Анализ влажности охватывает различные методы измерения содержания влаги в твердых телах , жидкостях или газах . Например, влажность (обычно измеряемая в процентах) является общей спецификацией в коммерческом производстве продуктов питания. [1] Существует много приложений, где измерения следов влаги необходимы для обеспечения качества производства и процесса . Следы влаги в твердых телах должны быть известны в процессах, связанных с пластмассами , фармацевтическими препаратами и термической обработкой . [ требуется ссылка ] Области, которые требуют измерения влажности в газах или жидкостях, включают переработку углеводородов , чистые полупроводниковые газы, объемные чистые или смешанные газы, диэлектрические газы , такие как в трансформаторах и электростанциях , а также транспортировку природного газа по трубопроводам . Измерения содержания влаги могут быть представлены в нескольких единицах, таких как: части на миллион , фунты воды на миллион стандартных кубических футов газа, масса водяного пара на единицу объема или масса водяного пара на единицу массы сухого газа.
Точка росы по влаге — это температура , при которой влага конденсируется из газа. Этот параметр по своей сути связан с содержанием влаги, которое определяет количество молекул воды как долю от общего количества. Оба могут использоваться в качестве меры количества влаги в газе, и один может быть рассчитан из другого достаточно точно.
Хотя оба термина иногда используются взаимозаменяемо, эти два параметра , хотя и связаны, представляют собой разные измерения . [2] [3]
Классический лабораторный метод измерения высокого уровня влажности в твердых или полутвердых материалах — потеря при высыхании. [4] В этом методе образец материала взвешивается, нагревается в печи в течение соответствующего периода, охлаждается в сухой атмосфере эксикатора , а затем снова взвешивается. Если летучее содержимое твердого вещества в основном состоит из воды, метод потери при высыхании дает хорошее измерение влажности. [5] Поскольку ручной лабораторный метод относительно медленный, были разработаны автоматические анализаторы влажности , которые могут сократить время, необходимое для испытания, с пары часов до нескольких минут. Эти анализаторы включают электронные весы с поддоном для образца и окружающим нагревательным элементом. Под управлением микропроцессора образец можно быстро нагревать. Скорость потери влаги измеряется на протяжении всего процесса, а затем отображается в виде кривой высыхания. [6]
Точный метод определения количества воды — титрование по Карлу Фишеру , разработанное в 1935 году немецким химиком, чье имя он носит. Этот метод обнаруживает только воду, в отличие от потери при высыхании, которая обнаруживает любые летучие вещества. [7] [5]
Природный газ представляет собой уникальную проблему с точки зрения анализа содержания влаги, поскольку он может содержать очень высокие уровни твердых и жидких загрязняющих веществ , а также едких веществ в различных концентрациях.
Измерения влажности природного газа обычно выполняются одним из следующих методов: [8]
Существуют и другие методы измерения влажности, но они не используются в приложениях с природным газом по разным причинам. Например, гравиметрический гигрометр и система «двух давлений», используемые Национальным бюро стандартов, являются точными, но не подходят для использования в промышленных приложениях.
Цветная индикаторная трубка (также называемая газоанализаторной трубкой [9] ) — это устройство, которое используется в трубопроводах природного газа для быстрого и грубого измерения влажности. Каждая трубка содержит химикаты, которые реагируют на определенное соединение , образуя пятно или цвет при прохождении через газ. Трубки используются один раз, а затем выбрасываются. Производитель калибрует трубки, но поскольку измерение напрямую связано со временем экспозиции, скоростью потока и методом извлечения , оно подвержено ошибкам. На практике ошибка может достигать 25 процентов. Цветные индикаторные трубки хорошо подходят для нечастых, грубых оценок влажности в природном газе.
Этот тип устройства считается самым популярным, когда дело доходит до измерения точки росы воды в газообразных средах. В этом типе устройства, когда газ течет через отражающую охлаждающую поверхность, одноименное охлаждаемое зеркало. Когда поверхность достаточно холодная, имеющаяся влага начнет конденсироваться на ней в виде крошечных капель. Регистрируется точная температура , при которой эта конденсация впервые происходит, и зеркало медленно нагревается до тех пор, пока конденсированная вода не начнет испаряться. Эта температура также регистрируется, и среднее значение температур конденсации и испарения сообщается как точка росы . [10] Все устройства с охлаждаемым зеркалом, как ручные, так и автоматические, основаны на этом же базовом методе. Необходимо измерять температуры как конденсации, так и испарения, поскольку точка росы является равновесной температурой, при которой вода конденсируется и испаряется с одинаковой скоростью. При охлаждении зеркала температура продолжает падать после того, как она достигла точки росы, таким образом, измерение температуры конденсации ниже фактической температуры точки росы до того, как вода начнет конденсироваться. Поэтому температура зеркала медленно повышается до тех пор, пока не будет наблюдаться испарение, а точка росы будет определена как среднее значение этих двух температур. Получив точную температуру точки росы, можно рассчитать содержание влаги в газе. Температуру зеркала можно регулировать либо потоком хладагента над зеркалом, либо термоэлектрическим охладителем, также известным как элемент Пельтье .
Поведение образования конденсата на поверхности зеркала может быть зарегистрировано как оптическими, так и визуальными средствами. В обоих случаях источник света направляется на зеркало, и изменения в отражении этого света из-за образования конденсата обнаруживаются датчиком или человеческим глазом соответственно. Точная точка, в которой начинается конденсация , не различима невооруженным глазом, поэтому современные ручные приборы используют микроскоп для повышения точности измерений, проводимых с использованием этого метода. [11] [12]
Анализаторы с охлажденным зеркалом подвержены искажающему воздействию некоторых загрязняющих веществ , однако на уровнях, аналогичных другим анализаторам. При надлежащих системах фильтрации и подготовки газового анализа другие конденсирующиеся жидкости, такие как тяжелые углеводороды, спирт и гликоль, не будут искажать результаты, предоставляемые этими устройствами. Также стоит отметить, что в случае природного газа, в котором вышеупомянутые загрязняющие вещества являются проблемой, онлайн-анализаторы регулярно измеряют точку росы воды при линейном давлении, что снижает вероятность того, что любые тяжелые углеводороды, например, будут конденсироваться раньше воды.
С другой стороны, устройства с охлаждаемым зеркалом не подвержены дрейфу и не подвержены влиянию колебаний состава газа или изменений содержания влаги.
Этот метод анализа сочетает в себе некоторые преимущества измерения с помощью охлаждаемого зеркала со спектроскопией . В этом методе прозрачный инертный материал охлаждается, когда инфракрасный (ИК) луч направляется через него под углом к внешней поверхности. Когда он сталкивается с этой поверхностью, ИК-луч отражается обратно через материал. Газообразная среда пропускается через поверхность материала в точке, соответствующей месту, где отражается ИК-луч. Когда на поверхности охлаждающего материала образуется конденсат, анализ отраженного ИК-луча покажет поглощение на длинах волн, которые соответствуют молекулярной структуре образовавшегося конденсата. Таким образом, устройство способно различать конденсацию воды и другие типы конденсатов, такие как, например, углеводороды, когда газообразная среда представляет собой природный газ. Одним из преимуществ этого метода является его относительная невосприимчивость к загрязняющим веществам благодаря инертной природе прозрачного материала. Подобно настоящему устройству с охлаждаемым зеркалом, этот тип анализатора может точно измерять температуру конденсации потенциальных жидкостей в газообразной среде, но не способен измерять фактическую точку росы воды, поскольку для этого требуется также точное измерение температуры испарения.
Электролитический датчик использует две близко расположенные параллельные обмотки, покрытые тонкой пленкой пентоксида фосфора (P2O5 ) . Поскольку это покрытие поглощает входящий водяной пар , к обмоткам прикладывается электрический потенциал , который электролизует воду до водорода и кислорода. Ток, потребляемый электролизом , определяет массу водяного пара , поступающего в датчик. Расход и давление входящего образца должны точно контролироваться для поддержания стандартного массового расхода образца в датчик.
Метод довольно недорогой и может эффективно использоваться в чистых газовых потоках, где скорость отклика не является критической. Загрязнение обмоток маслами, жидкостями или гликолями приведет к дрейфу показаний и повреждению датчика. Датчик не может реагировать на внезапные изменения влажности, т. е. реакция на поверхности обмоток требует некоторого времени для стабилизации. Большие объемы воды в трубопроводе (называемые пробками) смачивают поверхность и требуют десятков минут или часов для «высыхания». Эффективная подготовка образца и удаление жидкостей имеют важное значение при использовании электролитического датчика.
Пьезоэлектрический сорбционный прибор сравнивает изменения частоты кварцевых осцилляторов с гигроскопичным покрытием . Поскольку масса кристалла изменяется из-за адсорбции водяного пара , частота осциллятора изменяется. Датчик является относительным измерением, поэтому для корреляции системы часто используется интегрированная система калибровки с осушителями, трубками проникновения и переключением линии пробы.
Система успешно применяется во многих приложениях, включая природный газ. Возможны помехи от гликоля, метанола и повреждения от сероводорода , что может привести к нестабильным показаниям. Сам датчик относительно недорог и очень точен. Требуемая система калибровки не так точна и увеличивает стоимость и механическую сложность системы. Трудозатраты на частую замену осушителей, компонентов проницаемости и головок датчиков значительно увеличивают эксплуатационные расходы. Кроме того, скопления воды делают систему неработоспособной в течение длительных периодов времени, поскольку головка датчика должна «высохнуть».
Датчик оксида состоит из инертного материала подложки и двух диэлектрических слоев, один из которых чувствителен к влажности. Молекулы влаги проходят через поры на поверхности и вызывают изменение физических свойств слоя под ним.
Датчик из оксида алюминия имеет два металлических слоя, которые образуют электроды конденсатора . Количество адсорбированных молекул воды приведет к изменению диэлектрической проницаемости датчика. Сопротивление датчика коррелирует с концентрацией воды . Датчик из оксида кремния может быть оптическим устройством, которое изменяет свой показатель преломления по мере того, как вода поглощается чувствительным слоем, или другим типом импеданса, в котором кремний заменяет алюминий.
В первом типе (оптическом), когда свет отражается через подложку, на выходе можно обнаружить сдвиг длины волны , который можно точно соотнести с концентрацией влаги. Для разделения головки датчика и электроники можно использовать оптоволоконный разъем.
Этот тип датчика не очень дорогой и может быть установлен под давлением трубопровода ( на месте ). Молекулам воды требуется время, чтобы войти и выйти из пор, поэтому будут наблюдаться некоторые задержки смачивания и высыхания, особенно после пробки . Загрязнения и едкие вещества могут повредить и засорить поры, вызывая «дрейф» калибровки , но головки датчика можно отремонтировать или заменить, и они будут работать лучше в очень чистых газовых потоках. Как и в случае с пьезоэлектрическими и электролитическими датчиками, датчик восприимчив к помехам от гликоля и метанола, калибровка будет дрейфовать, поскольку поверхность датчика становится неактивной из-за повреждения или закупорки, поэтому калибровка надежна только в начале срока службы датчика.
Во втором типе (датчик на основе оксида кремния) устройство часто имеет температурный контроль для повышения стабильности и считается химически более стабильным, чем датчики на основе оксида алюминия, и гораздо более быстро реагирующим, поскольку они удерживают меньше воды в равновесии при повышенной рабочей температуре .
Хотя большинство устройств абсорбционного типа можно устанавливать при давлении в трубопроводе (до 130 бар изб.), прослеживаемость к международным стандартам снижается. Работа при давлении, близком к атмосферному, обеспечивает прослеживаемость и предлагает другие существенные преимущества, такие как возможность прямой проверки по известному содержанию влаги.
Абсорбционная спектроскопия — это относительно простой метод пропускания света через образец газа и измерения количества поглощенного света на определенной длине волны. Традиционные спектроскопические методы не были успешными в этом для природного газа, поскольку метан поглощает свет в тех же областях длин волн, что и вода. Но если использовать спектрометр с очень высоким разрешением, можно обнаружить некоторые пики воды, которые не перекрываются пиками других газов.
Настраиваемый лазер обеспечивает источник света с узкой, настраиваемой длиной волны, который можно использовать для анализа этих небольших спектральных характеристик. Согласно закону Бера-Ламберта , количество света, поглощаемого газом, пропорционально количеству газа, присутствующего на пути света; поэтому этот метод представляет собой прямое измерение влажности. Для достижения достаточно большой длины пути света в приборе используется зеркало. Зеркало может быть частично заблокировано жидкими и твердыми загрязнениями, но поскольку измерение представляет собой отношение поглощенного света к общему обнаруженному свету, калибровка не зависит от частично заблокированного зеркала (если зеркало полностью заблокировано, его необходимо очистить).
Анализатор TDLAS имеет более высокую первоначальную стоимость по сравнению с большинством анализаторов, указанных выше. Однако спектроскопия поглощения на основе настраиваемого диодного лазера превосходит его по следующим параметрам: необходимость в анализаторе, который не будет страдать от помех или повреждений от едких газов, жидкостей или твердых веществ, или анализатор, который будет очень быстро реагировать на резкие изменения влажности, или анализатор, который будет оставаться калиброванным в течение очень длительного времени, предполагая, что состав газа не изменится.