Государственное профессиональное

Государственное профессиональное

образовательное учреждение

«Енакиевский металлургический техникум»

ПМ 01. МДК.01.02 Методы осуществления стандартных и сертификационных испытаний, метрологических поверок средств измерений

Раздел 2. Технологические измерения параметров процесса

Тема 6 «Измерения влажности газов, сыпучих и твердых веществ»

Тема 6.1

Лекция 54

«Измерение влажности газов, сыпучих и твердых веществ»

План.

1. Абсолютное и относительное содержание водяных паров в газе.

2. Психометрический метод измерения относительной влажности.

3. Конденсационный метод измерения.

4. Сорбционный метод измерения.

5. Подогреваемый датчик типа АГП-210.

6. Измерение влажности твёрдых и сыпучих материалов.

7. Кондуктометрический метод измерения влажности сыпучих материалов.

8. Радиометрический нейтронный метод измерения влажности шихты агломерата руды, кокса, песка, грунта и др.

9. Контрольные вопросы.

10. Вопросы для самостоятельного изучения.

11. Литература. Информационные ресурсы.

Преподаватель ____________________ Г.В. Лунина

Обратная связь:

Телефон 0713723931

Эл. почта: luninagalina@rambler .ru

Лекцию законспектировать (высылать фото лекции НЕ НАДО!)

Вопросы и домашнее задание письменно – прислать фото

1. Абсолютное и относительное содержание водяных паров в газе.

Водяные пары, содержащиеся в некоторых газах, являются нежелательным компонентом. Так, избыточное количество водяных паров в газообразном топливе приводит к уменьшению теплоты сгорания газа, что снижает температуру в топочном пространстве агрегата. Содержащаяся в продуктах сгорания влага вызывает коррозию конструктивных элементов газоотводящих трактов и ухудшает работу дымовой трубы. В таких газах, как защитные атмосферы, используемые при проведения специальных видов термообработки и в других технологических операциях, влага должна практически отсутствовать. В доменных печах горячее воздушное дутье должно содержать определенное количество водяных паров в целях стабилизации хода доменной плавки.

Приведенные примеры показывают, что постоянный или периодический контроль содержания водяных паров в различных газах позволяет обеспечивать оптимальный технологический режим в различных агрегатах.

Содержание водяных паров в газах выражается абсолютной или относительной влажностью.

Абсолютная влажность показывает содержание водяных паров в единицах объема влажного или сухого газа при нормальных условиях. Пересчет абсолютной влажности, отнесенной к сухому и влажному газу, производится по формуле

где f — содержание водяных паров во влажном газе, г/м³;

f ₀ — содержание водяных паров в сухом газе, г/м³;

804 — плотность водяных паров при 0 °С и 101, 325 кПа, г/м³.

Относительная влажность показывает отношение водяных паров, содержащихся в 1 м³ газовой смеси, к максимально возможному содержанию водяных паров, соответствующих состоянию насыщения при той же температуре. Относительная влажность выражается в относительных единицах или в процентах и определяется по формуле

где - относительная влажность газа, %;

f _н - абсолютная влажность газа в состоянии насыщения его паром при данной температуре, г/м³.

Иногда относительная влажность выражается соотношением

где Р_П — парциальное давление водяных паров, находящихся в газе;

Р_П.Н. — парциальное давление водяных паров в паро-газовой смеси при насыщении ее паром.

Парциальным называют давление водяного пара, которое он производил бы в отсутствие других газов в воздухе.

В производственных условиях влажность газов часто выражают температурой точки росы, представляющей собой температуру, при которой газ насыщен парами воды. Значения абсолютной влажности и парциального давления пара при 101,325 кПа в насыщенном газе в зависимости от температуры насыщения t следующие:

Таблица 1. Зависимость абсолютной влажности от температуры и парциального давления пара, приведенная к нормальным условиям

t, °С	—60	—50	—40	—30	—20	—10	-5
Р_н._п, кПа	0,001	0,004	0,013	0,038	0,102	0,26	0,4013	0,611	0,8666	1,227	1,7065	2,37	3,173	4,241
f_Н, г/м³ сух	0,008	0,029	0,1	0,28	0,81	2,1	3,2	4,8		9,8	13,7	18,9		35,1
t, °С
Р_н._п, кПа	5,6261	7,375	9,5856	12,3454	15,7318	19,918	24,9975	31,1569	38,5428	47,3419	70,0997	101,3232	143,319	198,5135
f_Н, г/м³ сух	47,3	63,1		111,4								-	-	-

Если давление смеси газа и водяных паров отличается от 101,325 кПа, необходимо найденную по этим соотношениям влажность f_H (г/м³ сух.) пересчитать по формуле

где f_H - содержание водяного пара в газе при давлении 101,325 кПа;

Р_н._п - парциальное давление пара в смеси при 101,325 кПа;

Р — абсолютное давление газа.

Измерение влажности газов производится психрометрическим, конденсационным или сорбционным методом.

2. Психометрический метод измерения относительной влажности.

Психрометрический метод измерения влажности газов основан на измерении температуры газовой среды двумя термометрами, один из которых обернут влажной тканью. Эти два термометра будут иметь разные показания. Понижение температуры влажного термометра происходит в результате затраты тепла на испарение жидкости в окружающую среду. Чем ниже влажность окружающей среды, тем интенсивнее идет испарение влаги с поверхности мокрого термометра. Следовательно, разница в показаниях сухого и мокрого термометров будет тем больше, чем ниже влажность в измеряемой точке. По разности температур и температуре сухого термометра t_с с помощью таблиц или номограмм определяется влажность газа (см. рис. 1).

Психрометрический метод измерения влажности газовых сред реализован в приборах различной конструкции от переносных до автоматических. На рисунке 2 представлена схема автоматического психрометра, в котором использовано микропроцессорное устройство для обработки и получения информации об абсолютной и относительной влажности газовой среды.

Прибор состоит из рабочей камеры, разделенной на две половины, в каждой из которых расположены термометры сопротивления. Один из термометров (сухой термометр) определяет действительную температуру газовой среды, tс.

Второй термометр (чувствительная его часть) обернут влажным гигроскопическим материалом.

Микропроцессор выдает следующие данные: абсолютную влажность f, относительную влажность ε и температуру газовой среды tсух.

Рисунок 1. Номограмма для определения влажности газа

Рисунок 2 – Психрометр: 1 – вентилятор; 2 – "сухой" термометр; 3 – "мокрый" термометр; 4 – влажная ткань; 5 – сосуд с водой; 6 – микропроцессор

Задача 1.

При температурах сухого и мокрого термометров и давление насыщенного пара 14 и 11 мм рт. ст., атмосферное давление 760 мм рт. ст.. определить расчетное значение относительной влажности и сравнить его с приведенным в приложении (психрометрическая таблица), если

Решение

Влажность находим по формуле:

Согласно психрометрической таблице при температуре сухого термометра и разности показаний сухого и мокрого термометров

Абсолютная погрешность результата:

Задача 2.

При температурах сухого и мокрого термометров и давление насыщенного пара 34 и 25 мм рт. ст., атмосферное давление 760 мм рт. ст. уточнить значение психрометрического коэффициента.

Решение

Влажность можно найти по формуле

И по таблице. Табличное значение влажности при указанных температурах сухого и влажного термометров:

Тогда психрометрический коэффициент будет равен:

3. Конденсационный метод измерения влажности

Конденсационный метод или метод точки росы основан на измерении температуры гладкой металлической поверхности в момент выпадения на ней конденсата, т.е. в момент, когда водяной пар, содержащийся в газе, достигает насыщения. Для получения конденсата производится постепенное охлаждение металлической пластинки с обратной стороны холодной водой или специальным хладагентом до температуры точки росы (tт.р.). При известной начальной температуре газовой среды (tг) и температуре точки росы (tт.р.) можно определить абсолютную и относительную влажность, используя табличные данные по давлению и плотности насыщенных паров воды (Приложение К).

Задача 3. Определить абсолютную и относительную влажность 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/м3.

Определим максимальное количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе в состоянии насыщения при температуре воздуха +25°С, по табличным данным: fмакс=23,1 г/м3.

Относительная влажность определится отношением:

Для определения влажности газовых сред (воздуха, горючих газов, технологических газов и других газовых сред) используются влагомеры, в которых момент появления росы на металлической пластинке фиксируется визуально или автоматически.

На рисунке 3 показана схема прибора, в котором непрерывно автоматически поддерживается температура точки росы. Прибор состоит из двух сочлененных между собой камер: холодильной 1 и газовой 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 металлической пластинки 2 на ее зеркальной поверхности при определенной температуре появятся капельки воды (роса) из охлажденного газа.

При этом резко уменьшится освещенность фотоэлемента 4, а на выходе усилителя 5 электрический сигнал будет равен нулю и реле 6 включит нагреватель 7, расположенный в холодильной камере. Повышение температуры воды приведет к увеличению температуры пластинки и к испарению влаги. Появившийся сигнал на выходе усилителя, отключит через реле нагреватель и при этом снова начнется процесс охлаждения пластинки до появления росы. Таким образом, система автоматически будет поддерживать температуру пластинки близкой к температуре точки росы. Установленный в металлической пластинке чувствительный элемент (например, термистор) покажет на вторичном приборе небольшие колебания температуры вокруг температуры точки росы.

Рисунок 3 – Конденсационный влагомер: 1 – холодильная камера; 2 – металлическая пластинка; 3 – газовая камера; 4 – фотоэлемент; 5 – электронный усилитель; 6 – реле; 7 - нагреватель

Приборы для измерения влажности, основанные на измерении точки росы, отличаются большой точностью и могут применяться в промышленных объектах, где необходимо непрерывно измерять влажность технологических газов.

Дальнейшее усовершенствование 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.

3. Сорбционный метод измерения.

Сорбционный метод измерения влажности газов основан на измерении электрических свойств влагосорбирующего материала в зависимости от изменения влажности окружающей среды.

Сорбционный метод измерения влажности используется в кулонометрических и электролитических влагомерах.

На рис. 4 показана схема кулонометрического влагомера, основанного на измерении тока электролиза воды, поглощаемой сорбентом из анализируемого газа.

Датчик прибора представляет собой цилиндрическую трубку 1 небольшого диаметра, на внутренней поверхности которой размещены два спиральных платиновых электрода 2. Электроды и зазор между ними покрыты тонкой пленкой фосфорного ангидрида 3, которая имеет большое сопротивление в сухом виде и малое сопротивление при поглощении влаги.

Анализируемый газ с постоянной скоростью непрерывно пропускают через трубку датчика. При этом непрерывно происходят два процесса:

Пятиокись фосфора активно поглощает влагу, образуя фосфорную кислоту, и под воздействием напряжения постоянного тока, приложенного к электродам, происходит электролиз фос форнойкислоты. В установившемся равновесии количество поглощенной влаги и единицу времени равно количеству удаленной. Токэлектролиза, измеряемый микроамперметром, является мерой концентрации влаги в анализируемом газе.

Кулонометрические влагомеры предназначены для измерения микроконцентраций влаги в газах от 10^-4 до 1% (объемн.) [температура точки росы ] с погрешностью ±(5—10)%.

В металлургии для измерения влажности газов наибольшее применение находят электролитические сорбционные датчики (гигрометры). Принцип действия электролитических датчиков основан на зависимости электрических свойств чувствительного элемента от влажности окружающего газа. Эти датчики различаются по принципу действия и конструктивному исполнению (неподогреваемые и подогреваемые).

а) б)

Рисунок 4. а) Схема кулонометрического влагомера; б) схема электрического влагомера.

Неподогреваемые датчики имеют чувствительный элемент, выполненный из гигроскопического материала, находящегося между электродами. Этот материал находится в гигрометрическом равновесии с контролируемой средой и изменяет свое сопротивление при изменении влажности. Например, в выпускаемых промышленностью датчиках типа АГС-210 чувствительным элементом является влагосорбирующая пленка из окиси алюминия, находящаяся между двумя электродами. В зависимости от изменения влажности окружающего газа изменяется электропроводность пленки.

Принцип действия электролитических подогреваемых датчиков основан на измерении температуры пирометрического равновесия, при котором давление водяных паров над поверхностью насыщенного раствора гигроскопической соли хлористого лития (LiCl) уравновешивается давлением водяных паров измеряемой среды.

4. Подогреваемы датчик типа АГП-210.

Подогреваемый датчик типа АГП-210 представляет собой терморезистор 1, на который надет чулок из стеклоткани 2, пропитанной раствором хлористого лития LiCl с навитыми на него бифилярно проволочками 3 и 4 из платины или серебра.

Датчик помещен в колпачок 5 из нержавеющей стали. К проволочкам подключено переменное напряжение, вызывающее ток, пропорциональный содержанию влаги в хлористом литии. Раствор стеклоткани нагревается до температуры кристаллизации LiCl, в результате чего образуется твердая соль, резко возрастает сопротивление между электродами, а также уменьшаются сила тока итемпература датчика. Понижение температуры длится до тех пор, пока вследствие понижения влажности окружающей среды проводимость раствора между электродами не увеличится вновь, что вызовет новое увеличение тока и повышение температуры датчика. В датчике происходит колебательный процесс изменения температуры около среднего ее значения, равного значению равновесной температуры, соответствующему измеряемой влажности. Таким образом, постоянно протекают два процесса, оказывающих противоположное влияние: испарение влаги из пропитанной раствором LiCl стеклоткани и поглощение, влаги вследствие гигроскопичности соли. Равновесие наступает, когда парциальное давление водяного пара Р_П над насыщенным раствором хлористого лития уравняется с парциальным давлением водяного пара в атмосфере Р_п._а. Температура датчика, при которой устанавливается это равновесие, однозначно связано с влажностью анализируемого, газа, т.е. с температурой точки росы, которая измеряется терморезистором, находящимся внутри датчика и включенным в схему измерительного моста 6. Точка росы в подогреваемых гигрометрах отсчитывается от —45 до +60 °С. Подогреваемые датчики имеют стабильную зависимость R =f (Т), поэтому обладают хорошей взаимозаменяемостью, их погрешность не превышает 2%. Недостатком таких датчиков является то, что их характеристика одновременно зависит и от влажности газа, и от его температуры, вследствие чего датчики работают в комплекте с регулятором температуры.

5. Измерение влажности твёрдых и сыпучих материалов.

Содержание влаги в твердых и сыпучих телах характеризуется соотношением

или ,

где W — влажность вещества;

М — масса влаги, содержащейся в веществе;

М₀ — масса абсолютно сухого вещества;

М₁ — масса влажного вещества.

Иногда влажность выражают в процентах. В металлургии очень важным параметром, существенно влияющим на процесс производства, является влажность сыпучих материалов. Например, качество агломерата и окатышей при их производстве во многом определяется влажностью шихты, качество литейных форм определяется влажностью формовочной земли и т. д.

Для измерения влажности сыпучих тел используют главным образом электрические и радиоизотопные методы.

В электрических методах измерения используют зависимость различных электрических свойств тела от влажности.

Большинство выпускаемых промышленностью влагомеров для контроля влажности сыпучих материалов основано на измерении диэлектрической проницаемости среды. Чувствительным элементом этих влагомеров является плоский конденсатор, диэлектриком которого служит испытуемая среда.

Емкость плоского конденсатора определяется из соотношения с = S/d,

где с — емкость конденсатора, Ф;

— диэлектрическая проницаемость, Ф/м;

d — расстояние между обкладками, м;

S — площадь обкладок, м².

Для сухих веществ пФ, а для воды =81 пФ, поэтому небольшое изменение влажности материала приводит к значительному изменению . Диэлектрическая проницаемость влажного вещества измеряется через емкость конденсаторного датчика.

В измерительной схеме (рис.) емкость конденсаторного датчика с_х определяется с помощью параллельного резонансного контура с индуктивностью L и емкостью с₀. Контур отделен от генератора Г индуктивностью и емкостью. Резонанс в контуре достигается настройкой переменного конденсатора с₀. Индикатором резонанса является вольтметр В. Если емкости конденсаторов равны, стрелка вольтметра будет находиться на нуле. При изменении влажности емкость датчика изменяется, что создает асимметрию в работе генератора и отклонение стрелки вольтметра. Для восстановления симметрии необходимо изменить емкость переменного конденсатора с₀ так, чтобы суммарная емкость первого контура стала вновь первоначальной. Таким образом, изменение положения с₀ является показателем влажности контролируемой среды. Электрические методы измерения влажности шихтовых сыпучих материалов обладают существенными недостатками: электрические свойства материалов зависят не только от влажности, но и от химического состава материала, его температуры, неравномерности распределения и др. Поэтому емкостные методы контроля влажности используются только со специальными приспособлениями для каждого конкретного случая измерений.

6. Кондуктометрический метод измерения влажности сыпучих материалов.

Наиболее простым и широко применяемым методом измерения влажности сыпучих и твердых пористых тел является кондуктометрический, основанный на измерении активного сопротивления преобразователя, между электродами которого размещается испытуемое вещество. Электропроводность пористых веществ с увеличением влажности резко возрастает за счет растворения в воде электролитов, входящих в состав таких веществ.

Для измерения влажности по электропроводности используются игольчатые (зубчатые) электроды, вдавливаемые на определенную глубину в испытуемый материал. Например, для измерения влажности аглошихты по электропроводности датчики в виде металлических гребенок устанавливают на конвейерных лентах.

Недостатком данного метода является зависимость сопротивления материала не только от влажности, но и от содержания электролитов в исследуемом материале, его плотности и структуры, неравномерности распределения, влаги по объему, а также от температуры материала. Поэтому погрешность измерения высока: 6—10%.

Кондуктометрический метод целесообразно применять для измерения влажности сыпучих и твердых тел в диапазоне влажности 5—20%. Верхний предел ограничен падением чувствительности с ростом влажности, нижний — трудностями измерения очень больших сопротивлений (10¹⁰—10¹² Ом).

Рисунок 5. Схема емкостного измерителя влажности

7. Радиометрический нейтронный метод измерения влажности шихты агломерата руды, кокса, песка, грунта и др.

Для определения влажности шихтовых сыпучих материалов наиболее перспективным является радиометрический нейтронный метод. Сущность этого метода заключается в том, что быстрые нейтроны, испускаемые источником, попадая в вещество, взаимодействуют с ядрами атомов, в результате чего замедляются. В окружающей среде появляются тепловые нейтроны, которые могут регистрироваться специальными счетчиками.

Процесс взаимодействия нейтрона с веществом характеризуется параметром замедления:

где E₁ и Е₂ — энергия нейтрона до соударения и после.

Величина определяется только массой рассеивающего ядра.

Плотность образовавшихся вокруг источника тепловых нейтронов зависит от замедляющей способности вещества. Замедляющая способность водорода во много раз превышает замедляющую способность других элементов. Поэтому плотность тепловых нейтронов, возникающих во влажном материале, будет определяться содержанием водорода в этом материале, т.е. его влажностью. Схема устройства для контроля влажности по поглощению ядерного излучения приведена на рис. 6 В этой схеме используют два датчика излучения 1. Излучение от одного датчика проходит через материал 2, влажность которого контролируется, излучение от другого датчика проходит через компенсационный клин 3. Оба потока попадают на приемник излучения 4. При равенстве потоков выходной сигнал приемника излучения равен нулю. Изменение влажности материала вызывает сигнал рассогласования на выходе приемника 4. Этот сигнал, усиленный усилителем 5, управляет реверсивным двигателем 6, перемещающим клин 3 до наступления баланса. По изменению положения стрелки, жестко связанной с клином 3, определяется влажность материала по шкале 7.

Основным недостатком радиоизотопных методов измерения является необходимость защиты от действия излучения.

Прибор определяет объемную влажность с точностью 0,3— 2%; Датчики устанавливаются на конвейерах для определения влажности шихты агломерата, руды, кокса, песка, грунта и др.

Рисунок 6. Схема радиоизотопного влагомера

Вопросы:

1. Какими способами производится измерение влажности газов?

2. На чем основан психрометрический метод измерения влажности газов?

3. Принцип работы кулонометрического влагомера.

4. Устройство и принцип работы подогреваемого датчика типа АГП-210.

5. Достоинства и недостатки кондуктометрического метода измерения влажности сыпучих материалов.

6. Сущность радиометрического нейтронного метода измерения влажности шихтовых сыпучих материалов.

Домашнее задание:

1. Выучить определения.

2. Электролитические подогреваемые и неподогреваемые датчики.

3. Нейтронный метод измерения влажности сыпучих и твердых материалов.

4. Задача. При температурах сухого и мокрого термометров и давление насыщенного пара 28,35 и 21,07 мм рт. ст., атмосферное давление 759 мм рт. ст.. определить расчетное значение относительной влажности и сравнить его с приведенным в приложении (психрометрическая таблица), если

5. Задача. При температурах сухого и мокрого термометров и давление насыщенного пара 23,8 и 19,8 мм рт. ст., атмосферное давление 760 мм рт. ст. уточнить значение психрометрического коэффициента.

6. Задача. Определить абсолютную и относительную влажность воздуха, если температура воздуха равна +35°С, а температура точки росы составила +15°С.

Литература:

1. Чистофорова Н.В., Колмогоров А.Г. Технические измерения и приборы. Учебное пособие. Ангарск, 2008. 200с.

2. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. – Москва. Энергия. 1979 – 704 с.

3. Туяхов А.И. Практическая метрология и измерения. Учебное пособие. – Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. – 308 с

4. Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справочное пособие: пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 144 с. Ил.

5. «Технические измерения и контрольно-измерительные приборы» Беленький и др. М. Металлургия, 1981. с. 158-173

6. «Средства измерения, контроля и автоматизации технологических процессов» Котов К.И., Шершевер М.А. М.М. 1989. с. 52-54

7. «Теплотехнические измерения» - Мурин Г.А., М.Э. 1979.

Приложения

Психрометрическая таблица.

По горизонтали - показания сухого термометра, по вертикали - разница показаний сухого и смоченного термометра, на пересечении - относительная влажность воздуха, %. Психрометрическая жидкость – вода