10.12. Определение влажности газов
Для определения влажности применяют различные химические и физические методы. Здесь будут рассмотрены лишь некоторые физические методы.
Психрометрический метод определения влажности воздуха основан на измерении разности температур "сухого" и "влажного" термометров при помощи психрометров Августа и Асмана. Психрометр Августа состоит из двух одинаковых ртутных термометров с ценой деления 0,2 °С, укрепленных рядом. Ртутный резервуар одного из них плотно обернут кусочком батиста или марли, опущенным в сосуд с чистой водой. С поверхности ткани вода испаряется тем легче, чем меньше в воздухе влаги. Поэтому "влажный" термометр показывает более низкую температуру, чем "сухой". По разности показаний двух термометров находят относительную влажность воздуха, используя психрометрические таблицы, прилагаемые к прибору. Небольшая часть данных этих таблиц для температур, с которыми чаще всего имеют дело в лабораториях, приведена в табл. 40.
Показания "влажного" термометра зависят от скорости движения воздуха в непосредственной близости от него, поэтому психрометр Августа применяют в закрытых помещениях, где скорость движения воздуха мала, а психрометр установлен на расстоянии 1,5 - 2,0 м от пола и вдали от источников-тепла.
Более совершенным является аспирационный психрометр Асмана (рис. 277,а). Он снабжен небольшим вентилятором 2, работающим от часового механизма, который заводится ключом 1, и создающим сильное (до 2 м/с) движение воздуха вокруг
Таблица 40. Относительная влажность воздуха
Рисю 277. Приборы для определения влажности воздуха: психрометр дсмана (а) и склянка с металлическим цилиндром (б)
ртутных резервуаров термометров 4 и 5, один из которых обернут кусочком батиста.
Воздух обтекает нижнюю часть термометров, проходит по воздуховоду б к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези 3.
(Асман Рихард (1845-1918) - немецкий аэролог, один из первых установил существование стратосферы.)
Метод определения влажности газов по точке росы. Тонка росы - это температура начала конденсации насыщенного водяного пара, обнаруживаемой по помутнению (появлению мельчайших капелек воды) зеркальной поверхности. Метод применяют в температурном интервале от -70 до +50 °С с погрешностью 2 - 3%.
Предельное содержание водяного пара в любом некондиционируемом газе зависит от температуры. Чем она ниже, тем меньше воды содержится в газовой фазе. При конденсации влаги парциальное давление водяных паров будет равно максимальному парциальному давлению водяного пара над водой при данной температуре, являющейся точкой росы.
Для определения высокой влажности (выше 5 мг/л) применяют простой прибор (рис. 277,6). Он состоит из стеклянной склянки 8 и пробирки 6, изготовленной из нержавеющей стали (диаметр 25 мм, высота 100 - 110 мм) с полированной наружной поверхностью. В прибор наливают 5 - 10 мл этилового эфира 7. В склянку 8 подают через трубку 4 исследуемый газ в течение 5 - 10 мин для удаления содержащегося в ней воздуха и выравнивания температур склянки подаваемого газа. Если при этом на поверхности металлического цилиндра 6 не появилось мельчайших капель влаги, то при помощи резиновой груши через трубку 2 пропускают воздух для испарения эфира и охлаждения пробирки до тех пор, пока блестящая поверхность металла не помутнеет. После этого испарение эфира прекращают и отмечают температуру по термометру 1, а исследуемый газ продолжают пропускать до исчезновения росы.
Среднее значение температуры появления и исчезновения помутнения зеркальной поверхности цилиндра 6 дает точку росы. По найденному значению точки росы из табл. 41 находят содержание влаги в газе (в мг/л), а по табл. 37 - давление насыщенного пара воды, отвечающее той же температуре. Трубки 3 и 5 служат для выхода воздуха и газа.
При небольшой влажности газа применяют влагомер конструкции, показанной на рис. 278,а. Анализируемый газ пропускают через стеклянную камеру 1 и следят за появлением капелек влаги (росы) на полированной поверхности зеркала 2. Для этого температуру зеркала постепенно понижают, опуская медленно медный стержень 4 в сосуд Дьюара 6 с охлаждающей смесью из этанола и твердого СО2. В момент помутнения поверхности зеркала отмечают температуру по показаниям термопары 3, связанной с гальванометром 5. Вместо термопары под зеркалом можно поместить резервуар ртутного термометра, для которого высверливают отверстие в верхней части медного стержня (под зеркалом).
После фиксации температуры помутнения зеркала повышают температуру, вынимая медный стержень из охлаждающей смеси. В момент просветления зеркала опять записывают температуру-Среднее значение из двух измерений считают точкой росы.
Психрометр Илфельда (рис. 278,6) для определения точки росы состоит из зеркала 3, охлаждаемого струей СO2 из баллона 1 подача которого регулируется краном 2. Анализируемый газ проходит через трубку 4 вдоль зеркала. Для наблюдения за поверхностью зеркала применяют микроскоп 6 или лупу. При помутнении зеркала измеряют температуру термопарой 5. Прибор позволяет устанавливать точку росы с точность 1 - 2 °С.
Рис. 278. Влагомер (а) и психрометр Илфельда (б)
Рис. 279. Психрометр Паппаса: 1 - трубка для подачи анализируемого газа; 2 - диафрагма; 3 - изолирующая камера из полимерного, материала; 4 - манометр; 5 - щель; 6 - медный блок; 7 - милливольтметр c термопарой; 8 - сосуд Дьюара
Рис. 280. Волосяные гигрометры с одним волоском (а) и с пучком волос (б)
В психрометре Паппаса (рис. 279) анализируемый газ пропускают через щель 5 медного блока 6 со скоростью 15 мл/мин при Давлении р = 7 • 103 Па. Конденсация пара воды вызывает закупорку щели 5 и повышение давления в камере 3, отмечаемое по манометру 4. Скачок давления на кривой охлаждения от точки В связан с появлением капель росы в отверстии щели. Отмеченная температура в месте сужения щели, соответствующая точке В на кривой охлаждения, и будет точкой росы.
Для изготовления щели используют медную Трубку диаметром 6-10 мм, которую с одной стороны распиливают, а затем распил сжимают тисках и раскрывают щель до 0,5 - 1,0 мм.
Гигрометрический метод определения влажности. Метод основан на способности человеческого волоса изменять свою длину на 2 - 3% при изменении относительной влажности воздух (волосяные гигрометры).
Волосяной гигрометр (рис. 280,а) состоит из металлической рамки б, внутри которой натянут обезжиренный волос 7, неподвижно закрепленный вверху, а внизу перекинутый через вращающийся шкив 4. На конце волоса для натяжения укреплен небольшой грузик 5. К шкиву прикреплена стрелка 3, которая в зависимости от изменения длины волоса перемещается по шкале 2, проградуированной в процентах относительной влажности Точность измерения влажности таким гигрометром +3%.
Для достижения равновесия требуется около 30 мин. Так как чувствительность волоса к изменению влажности со временем меняется, то показания гигрометра периодически проверяют по психрометру Асмана (см. рис. 277,а).
Кроме человеческого волоса, применяют животную или целлофановую пленку толщиной от 5 до 30 мкм. Гигрометр подвешивают на стене вдали от источников тепла.
Гигрометр, в котором используется пучок человеческих волос (рис. 280,6) состоит из рычажной системы 6, соединенной со стрелкой 8. Коленчатый рычаг качается вокруг оси 7. Одно плечо рычага - стрелка, а другое присоединено к пучку волос 3 с помощью муфты 5. Длину отрезка рычага от оси 7 до муфты 5 можно регулировать. Натяжение пучка волос обеспечивает постоянный груз 4. Винт 1 и муфта 2 предназначены для установки стрелки прибора на нуль.
До сих пор волосяной гигрометр остается наиболее простым и точным влагомером.