Измерения влажности

В книге рассматриваются теоретические основы электрических и других физических методов измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов, характеристики и конструкция датчиков и измерительных устройств влагомеров и гигрометров, а также метрологическое обеспечение этих приборов. Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой влагомеров и гигрометров и измерениями влажности в различных отраслях науки и техники; а также на аспирантов и студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области измерительной техники и автоматизации производственных процессов. «… ПРЕДИСЛОВИЕ Методы измерения влажности твердых материалов, жидкостей и газов, основанные на преобразовании влажности в другую физическую величину с использованием современной измерительной техники, насчитывают всего несколько десятилетий; некоторые из них были разработаны в последние годы. Однако измерения влажности различных материалов и средств во многих отраслях народного хозяйства и целом ряде областей научных исследований заняли важное место в современной аналитической измерительной технике. Информация о влажности используется в многочисленных автоматических системах (системы управления и информационно-измерительные). Автор поставил перед собой задачу отразить современный уровень знаний в области измерений влажности электрическими и другими физическими методами. Для этого использован отечественный и зарубежнВ1й опыт разработки и применения влагомеров (приборов для измерения влажности твердых материалов и жидкостей) и гигрометров (приборов для измерения влажности газов) различных типов, а также выполненные автором работы. Настоящая монография является вторым изданием книги «Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности» (издательство «Энергия», 1965 г.). В нее введены новые главы и параграфы, а материал остальных глав и параграфов в значительной степени переработан и обновлен. Исключен имевшийся в издании 1965 г. раздел, посвященный системам автоматического контроля и регулирования, основанным на информации о влажности. Книга состоит из трех частей. В первой рассматриваются измерения влажности твердых материалов и жидкостей, во второй — газов, третья посвящена общим вопросам измерений при всех агрегатных состояниях тела, в частности их метрологическому обеспечению. Автор считает своим долгом выразить признательность Г. И. Биргеру за участие в редактировании книги, а также читателям и организациям, высказавшим свои мнения и пожелания по предыдущему изданию книги. …» «… ВВЕДЕНИЕ Влага является одним из обязательных компонентов всех живых организмов на земле, окружающей нас биосферы, а также большинства материалов, используемых человеком. Содержание влаги в окружающей среде оказывает влияние на характер и интенсивность происходящих в живых объектах биохимических и физико-химических процессов. От влажности зависят физические, химические, механические и технологические свойства значительной части неметаллических материалов. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов. Поэтому количественное определение влажности твердых материалов, жидкостей и газов необходимо почти во всех отраслях народного хозяйства, в метеорологии, в научных исследованиях, связанных со многими областями знаний. В сельском хозяйстве влажность почвы обусловливает целесообразность применения тех или иных агротехнических приемов. Полевые агрономические исследования пахотного слоя почв нужны для правильного определения сроков начала пахоты, внесения удобрений. Контроль влажности почв необходим для правильного ведения орошения земель — определения сроков и продолжительности поливов, управления автоматизированными оросительными системами. Влажность зерна, табачных листьев, хлопка и других сельскохозяйственных продуктов является одним из основных факторов, определяющих возможность длительного хранения без порчи и потерь этих материалов. Всхожесть семенных материалов в большой мере зависит от их влажности в процессе хранения. При переработке зерна от его влажности зависят сопротивление измельчению и, следовательно, удельный расход энергии и производительность мельничного оборудования. Величина влажности зерна и других сельскохозяйственных продуктов учитывается при сдаче и приемке, так как от нее зависит их чистый вес, т. е. действительная стоимость. В строительстве от влажности зависят основные свойства строительных материалов, теплофизические, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений, конструкций и ограждений и, следовательно, их долговечность, надежность и эксплуатационные качества. В промышленности влажность сырья и полуфабрикатов оказывает большое влияние на качество продукции и производительность оборудования. В ряде отраслей промышленности (текстильной, легкой, пищевой, химической и др.) основные технологические процессы тесно связаны с изменениями влажности обрабатываемых материалов. При исследовании материалов органического происхождения (древесина и другие растительные материалы, животное сырье) контроль влажности необходим почти на всех этапах технологического процесса: при хранении, сдаче-приемке и транспортировке сырья и готовой продукции. Важнейшее практическое значение имеет измерение влагосодержания неводных жидкостей — углеводородов, растительных и минеральных масел, нефтей и нефтепродуктов, авиационных и ракетных топлив. Контроль влажности нефти необходим в процессах ее добычи, хранения, транспортировки и переработки. Информация о содержании пластовой воды в сырой нефти нужна для управления процессами ее откачки. В топливах для реактивных двигателей содержание влаги не должно превышать тысячных долей процента во избежание опасностей, связанных с образованием льда в коммуникациях двигателя. Необходимость контроля влагосодержания жидких топлив для ракет, содержащих сильные окислители [Л. 2-1], вызвана опасностью коррозии деталей, соприкасающихся с топливом. Аналогичные ограничения предельного допустимого влагосодержания действительны и для хладагентов современных холодильных установок. Весьма разнообразны задачи, связанные с измерениями влажности воздуха, газов и газовых смесей. 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. 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. В промышленности актуальны задачи контроля и регулирования влажности воздуха в складских и производственных помещениях, связанных с гигроскопическим сырьем, полуфабрикатами и готовыми изделиями (пищевая, текстильная, бумажная, полиграфическая, кино-фотоматериалов и др. отрасли промышленности), на некоторых машино- и приборостроительных предприятиях (для предотвращения коррозии изделий, создания необходимых условий при сборке и испытаниях приборов), в промышленности полупроводниковых материалов и приборов, электронной и т. д. Поддержание определенной влажности необходимо в ряде биологических процессов (например, в микробиологической промышленности, в процессах ферментации табака). Аналогичные задачи возникают и в сельском хозяйстве — при выращивании растений в закрытом грунте (теплицы, оранжереи), в животноводстве и птицеводстве — в инкубаторах и помещениях для содержания скота, продуктивность которого зависит от влажности окружающего воздуха, в зернохранилищах и помещениях для хранения и дозревания овощей и фруктов. Технологические процессы химической промышленности выдвигают задачи контроля и регулирования влаго-содержания чистых газов: азота, водорода, кислорода, метана и др., во многих случаях необходимо контролировать с большой точностью степень осушки воздуха и различных газов. Аналогичные задачи выдвигают современные электровакуумная промышленность и металлургия (черная, цветная, в том числе редких металлов и полупроводников) ; в качестве примеров можно указать на контроль влажности доменного дутья и на контроль влажности водорода при производстве твердых сплавов. Влагосодержание водорода и других инертных газов доводится до ничтожно малых величин и в процессах термической обработки некоторых металлов и сплавов (термообработка в контролируемых печных атмосферах). Общеизвестно влияние влажности газов, транспортируемых по газопроводам, на условия эксплуатации и коррозию трубопроводов. От влажности газообразного топлива зависит его теплотворная способность. Не менее обширен круг задач, связанных с измерениями влажности в научных исследованиях в самых различных областях, как, например, медицина и биология, биохимия и физическая химия, физиология растений, метеорология и аэрология, почвоведение и агрохимия, тепло- и массообмен и ряд технических наук (теория и техника процессов сушки, гидрология, гидротехника и мелиорация, различные области строительства и т. д.). Приведенный перечень далеко не исчерпывает всех применений измерений влажности в науке и технике и лишь характеризует обширную сферу применения этих измерений, с которой связаны следующие особенности: а)большое научное, техническое и экономическое зна чение для жизни общества этой отрасли измерительной техники; б)широкий диапазон задач и разнообразие требова ний, предъявляемых к техническим средствам измерения влажности. Экономический эффект, который может получить народное хозяйство от повсеместного и достаточно точного контроля влажности используемых материалов, воздуха и газов, чрезвычайно велик. Оценить его в денежном выражении трудно, в частности потому, что в большинстве случаев экономия достигается в результате не самого получения информации о влажности, а целенаправленного использования этой информации. В качестве основных источников экономии, обусловленной получением информации о влажности или усовершенствованием этой информации, могут рассматриваться: а) устранение или сокращение непроизводительных материальных потерь, обусловленных отсутствием ин формации о влажности, ее неточностью или несвоевременным получением. Сюда относятся потери от порчи зерна, хлопка и других сельскохозяйственных продуктов, а также материалов других видов (например, угля) в процессе их хранения и переработки, потери от коррозии металлов, от уменьшения теплотворной способности топлив (твердых, жидких и газовых). Существенную экономию дает устранение транспортирования воды вместо сухого продукта, особенно при перевозке массовых грузов (зерно, уголь, руда, нефтепродукты, строительные материалы). Определенный эффект связан также с ликвидацией аварий и отказов оборудования при транспортировании газового топлива и использовании жидких (авиационных) топлив. Некоторые цифровые данные, характеризующие указанные источники экономии в мас штабах СССР, приведены в (Л. В-1 и В-2]; б) улучшение технико-экономических показателей производственных процессов, для которых влажность (обрабатываемого сырья, продукции, используемой или окружающей жидкой или газовой среды) является существенным влияющим параметром. В таких процессах контроль и в первую очередь автоматическое регулирование влажности позволяют повысить качество продукции и производительность оборудования, уменьшить рас ход сырья, топлива и энергии, сократить брак и потери. Особенно большой эффект могут дать системы автоматической оптимизации производственных процессов, которые основаны на информации о влажности обрабатываемого материала и на экономических или технико- экономических критериях оптимальности (максимизация производительности, минимизация стоимости продукции) ; такие системы были осуществлены в последние годы, в частности, для процессов сушки [Л. 0-1]; в) увеличение производительности труда благодаря регулированию влажности (наряду с другими параметрами) окружающего воздуха. К этому следует добавить эффект от регулирования влажности воздуха в жилых и общественных помещениях,- в лечебных учреждениях, на транспорте («комфортное» кондиционирование воздуха), который нельзя оценить в рублях, но значение которого для самочувствия и здоровья людей очевидно; г) замена ручных аналитических определений влажности, выполняемых в массовом масштабе целой армией лаборантов, измерениями с помощью инструментальных средств. Благодаря быстродействию и Другим достоинствам последних достигается значительное сокращение трудовых затрат, расхода энергии и т. п.; однако главным источником экономии является возможность оперативного использования информации о влажности для воздействия на производственные процессы, а также выполнение измерений в тех объектах, для которых применение лабораторных аналитических методов невозможно или вызывает большие затруднения. Измерения влажности имеют многолетнюю историю. Устройства для количественной оценки влажности воздуха появились уже в XV в., а создание волосного гигрометра можно отнести к 1783 г. Аналитический способ определения влагосодержания твердых тел взвешиванием до и после высушивания образца применяется уже на протяжении многих десятилетий, кондуктометрический метод был предложен в начале двадцатого столетия, а диэлькометрический — примерно в 1928 г. Однако в связи с научно-техническим прогрессом коренным образом изменились в последние десятилетия задачи измерений влажности и требования, предъявляемые к ним {Л. В-3]. Важнейшими из этих требований явились уменьшение длительности определения и возможность выполнения всех или основных операций измерения без участия человека, т. е. переход от ручного аналитического контроля к методам современной измерительной техники. Влагомеры и гигрометры нашли применение в системах управления и измерительно-информационных различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, •строительства и в научных исследованиях, а гигрометры— также в дистанционных информационно-измерительных системах метеорологии и аэрологии. Автоматические метеорологические станции, радиозонды, самолеты— летающие лаборатории, метеорологические ракеты и спутники потребовали новых, более совершенных средств измерения влажности атмосферы. С этим связаны новые или повышенные качества, которыми должны обладать влагомеры и гигрометры и особенно их датчики как составные элементы автоматических систем: высокая надежность и связанное с ней минимальное количество движущихся частей, совершенные динамические характеристики, взаимозаменяемость, минимальные габариты и вес. Метрологические требования не ограничиваются высокой точностью и чувствительностью; характерными для измерений влажности являются чрезвычайно широкие диапазоны измерений, охватывающие несколько порядков измеряемой величины. У влагомеров нижний предел измерений может исчисляться тысячными долями одного процента (влажность жидких углеводородов, топлив) или десятыми долями (алюмосиликатные катализаторы, пигменты, фторопласт и другие полимерные синтетические материалы); верхний предел может быть близок к 100%, например в растениях и других биологических объектах, содержащих воду в количестве 50—80% общей массы. Измерения влагосодержания газов необходимо выполнять в пределах от микроконцентраций — одной или нескольких миллионных долей (контроль влажности чистых газов, современные процессы синтеза полимеров) — до насыщения. Для гигрометрии характерны изменения в широком диапазоне и других параметров объекта измерения — температуры, давления (для газов — от нескольких миллиметров ртутного столба до сотен атмосфер), наличия примесей и загрязнений. Рассмотрим подробнее некоторые задачи измерений влажности, относящиеся к наиболее сложным: а) Для научных исследований во многих областях, а также для решения некоторых практических задач не обходимы локальные измерения влажности твердых тел или газов, т. е. получение информации не об интегральных значениях влажности, а об ее распределении в от дельных точках исследуемой среды. б) Измерение влажности воздуха и газов при низ ких отрицательных температурах. Указанная задача — одна из наиболее сложных в метеорологии — сейчас актуальна >для холодильной промышленности и для ряда областей науки. в) Контроль и регулирование влажности паровоз душной смеси или газов при высоких температурах. Эта задача возникает в хлебопекарных печах и обжарочных камерах в пищевой промышленности, в промышленных печах, например в печах для закалки и обжига некоторых качественных сталей, на тепловых электростанциях (контроль влажности дымовых газов) и т. д. В ряде случаев задача дополнительно усложняется наличием в контролируемой газовой среде значительного количества взвешенных частиц (например, контроль влажности дымовых газов для коптильных установок). г) Измерение влагосодержания газов, находящихся в замкнутых оболочках при высоких давлениях; в этих условиях необходимо учитывать влияние сжатия газа на его физические свойства, в частности на максимальную возможную упругость водяного пара. Сложность и разнообразие задач делают весьма проблематичной возможность создания универсального метода измерения влажности даже для тел одного агрегатного состояния. Рассмотренные задачи невозможно решить с помощью традиционных методов и технических средств гигрометрии или аналитических определений влажности твердых материалов и жидкостей. Для их решения пришлось разработать новые (или привлечь известные в других областях) физические методы измерения, в частности основанные на использовании различных участков спектра электромагнитных колебаний. На рис. В-1 приведены данные, иллюстрирующие динамику развития этих методов. Характерным является закономерный сдвиг в направлении коротковолновой области спектра — тенденция, проявляющаяся и в других областях исследования состояния и состава вещества. Создание и применение «инструментальных» методов оказали большое влияние на теоретические основы и технику измерений влажности. Эти измерения превратились в одну из областей современных измерений состава и свойств материала. Разработка и выпуск влагомеров и гигрометров представляет собой сейчас одну из отраслей аналитического приборостроения. Для нее характерны направления развития, общие для современного приборостроения: миниатюризация, типовое проектирование на блочно-модульной базе с применением интегральных цифровых и микромодульных аналоговых элементов и главное — унификация и стандартизация средств измерения. Высшей формой унификации и стандартизации в приборостроении, основанной на системном подходе, является разработка агрегатных комплексов, в частности агрегатного комплекса средств аналитической техники (АСАТ), который охватывает и средства измерения влажности.