

Коэффициент А определяется по психрометрическим таблицам, составленным для определенных конструкций психрометров. При скоростях обдувания влажного термометра больше 2,5-3 м/с величина А практически остается постоянной. Зная температуру t_м «мокрого» термометра и t_c «сухого» термометра, по таблицам находят величины  и  и с учетом А вычисляют относительную влажность j.

2. Автоматический психрометрический влагомер АВП-201

Влагомер АВП-201 предназначен для непрерывного контроля относительной влажности парогазовой смеси в замкнутых технологических объемах и помещениях.

Первичный преобразователь влагомера рассчитан для работы с измерительным прибором, разработанным на базе стандартного прибора типа КСМ-3 модификации 1300, снабженного контактным задатчиком для 2-х и 3-х позиционного регулирования с ручной установкой задания. Это позволяет использовать влагомер АВП-201 в системах автоматического регулирования.

Конструкция влагомера включает в себя три основных блока: первичный преобразователь, панель, измерительный прибор.

Первичный преобразователь (рис. 1) состоит из следующих узлов: чувствительных элементов температуры - терморезисторов 1 и 2, установленных в полости элемента 3, иглы 4 для подачи и распыления воды; штуцера подвода воды 5; змеевика 6, поддерживающего температуру воды, равной температуре измеряемой среды; эжектора - побудителя 7 расхода измеряемой воды; кронштейна 8 с отверстиями для крепления первичного преобразователя; платы 9 для соединения электрических цепей первичного преобразователя и измерительного прибора; защитного колпака 10 с отверстиями для поступления измеряемой парогазовой среды.

Рис. 1. Первичный преобразователь

В основу работы влагомера положен психометрический метод измерения относительной влажности.

Чувствительный элемент влажности представляет собой полый термостойкий корпус, в котором установлены «сухой» R14 и «мокрый» R15 термочувствительные элементы - термисторы типа ММТ-4аТ, сопротивлением 1,8 кОм при 20°С (рис. 2).

При подаче в эжектор 7 (рис. 1) сжатого воздуха давлением 0.08 ± 0.005 МПа происходит отбор измеряемой среды, а также воды из бака через змеевик 6 и иглу 4. В результате в полости чувствительного элемента влажности вокруг «мокрого» термометра 1 образуется водяной туман, смачивающий его поверхность.

Температура «мокрого» термистора является функцией влажности измеряемой среды. Изменения сопротивлений «мокрого» и «сухого» терморезисторов, пропорциональные относительной влажности и температуре измеряемой среды, отрабатываются электрической схемой измерительного прибора (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема

Электрическая схема прибора представляет собой равновесный мост переменного тока, в смежные плечи которого включены «мокрый» и «сухой» терморезисторы R14 и R15 соответственно.

При изменении влажности измеряемой среды изменяется сопротивление терморезистора R15 и нарушается равновесие измерительной схемы. В результате в диагонали моста появляется напряжение разбаланса, которое через уравновешивающую схему вызывает перемещение движка по реохорду к положению, обеспечивающему уравновешивание измерительной схемы. В момент равновесия измерительной схемы положение указателя на шкале определяет значение измеряемой величины.

При работе на 1-м поддиапазоне (21-39) °С в электрическую схему подключаются резисторы: R1, R3, R5, R7, R8, и R11. Переменным резистором R8 осуществляется настройка верхнего предела шкалы (100%), а нижний предел шкалы (10%) настраивается переменным сопротивлением R11.

При переключении на 2-ой поддиапазон (31,5-59) °С в плечи моста включаются резисторы: R2, R4, R6, R10, R12. При этом резистором R10 производится настройка верхнего предела шкалы (100%), а резистором R12 - нижнего предела шкалы (10%).

На мост подается напряжение переменного тока ~6,3 В через резистор R13.

а) Режим работы - непрерывный;

б) анализируемая среда - парогазовая смесь;

в) диапазон измерения относительной влажности от 10 до 100% при изменении температуры измеряемой среды от 30 до 100°С;

г) шкала влагомера нелинейна, отградуирована в единицах относительной влажности от 10 до 100% с ценой деления 1%;

д) допустимая температура окружающей среды от 10 до 50°С, допустимая влажность от 20 до 80%;

е) предел основной абсолютной погрешности должен быть ±3% относительной влажности и предел допускаемой приведенной погрешности влагомера должен быть не более ±3% от верхнего предела шкалы;

ж) время установления показаний влагомера при скачкообразном изменении влажности, не более 90 с;

з) расход анализируемой среды через первичный потребитель 25 ± 5 л/мин;

и) вероятность безотказной работы влагомера за 1000 ч. не менее 0,89.

Литература

влажность психрометрический влагомер

1. Волынский В.А. и др. Электротехника /Б.А. Волынский, Е.Н. Зейн, В.Е. Шатерников: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 528 с., ил.

. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 2009. - 440 с., ил.

. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехн. спец. вузов /В.Г. Герасимов, О М. Князьков, А Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; под ред. В.Г. Герасимова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006. - 336 с., ил.

. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Высшая шк. - 2006 г.

. Электротехника и электроника в 3-х кн. Под ред. В.Г. Герасимова Кн.2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая шк. - 2007 г.