Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Обзор и сравнительный анализ методов измерения влажности
1.2. Обоснование выбора метода электролитических подогревных гигрометров (ЭПГ)
1.3. Технические средства реализации ЭПГ и их анализ
1.4. Постановка задачи на исследование и разработку
Глава II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОДОГРЕВНЫХ ГИГРОМЕТРОВ
2.1. Теоретические основы и принципы работы ЭПГ
2.2. Физическая модель ЭПГ и ее математическое описание
Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ В СЛОЕ ВЛАГ0ПОГЛ0-ЩАВДЕГО ВЕЩЕСТВА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОДОГРЕВНЫХ ГИГРОМЕТРОВ
3.1. Особенности кинетики зарождения новой фазы в слое влагопогдощающего вещества
3.2. Распределение температуры на поверхности чувствительного элемента
3.3. Исследование процессов тепло- и массопереноса в слое влагопогдощающего вещества
3.4. Исследование электропроводности насыщенных растворов гигроскопических солей
3.5. Влияние загрязнений на процессы фазовых превращений и равновесную температуру влагопоглощающего слоя Стр.109
3.6. Исследование процессов, протекающих на электродах и приэлектродных областях ЭПГ 120
3.7. Обобщенный механизм работы ЭПГ 128
Глава ІV. ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
ДЛЯ ВЛАГОПОГЛОЩАВДЕГО СЛОЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОДОГРЕВНЫХ ГИГРОМЕТРОВ 137
4.1. Методика подбора гигроскопических солей, пригодных для работы в ЭПГ 137
4.2. Трехкомпонентные растворы для пропитки и
их особенности 147
Глава V. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОДОГРЕВНЫХ ГИГРОМЕТРОВ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ИЗМЕРЕНИЯ 153
5.1. Конструктивная реализация ЭПГ на основе выработанных рекомендаций 153
5.2 Метрологическое обеспечение разработки ЭПГ 163
5;3. Экспериментальная проверка метрологических характеристик ЭПГ "ЛИТР" 168
Заключение
Литература 179
Приложение 188
- Обзор и сравнительный анализ методов измерения влажности
- Теоретические основы и принципы работы ЭПГ
- Особенности кинетики зарождения новой фазы в слое влагопогдощающего вещества
- Методика подбора гигроскопических солей, пригодных для работы в ЭПГ
- Конструктивная реализация ЭПГ на основе выработанных рекомендаций
Обзор и сравнительный анализ методов измерения влажности
В настоящее время в различных областях науки и техники разработаны и нашли применение десятки методов измерения влажности газов в основу которых положены всевозможные принципы \4J7,57}91 Так,например, в одном из последних обзоров по гигро-метрии [Зі] их насчитывается 24. Причиной такого многообразия является отсутствие универсального способа измерения удовлетворяющего всему многообразию требований определяющих точность, диапазон измерения, диапазон температур окружающей среды, динамические характеристики, надежность, габариты, массу и т.п.
В зависимости от процедуры измерения методы влагометрии могут быть разделены на шесть основных групп [91\ :
- методы с извлечением водяных паров из влажного газа;
- методы с добавлением водяных паров в исследуемый газ;
- сорбционные методы;
- методы, основанные на измерении физических свойств влажного газа;
- методы, основанные на химических реакциях водяных паров со специальными реагентами;
- конденсационные методы.
Каждая из указанных групп включает различные методы, которые в свою очередь представлены десятками и сотнями приборов, реализующих различные технические решения. Помимо этого, все известные методы измерения влажности могут быть подразделены на непрерывные и дискретные.
Непрерывные методы измерения позволяют вести непрерывную запись и индикацию показаний влажности, например, сорбционные. Дискретные методы требуют проведения соответствующих манипуляций с конечной пробой исследуемого газа и, в результате, обеспечивают лишь единичные измерения влажности. Примерами устройства дискретного действия являются гравиметрические, адиабатические гигрометры и др.
Теоретические основы и принципы работы ЭПГ
В основе работы ЭПГ лежит зависимость равновесного давления водяного пара над насыщенным раствором гигроскопической соли от его температуры. Насыщенный раствор в виде пленки электролита располагается на поверхности влагопоглощающего слоя, представляющего собой, как уже указывалось, пористый носитель,пропитанный гигроскопической солью. Поскольку пористый носитель сам по себе не является активным эденентом сорбирующим водяной пар, структура влагочув-ствительного слоя может бытз представлена как совокупность кристаллов гигроскопической соли (твердая фаза) и насыщенного раствора (жидкая фаза) на их поверхности. При протекании переменного электрического тока через насыщенный раствор гигроскопической соли происходит выделение тепла Q нагревающее вышеуказанную поверхностную структуру до температуры трехфазного равновесия системы: кристаллы гигроскопической соли - насыщенный раствор соли на их поверхности -пары воды в окружающей среде.
Равновесное давление водяных паров Р над растворами солей является функцией концентрации раствора С и температуры Т .Согласно закону Рауля, в равновесной системе при постоянной температуре давление паров воды над растворами солей понижается с увеличением концентрации соли и достигает минимального значения над насыщенным раствором. Насыщенный раствор соли, находящийся в равновесии с твердой и парообразной фазами, является равновесной гетерогенной двухкомпонентной системой и подчиняется общим закономерностям, сформулированным Гиббсом как правило фаз.
Когда на систему из внешних факторов воздействуют только давление (Р) и температура ( Т), уравнение Гиббса имеет вид:
Пренебрегая влиянием газовых компонент атмосферы имеем, А = 2 (соль,вода); П = 3 (твердая, жидкая и газообразная фазы); f = I. Следовательно, рассматриваемая система является моновариантной, то есть допускает изменение лишь одного из параметров, давления или температуры без нарушения фазового равновесия. Поскольку давление водяных паров в атмосфере есть определяв» мая величина, то измерение влажности при помощи электролитических подогревных датчиков сводится к измерению температуры установившегося трехфазного равновесия, которое производится термочувствительным элементом.
Особенности кинетики зарождения новой фазы в слое влагопогдощающего вещества
Как указывалось в предыдущих главах, изучение особенностей кристаллогидратных превращений играет важную роль для объяснения многих явлений, происходящих во влагопоглощающем слое в реальных условиях.
Тем не менее, имеющиеся в литературе сведения[ ,17,59,86J , характеризуют кристаллогидратные переходы хлористого лития без учета основных принципов зарождения и роста кристаллической фазы из растворов электролитов. В результате многие аспекты, определяющие точность, надежность и эксплуатационные характеристики ЭПГ, не имеют экспериментального и теоретического обоснования.
Известно влияние многих факторов на процессы кристаллизации среди которых в рассматриваемом случае наибольший интерес представляют:
- воздействие внешних полей;
- влияние температурных и концентрационных градиентов;
- влияние нерастворимых примесей.
Имеются данные о взаимодействии электрических и магнитных полей с метастабильной фазой. Рядом авторов[9,70,5 высказаны предположения о механизмах воздействия внешних полей на процессы кристаллизации. Если молекулы вещества представляют собой диполи, то под действием электрического поля они стремятся ориентироваться в одном направлении [ //, J6j , образуя анизотропную среду. Так как в кристаллах диполи должны быть ориентированы, электрическое поле может способствовать образованию и росту кристаллов в переохлажденной жидкости.
Установлено, что при кристаллизации некоторых веществ под действием переменного электрического поля происходит сдвиг температурной кривой скорости зародышеобразования в сторону низких температур (больших переохлаждений). Величина сдвига определяется частотой приложенного поля.
Некоторые исследования [53] , показывают, что подбором соответствующих температурных условий можно осуществить, как ускорение, так и торможение кристаллизации под воздействием того же физического фактора.
class4 ПРИНЦИПЫ ПОДБОРА ГИГРОСКОПИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
ДЛЯ ВЛАГОПОГЛОЩАВДЕГО СЛОЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОДОГРЕВНЫХ ГИГРОМЕТРОВ class4
Методика подбора гигроскопических солей, пригодных для работы в ЭПГ
Исходя из изложенных в предыдущих главах теоретических и экспериментальных предпосылок, методика подбора гигроскопических солей, пригодных для работы в ЭПГ, включает три основных положения:
- теоретический выбор гигроскопической соли или солевой системы на основе данных диаграмм состояния солей, данных о растворимости и т.п.;
- изготовление и исследование пропитывающего раствора на основе выбранной соли, подбор оптимальной концентрации соли в растворе;
- экспериментальная проверка стабильности выбранной соли или солевой системы при работе в качестве влагопоглощающего вещества ЭПГ.
Для пропитки ЭПГ, как уже неоднократно отмечалось, широко применяют растворы хлористого лития. Однако, кристаллогидратные переходы в области отрицательных температур создают неопределенность измерения при работе ЭПГ ниже -ПС по точке росы. Поэтому необходим поиск солей, обеспечивающих стабильную работу ЭПГ в области отрицательных температур.
Поскольку снизу диапазон работы ЭПГ ограничивается величиной давления паров над насыщенным раствором соли, решающим фактором при выборе гигроскопической соли является функциональная зависимость упругости водяного пара от температуры.
Большинство солей при взаимодействии с водой в различных температурных- условиях образуют один или несколько кристаллогидратов. Вероятностный характер зарождения кристаллогидратов из мета-стабильной ф зы приводит к появлению неопределенности в измерениях, ввиду того, что момент фазового перехода заранее не предсказуем. В связи с этим при выборе солей для ЭПГ предпочтение следует отдавать веществам, не имеющим кристаллогидратных переходов во всем диапазоне измерений.
Для обеспечения стабильной и долговременной работы ЭПГ необходимо принимать во внимание химическую агрессивность выбираемых солей. Необходимо, по возможности, исключить протекание процессов растворения и окисления при взаимодействии растворов солей с элементами конструкции под действием электрического тока, в особенности с электродами. Поэтому важным фактором является учет химических свойств растворов, предназначенных для пропитки ЭПГ. Применяемые соли должны быть стабильны во времени в условиях эксплуатации ЭПГ, то есть не должны разрушаться под действием электрического тока в условиях повышенной в пределах 120-150С температур, а также при непосредственном контакте со всеми газовыми компонентами атмосферы.
Конструктивная реализация ЭПГ на основе выработанных рекомендаций
Согласно данным,приведенным в разделе 1.3,известно большое количество конструктивных вариантов ЭПГ в основу которых положен описанный в литературе общепринятый механизм работы. Обобщенный механизм работы ЭПГ, выявленный нами в процессе проведения теоретических и экспериментальных исследований, позволяет, исходя из рекомендаций изложенных в главе Ш, разработать иные принципы конструирования.
Вопросы оптимального конструирования ЭПГ, отвечающих современным требованиям точности, надежности, единства измерений в широком диапазоне температур, а также в условиях допускающих загрязнение поверхности влагопоглощающего слоя, включают в себя, как было показано выше, помимо выбора пропитывающего раствора решения следующих тесно взаимосвязанных проблем:
- выравнивание температурного поля в поверхностном слое электролита;
- уменьшение скорости перераспределения гигроскопической соли;
- уменьшение гидролитического расщепления гигроскопической соли, а также скорости разрушения электродов и прилегающих участков влагопоглощающего слоя;
- защита поверхности влагопоглощающего слоя от загрязнений.
Разработка ЭПГ для метеорологических измерений включала в себя оптимизацию конструкции чувствительного элемента, включающего термочувствительную часть размещенную в корпусе, на поверхности которой расположен влагопоглощающий слой и уложены металлические электроды, подключенные к источнику переменного тока. Кроме того, удовлетворение изложенных выше требований к точности, надежности, диапазону измерения и др. определило схему построения конструкции ЭПГ конвективного типа, с защитой от порывов ветра, а также величину и частоту питающего напряжения.
Следует отметить, что решение вышеуказанных проблем возможно только путем компромисса между точностью, надежностью и стоимостью устройства. Так например:
- снижение инерционности ЭПГ при отрицательных температурах требует повышения питающего напряжения, что приводит к увеличению градиента температуры и ускорению разрушения электродов;
- улучшение защиты чувствительного элемента от загрязнений; ухудшает динамические характеристики, сохранение при этом тех же динамических характеристик приводит к усложнению устройства, повышению его стоимости и, с другой стороны, - снижению надежности.
