Испарительные и конденсационные анализаторы

По принципу действия (см. табл. 9.1) испарительные и конденса­ционные газоанализаторы относятся к тепловым средствам измере­ний, так как в их работе используются тепловые эффекты испаре­ния, кипения и конденсации жидкости.

Одним из старейших и распространенных газоанализаторов является психрометрический, или психрометр (от греч. psyohria — холод и metreo — мерю). Действие его основано на измерении изме­нений температуры жидкости при ее испарении в анализируемый газ, содержащий в качестве определяемого компонента пары этой жидкости. Психрометры могут использоваться для измерения кон­центрации паров любых жидкостей в газах, однако наиболее широ­ко они применяются для измерения концентрации паров воды, т. е. в качестве гигрометров.

Концентрацию паров жидкости в газах принято характеризо­вать абсолютной или относительной влажностью.

Абсолютная влажность определяется как масса паров жидкости в единице объема сухого или влажного газа в нормальных условиях.

Относительная влажность, или степень насыщения газа парами жидкости, определяется как отношение массы паров в единице объема к максимально возможной массе паров в единице объема при той же температуре, выраженное в %:

φ = (А/А_Н)100, (11.26)

где А — значение абсолютной влажности газа при данной темпе­ратуре; А_Н — максимально возможное значение абсолютной влаж­ности при данной температуре, соответствующее насыщению.

На практике относительную влажность с достаточной точно­стью определяют из выражения

φ = (Р/Р_Н)100, (11.27)

где Р — парциальное давление паров жидкости в газовой смеси при данной температуре и нормальном давлении; Р_Н — давление насыщенных паров жидкости при тех же условиях.

В настоящее время известно большое число конструкций психрометрических анализаторов.

Схема одного из распространенных психрометров показана на рис. 11.5, а. Этот газоанализатор предназначен для измерения относительной влажности воздуха. Воздух с помощью вентилято­ра 1 со скоростью 3—4 м/с прокачивается через фильтры 4 и 5 камер 2 и 6, в которых размещены платиновые терморезисторы 3 и 8. Терморезистор 3 служит для измерения температуры возду­ха, его называют сухим термометром. Термометр 8 обернут в хлоп­чатобумажную ткань 7 (фитиль), конец которой погружен в ван­ночку 9, заполненную дистиллированной водой. Этот терморези­стор называют мокрым термометром. При испарении воды с по­верхности фитиля в потоке воздуха температура терморезистора 8 уменьшается, причем тем больше, чем меньше его влажность, Сопротивления терморезисторов 3 и 8 измеряются специальным вторичным прибором 13.

Рис. 11.5. Схемы испарительных и конденсационных анализаторов

Для поддержания в ванночке некоторого уровня воды служит бачок 12 с трубками 10 и 11. По мере испарения воды с фитиля ее уровень в ванночке 9 понижается, открывается нижний конец трубки 11, через него в бачок поступает воздух и из бачка в ван­ночку 9 стекает вода. Когда вода перекрывает нижнее отверстие трубки 11. в газовом пространстве бачка постепенно (по мере исте­чения из него воды) образуется разряжение. Вода из бачка выте­кает до тех пор, пока это разряжение станет достаточным для уравновешивания гидростатического давления, определяемого раз­ностью уровней воды в бачке и ванночке. Определение относитель­ной влажности по температурам сухого t_С и мокрого t_М термометров в рассматриваемом психрометре базируется на приближенной зависимости [24]:

φ = . (11.28)

Вычисление относительной влажности по приведенному выра­жению осуществляется вычислительным устройством, представля­ющим собой двойной мост', которым снабжен вторичный при­бор 13.

Диапазон измерений психрометра 20—100% относительной влажности, классы точности 4—6; время реакции 3—5 мин.

На рис. 11.5, б показана схема анализатора состава бинарных или псевдобинарных жидкостей, сигнал которого однозначно опре­деляется ее удельной объемной теплотой испарения. Поток анали­зируемой жидкости подается с постоянным объемным расходом из блока подготовки 6 во внутреннюю полость 1 пористого цилинд­ра 2, в котором размещен платиновый терморезистор 4. Под дейст­вием капиллярных сил анализируемая жидкость проникает к на­гревателю 5. За счет тепловой энергии нагревателя жидкость испаряется, что вызывает понижение температуры пористого цилиндра, которая преобразуется в унифицированный электриче­ский сигнал с помощью терморезистора 4 и нормирующего преоб­разователя 3. Анализатор может осуществлять измерения суммар­ной объемной концентрации углеводородов алканового ряда в многокомпонентных смесях жидких углеводородов, так как удель­ные объемные теплоты испарения углеводородов ароматического и циклоалканового рядов практически одинаковы и составляют 3·10⁶ кДж/м³, а для алканов 2·10⁶ кДж/м³.

Схема конденсационного газоанализатора приведена на рис. 11.5, в. В настоящее время такие газоанализаторы используются в основном в качестве гигрометров. В основу их работы положено измерение температуры, при которой анализируемый газ достигает при неизменном давлении состояния насыщения. Из него выпадает конденсат (роса) жидкости, концентрация паров которой в газе измеряется. Эту температуру принято называть температурой точки росы (или инея), а анализаторы, основанные на измерении этой температуры,— гигрометрами точки росы. Анализируемый газ с постоянным объемным расходом прокачивается через камеру 3, в которой размещен полупроводниковый термоэлемент (термопа­ра) 1, служащий холодильником. К холодному спаю этой термопа­ры припаяно металлическое зеркальце 2. К горячему спаю термо­пары подается напряжение постоянного тока от автоматического регулятора 8. При протекании через полупроводниковую термопа­ру постоянного тока ее холодный спай, а с ним и зеркальце 2 охлаждаются. Охлаждение происходит до тех пор, пока на поверх­ности зеркальца не образуется конденсат (иней). При этом свето­вой поток, поступающий от лампы 4 к фотоприемнику 7, уменьша­ется за счет рассеяния на поверхности зеркальца, покрытой инеем.

Это вызывает уменьшение входного сигнала регулятора и отклю­чение или уменьшение (в зависимости от принятого закона регулирования) напряжения питания термопары 1. За счет теплоты, вносимой в камеру 3 потоком анализируемого газа, зеркальце и холодный спай постепенно нагреваются. При этом конденсат с поверхности зеркальца испаряется и световой поток, поступающий к фотоприемнику, восстанавливается до начального значения. Ре­гулятор 8 подключает или увеличивает напряжение питания тер­мопары и холодный спай ее начинает опять охлаждаться. Таким образом, температура зеркальца автоматически поддерживается равной температуре точки росы. Эта температура преобразуется в унифицированный сигнал с помощью термоэлектрического чувст­вительного элемента 6 и нормирующего преобразователя 5. Гигро­метры точки росы обычно имеют диапазон измерений от —80 до + 40°С при давлении анализируемого газа 0,05—10 МПа. Абсолют­ная погрешность измерения ±0,5°С.

Известны конструкции конденсационных газоанализаторов, обеспечивающие измерение температуры точки росы по воде, угле­водородам и температуры начала гидратообразования.