Гигрометры с кулонометрическими датчиками.

Принцип действия кулонометрических гигрометров, предложенных Кейделем в 1956 г., основан на непре­рывном поглощении влаги пленкой гигроскопического вещества и одновременном электролитическом разложе­нии поглощенной влаги на водород и кислород. При этом ток электролиза в установившемся режиме является мерой содержания объемной доли влаги в анализируемом газе. Принцип действия гигрометра иллюстрируется рисунком 1.

Рис. 1 - Иллюстрация принципа действия гигрометра

1 - корпус чувствительного элемента;

2 - рабочий электрод;

3 - контрольный электрод;

4 - общий электрод (кроме того, выполняющий функцию нагревателя);

5 - сорбент (частично гидратированная пятиокись фосфора Р2О5);

6 - источник питания нагревателя;

7 - измерительная схема;

8 –источник питания чувствительного элемента.
Материал, из которого изготов­лен чувствительный элемент, должен являться высоко­эффективным сорбентом, иметь высокое удельное сопро­тивление в сухом виде и высокую проводимость после адсорбции влаги, обладать хорошими адгезионными свойствами и механической прочностью, а также не под­вергаться разложению в процессе электролиза. Сумме этих требований лучше всего удовлетворяет фосфорный ангидрид Р2О5. Исследуемый газ пропускают через датчик над тонкой пленкой частично гидратированного Р2О5, снабженной двумя металлическими электродами, к которым подводится постоянный ток. В датчике непре­рывно происходят два процесса: поглощение влаги плен­кой с образованием фосфорной кислоты и электролиз воды с регенерацией фосфорного ангидрида.

Р2О5+Н2О→2НРO3;

2НРO3→Н2 + ½O2 + Р2O6

Влага из газа должна полностью поглощаться чув­ствительным элементом и электролиз воды должен быть полным. Для этого напряжение на электродах должно быть не меньше 2В (потенциал разложения воды бли­зок к этой величине), а датчик должен иметь размеры (длину), достаточные для поглощения из потока газа всей влаги. При соблюдении этих условий между обоими процессами наступает равновесие и установившееся зна­чение силы тока, протекающего через электроды, про­порционально произведению абсолютной влажности на расход газа.

Верхний предел напряжения на электродах опреде­ляется электрической прочностью датчика.

Согласно закону Фарадея сила тока электролиза в указанных условиях равна:

I=ср_пq, A, (4.1)

где р_п — абсолютная влажность газа, г/см³ (р_п равно­значна плотности водяного пара); q— расход газа (объемный), см³/сек; с — количество электричества, не­обходимое для разложения 1 г вещества; для воды с= 1,07∙10⁴ A ∙сек/г. Используя приведенные в соотношения между различными единицами влажности газов, можно выразить зависимость между I и влагосодержанием газа в миллионных долях — массовых (х_м) или объемных (хо). Действительно:

х_м= 10⁶d= 10⁶ р_п /p_c, (4.2)

где d — влагосодержание (отношение смеси) в долях единицы; р_с — плотность сухого газа;

x₀—x_m/y — 10⁶p_п/ y р_с, (4.3)

где у — отношение молекулярной массы водяного пара к молекулярной массе сухого газа; для воздуха у ≈ 0,622.

Из (4.1) —(4.3) получим:

I=cqp _сх_м 10^-6=cqp_cyx₀ 10^-6. (4.4)

Аналогичные соотношения связывают силу тока I и с другими величинами, характеризующими влажность газа. В кулонометрических гигрометрах расход газа поддерживается постоянным и при постоянных темпе­ратуре и давлении газа сила тока через датчик пропор­циональна влагосодержанию газа.

Уравнения (4.1) и (4.4) можно рассматривать как статические характеристики кулонометрического датчи­ка. При условии, что влага полностью поглощается чувствительным элементом датчика, их мож­но записать в виде

I=kqb, (4.5)

где b — любая из величин, характеризующих влажность газа; k—статический коэффициент передачи датчика.

Значение коэффициента k определяется принятыми единицами измерения силы тока I и величины b; он является функцией температуры t и давления р газа.

Дополнительные погрешности измерения связаны с влиянием параметров t и р на величину расхода q. Если q₀ — номинальный расход газа при нормальных условиях (t₀=20°С и р=760 мм рт. ст.), то при условиях измерения значение расхода будет:

q=q₀∙ (273,16+t)∙760

293,16 р

где t — в ^oС, р — в мм рт. ст. Кулонометрический гигро­метр может давать показания в единицах влагосодер­жания (отношения смеси), не зависящие от t и р, если стабилизировать не объемный, а массовый расход газа. Однако на практике, как правило, используются объемные расходомеры. При условии 100%-ной эффек-

тивности чувствительного элемента^[1] Кулонометрический метод можно рассматривать как абсолютный, допускаю­щий возможность расчетной градуировки гигрометров.

Основной элемент гигрометра — кулонометрический датчик — имеет различные конструктивные исполнения. Наиболее старая и распространенная модификация — трубчатый датчик (рис. 2,а) — состоит из цилиндри­ческой втулки из пластмассы (обычно тефлона-фторо-пласта-4), на внутренней поверхности которого закреп­лены два проволочных (платиновых) электрода в виде параллельных геликоидальных спиралей.

На поверхно­сти между электродами нанесена пленка частично гидратированной пятиокиси фосфора. Фторопластовая труб­ка закрепляется в корпусе (пластмассовом или метал­лическом) с контактами для соединения датчика с измерительным устройством. Геометрические размеры чувствительного элемента и расход газа подбираются так, чтобы обеспечить полное извлечение влаги из газа при заданном верхнем пределе измерения. У «стеклян­ных» чувствительных элементов влагопоглощающее ве­щество нанесено на подложку из стекла.

Рис. 2 Устройство чувствительных элементов кулонометрического датчика. а — с пластмассовым основанием; б — со стеклянным основанием; в — диффу­зионного; 1 — корпус; 2 — электроды; 3 — пленка Р2О5; 4 — выводы; 5 — диф­фузионный барьер; 6 — изоляционный стержень.

Применение стеклянного основания (или корпуса) уменьшает воз­можность коротких замыканий между электродами и проникновения водяного пара через пластмассовую обо­лочку, обладающую некоторой пористостью. На рис. 1,б показана конструкция стеклянного чувствительного эле­мента. Платиновые электроды, между которыми нане­сена пленка Р2О5, вплавлены во внутренний канал стек­лянной трубки; выводы электродов также вплавлены в стекло.

Известны и другие конструктивные исполнения стек­лянного элемента, например в виде U-образной стеклян­ной капиллярной трубки, закрепленной в пластмассовом основании, или кварцевого стержня, несущего на своей внешней поверхности электроды и пленку. Стержень закреплен по оси цилиндрического полого корпуса из нержавеющей стали. Если корпус (или часть его) изготовлен из стеклянной трубки, можно визуально контролировать состояние влагосорбирующей пленки и электродов.

В одной из последних конструкций на по­верхность круглого диска из отожженного стекла нано­сят техникой печатных схем электроды (платиновые с родиевым покрытием) в виде четырех групп парал­лельных дугообразных элементов.

Для измерений влагосодержаний выше 1000 м. д., в частности для метеорологических измерений влажно­сти воздуха, был разработан диффузионный датчик, в котором часть влаги из исследуемого газового потока диффундирует сквозь пористый гидрофобный барьер, а затем подвергается электролизу. Скорость диффузии не зависит от скорости воздуха; в диффузион­ном гигрометре отпадает необходимость в регуляторе расхода газа, так как его функции выполняет диффу­зионный барьер. Зависимость силы тока электролиза от влагосодержания у диффузионного датчика линейна в широких пределах; его недостаток — существенное уве­личение инерционности, особенно в диапазоне низких влагосодержаний. Основной величиной, влияющей на диффузию водяных паров, является температура. Тем­пературная погрешность диффузионного гигрометра составляет 0,6—0,7% на 1 °С. У диффузионного чувствительного элемента (рис. 1,в) электроды и пленка P2O5 расположены на внешней поверхности стеклянного или фторопластового стержня, а диффузионным барьером служит коаксиальная со стержнем перфорированная трубка из фторопласта

В последние годы предложено много усовершенство­ваний конструкций и технологии изготовления кулонометрических датчиков. К важнейшим относятся замена традиционных платиновых электродов родиевы­ми (проволока,из чистого родия, сплавов Rh + Pt, Rh + Ir или платиновая с родиевым покрытием). Родиевые элек­троды повышают срок службы датчиков благодаря предотвращению возникновения платиновой черни в междуэлектродном пространстве и устраняют погреш­ности от рекомбинации водорода с кислородом в воду. В процессе рекомбинации, который имеет место особен­но при высоких концентрациях водорода в исследуемом газе, платина может играть роль активного катализа­тора; родий обладает меньшей каталитической актив­ностью.

Динамические свойства кулонометрических гигро­метров определяются запаздыванием и инерционностью газоподводящей системы и влагочувствительного эле­мента. Инерционность газового тракта зависит от ско­рости газа, внутреннего объема коммуникаций и эле­ментов тракта, а также от материала, из которого они изготовлены. Как уже отмечалось, эта величина у ком­муникаций из фторопласта и нержавеющей стали во много раз меньше, чем у медных и особенно алюминие­вых. Постоянная времени кулонометрического чувстви­тельного элемента по прямо пропорциональна площади сечения сорбента и обратно пропорциональна квадратному корню произведения измеряемой влажно­сти, удельной проводимости сорбента и напряжения, приложенного к электродам. Температура газа, от кото­рой зависит проводимость сорбента, оказывает большое влияние на быстродействие датчика. Так, при пониже­нии температуры с 30 до —6°С постоянная времени увеличивается почти на порядок. Постоянная времени кулонометрического датчика при понижении влажности газа больше, чем при ее повышении. У серийных прибо­ров она равна соответственно 2—4 и 1,5—2,5 мин.

Опыт эксплуатации кулонометрических гигрометров показывает, что основным источником отказов является чувствительный элемент. Одной из основных причин выхода из строя является образование между электро­дами «мостиков» из платиновой черни, замыкающих электроды накоротко и загрязняющих канал. Образова­нию «мостиков» платиновой черни в значительной мере способствует работа датчика при повышенных влаго­содержаниях; длительная работа в таких условиях, а также кратковременные перегрузки по влажности су­щественно сокращают срок службы датчиков. Кроме того, указанному процессу содействует озон, выделяю­щийся в полости датчика, например, при его регенера­ции ортофосфорной кислотой. Значительно меньший процент отказов обусловлен дефектами и повреждением отдельных элементов датчиков.

Важнейшим внешним фактором, вызывающим явные и «скрытые» отказы (под последними подразумевается увеличение погрешности без выхода из строя), является наличие в анализируемом газе некоторых примесей. Нормальная работа кулонометрического датчика воз­можна лишь в газовых смесях, которые не содержат компонентов, вступающих в реакцию с веществом сор­бента или агрессивных по отношению к материалам деталей датчика, соприкасающихся с газом. К такого рода опасным компонентам относятся щелочные состав­ляющие, примесей аммиака и аэрозоли, содержащие щелочи, ацетон, спирты, разлагающиеся на активной пленке с образованием эфиров и воды, полимеризующиеся компоненты углеводородных газов — газообраз­ные непредельное углеводороды, фтористый водород, разрушающий при электролизе материал анода, и не которые другие соединения. Полимеризация примесей на пленке сорбента или реакции с ней, засорение меха­ническими примесями или обволакивание пленкой масла вызывают «проскоки» влаги, а затем полный выход из строя датчика. Чувствительный элемент кулонометриче­ского гигрометра является восстанавливаемым изделием — после выхода из строя его можно регенериро­вать по методике, предписанной изготовителем.

Для датчиков на пластмассовой основе характерно уменьшение времени наработки на отказ после каждой регенерации. От этого недостатка свободны датчики на стеклянной основе, у которых допустима многократная регенерация. Надежность этих датчиков значительно выше надежности датчиков на пластмассовой основе.

Если не считать отмеченных недостатков (чувстви­тельность к некоторым примесям и необходимость точ­ной стабилизации расхода газа), кулонометрические датчики имеют ряд преимуществ по сравнению с ЭГД других типов. К важнейшим относятся широкие пределы измерений, возможность работы в широком диапазоне температур и давлений, независимость основной харак­теристики от химического состава анализируемой смеси (за исключением «вредных» примесей), величины на­пряжения источника питания, формы и размеров элек­тродов и влагочувствительной пленки. Кулонометриче­ские датчики взаимозаменяемы и не требуют новой градуировки после регенерации. Они имеют естествен­ную выходную величину, удобную для измерения про­стыми техническими средствами; эта величина пропор­циональна влагосодержанию анализируемого газа, если стабилизированы его параметры.

Кулонометрический метод является основным в обла­сти измерения малых влагосодержаний. Его применение непрерывно расширяется во многих отраслях народного хозяйства и научных исследований. Современными типами стационарных гигрометров являются гигрометры «Баргузин-2М» (рис.3) и «Байкал-2ВМ» (рис.4).

Рис.3 Кулонометрический гигрометр Баргузин-2М

Рис. 4 Кулонометрический гигрометр Байкал-2ВМ

Они предназначены для измерений объемной доли влаги в азоте, водороде, кислороде, гелии, воздухе, неоне и представляют собой цифровые стационарные приборы непрерывного действия. Гигрометры используется на предприятиях военно-промышленного комплекса, на стартовых наземных космических комплексах, а также в атомной и других отраслях промышленности.

Характеристики:

- гарантийная наработка на отказ 10000 часов;

- возможность работы при температуре анализируемого газа до -50 °С и при синусоидальной вибрации с амплитудой виброускорения 29 м/с² в диапазоне частот от 5 до 2000 Гц;

- возможность автономной работы от источника постоянного тока 27 В;

- возможность работы с газом находящимся под давлением от 0.16 до 40 МПа

- дистанционное включение и отключение питания;

- автоматический выбор рабочего диапазона измерения;

- возможность считывания показаний в °С точки росы или в млн^-1;

- наличие автоматического защитного устройства чувствительного элемента от перегрузки по влажности и при аварийном отключении напряжения питания;

- степень защиты от пыли и воды IP64 по ГОСТ 14254-96;

- возможность реализации альтернативной независимой поверки при отсутствии эталонов.

Заключение.

Влажность воздуха является одним из основных тех­нологических параметров в установках кондиционирова­ния воздуха, вентиляционных, сушильных и холодиль­ных. В жилых и производственных помещениях и в обще­ственных зданиях влажность воздуха — это один из фак­торов, определяющих самочувствие человека и условия комфорта для него. Регулирование влажности воздуха (наряду с другими его параметрами) необходимо во всех установках для создания искусственного климата, начиная с лабораторных камер-гигростатов вплоть до современных фитотронов, а также в книгохранилищах, музеях — для создания оптимальных условий хранения книг и экспонатов. Весьма разнообразны задачи, связанны с измерения­ми влажности воздуха, газов и газовых смесей. В данном реферате мною были рассмотрены методы и средства измерения влажности газов, приборы для измерения влажности газов, а так же отличия одних методов измерений от других.

Влага во всех трех формах является одной из наиболее важ­ных составных частей земной атмосферы, причем ее со­держание изменяется в широких пределах во времени и пространстве. Содержание водяного пара в приземном слое атмосферы — это один из важнейших метеорологи­ческих элементов (параметров состояния) атмосферного воздуха, которые измеряются сетью станций гидрометео­рологической службы. Для прогнозирования погоды и изучения путей воздействия на климат необходима так­же информация о влагосодержании верхних слоев атмо­сферы и о вертикальном распределении (вертикальных профилях) водяного пара.

Рассмотренный мною кулонометрический метод измерения влажности газов является наиболее точным, а приборы надёжными. Что имеет важное значение в областях военной промышленности, связанных с работой на наземных стартовых космических комплексах, а так же в атомной и других областях.

Список литературы.

1. М.А. Берлинер «Измерения влажности». М., «Энергия», 1973 г.

2. http://www.ngpedia.ru/id641210p2.html

3. «Гигрометр стационарный Баргизин-2М» Руководство по эксплуатации. 5К2.844.108 РЭ-ЛУ. 2006 г.

^[1] Под эффективностью датчика подразумевается отношение ко­личества влаги, поглощенного датчиком, к полному количеству влаги в прошедшем через датчик объеме газа.

Дата добавления: 2015-07-25