Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Měření vlhkosti plynů v extrémních podmínkách – příklady z praxe (2. část)

V minulé části tohoto příspěvku (viz Automa 12/2007, str. 56) byly popsány postupy při měření vlhkosti plynů, které jsou extrémně vlhké a horké, a plynů agresivních. Tento příspěvek pojednává o měření vlhkosti velmi suchých plynů.
 

Měření vlhkosti suchých a extrémně suchých plynů

Na rozdíl od měření vlhkých plynů se vlhkost velmi suchých plynů většinou měří za přetlaku 0,6 až 0,8 MPa (stlačený vzduch), ale mnohdy až 30 MPa (stlačený vzduch, dusík, kyslík, argon a další plyny nebo jejich směsi). Měření najde uplatnění např. v těchto oblastech:
  • – strojírenské technologie využívající pneumatické nástroje,
  • – úprava vody ozonizací,
  • – výroba polovodičů, optiky a farmaceutické výrobní postupy,
  • – vojenské a letecké odvětví,
  • – energetika a chemický průmysl,
  • – výroba technických plynů.
Uvedené technologické postupy jsou charakteristické poměrně nízkými teplotami plynu při měření vlhkosti (0 až +100 °C), vysokou čistotou plynů a v případě vzácných plynů i malým průtokem vzorku při měření. Zásady pro měření velmi suchých plynů jsou uvedeny v rámečku.
 
Pro vyjádření vlhkosti se v těchto případech často používá teplota rosného bodu, DP (Dew Point). Rosný bod se ve skutečnosti objevuje ve dvou teplotních intervalech. Rozeznává se tedy:
  • teplota rosného bodu v teplotním intervalu nad bodem mrazu (0 °C),
  • teplota bodu ojínění v intervalu pod bodem mrazu.
Rozdíl mezi uvedenými teplotami lze vysvětlit na příkladu, jak se na chlazeném zrcátku sráží vodní pára obsažená v plynu. Má-li zrcátko teplotu nad bodem mrazu, sráží se vodní pára ve formě mikrokapiček – rosy, zatímco při teplotě zrcátka pod bodem mrazu ve formě mikrokrystalů ledu – jíní.
 
V tab. 1 jsou uvedeny hygrometrické ekvivalenty, které mají závažný dopad na použití měřicích přístrojů. Vzhledem k tomu, že při měření relativní vlhkosti současnými špičkovými přístroji s polymerními kapacitními senzory se dosahuje reálné přesnosti přibližně 1 % (se započítáním nejistot), je zřejmé, že při atmosférickém tlaku nelze na základě doprovodného měření teploty měřit nižší vlhkost plynů než –30 až –40°C DP. Je tedy nepochybné, že pro měření nižších vlhkostí je nutné použít jiné metody. Tou nejlepší je metoda zrcátka chlazeného několikastupňovými Peltiérovými články. Přístroje založené na tomto principu jsou přesné, avšak velmi drahé. V praxi jsou rozšířeny přístroje využívající měřicí sondy s impedančními senzory s oxidovým dielektrikem. Ty se vyznačují dostatečnou citlivostí, která dovoluje, aby byly cejchovány a používány pro extrémní vlhkosti okolo –100 °C DP.
 
Změna parciálního tlaku vodní páry má u impedančních senzorů vlhkosti s oxidovým dielektrikem (obr. 1) za následek změnu jak kapacity systému, tak i jeho svodového odporu. V praxi se pro vyhodnocení změny vlhkosti využívá buď změna kapacity systému nebo změna obou složek, tedy změna výsledné impedance, výhodněji však admitance (převrácená hodnota impedance).
 

Vztah mezi vlhkostí plynu a parametry senzoru vlhkosti

Vztah mezi vlhkostí plynu a kapacitní složkou oxidového senzoru vlhkosti uvádí obr. 2. Závislost je naznačena pro tři dielektrika používaná v praxi, složená i jednoduchá. Z grafu je zřejmé, že s výjimkou senzoru na bázi SiO2 je tato závislost silně nelineární. To však není na závadu, protože dané křivky se při kalibraci měřicího systému linearizují použitím vhodného matematického postupu.
 
Závislost svodového odporu senzorů s oxidovým dielektrikem ukazuje obr. 3. Z obou grafů vyplývá, že technicky nejobtížnějším úkolem je vytvořit takovou dielektrickou vrstvu senzoru, která bude dostatečně citlivá v oblasti vlhkosti okolo –80 °C bodu ojínění. Vrstva musí být časově stabilní a pokud možno netečná k molekulám měřeného plynu. Rovněž musí tato vrstva mít nízký nebo alespoň známý teplotní součinitel pro jeho kompenzaci.
 
Graf na obr. 4 představuje závislost výstupního signálu reálného měřicího obvodu na vlhkost plynu. Obvod převádí změnu kapacitní složky senzoru vlhkosti s oxidovým dielektrikem (obr. 4) na změnu periody výstupního signálu měřicí sondy. Signál je tak připraven k dalšímu zpracování.
 
Příklad spojení měřicí sondy HP-7512 k měření tlakového bodu ojínění/rosného bodu (–80 až +20 °C DP) a linearizačního převodníku SCKA 003 s aktivním výstupním signálem 0/4 až 20mA je ukázán na obr. 5.
 

Měření tlakového rosného bodu/bodu ojínění

Stlačením plynu o určitém obsahu vodní páry se zvýší její koncentrace. Vlhkost vyjádřená teplotou rosného bodu nebo bodu ojínění je hygrometrická veličina stavově závislá na tlaku měřeného plynu. Proto se rozlišují dvě hodnoty vlhkosti:
  • tlakový rosný bod/bod ojínění: hodnota vlhkosti měřená při přetlaku plynu,
  • atmosférický rosný bod/bod ojínění: hodnota vlhkosti měřená při barometrickém tlaku.
K přepočtu tlakového rosného bodu/bodu ojínění na atmosférický rosný bod/bod ojínění a naopak se používají programy, např. Dewpoint calculator GEI (Gulsby Engineering, Inc.). Pro ilustraci tohoto přepočtu lze použít tabulku hygrometrických ekvivalentů (tab. 1).
 

Dva příklady výpočtu

Prvním příkladem je přepočet při měření vlhkosti tlakového vzduchu sestavou na obr. 6. Měří se při přetlaku 15 MPa a úkolem je vypočítat atmosférickou vlhkost vzduchu po expanzi. Byla naměřena hodnota –26 °C DP při tlaku 15 MPa. Tomu podle tab. 1 odpovídá koncentrace vodní páry 565,44 ppmV. Při atmosférickém tlaku (101,3 kPa) bude koncentrace vodní páry 150krát nižší, tj. 3,77 ppmV. V tabulce této koncentraci odpovídá atmosférický bod ojínění –67,5 °C DP.
 
Ve druhém příkladu bylo k měření vlhkosti plynu použito zařízení, které při měření vlhkosti snížilo tlak plynu z 15 MPa na hodnotu blízkou atmosférickému (101,3 kPa). Je třeba vypočítat hodnotu vlhkosti při stlačení plynu. Byla naměřena hodnota –76 °C DP, které v tab. 1 odpovídá koncentrace vodní páry 1,03 ppmV. Při přetlaku 15 MPa bude koncentrace vodní páry 150krát vyšší, tedy 154,5 ppmV. Z tabulky lze pro tuto koncentraci přečíst hodnotu tlakového bodu ojínění přibližně –39,5 °C DP.
 
Literatura:
[1] KLASNA, M.: Měření stopové vlhkosti plynů – 1. část. Automa, 2006, roč. 12, č. 3, s. 34.
[2] KLASNA, M.: Měření stopové vlhkosti plynů – 2. část. Automa, 2006, roč. 12, č. 4, s. 20.
[3] KLASNA, M.: Technika měření vlhkosti plynů – měření v prostředí s nebezpečím výbuchu. Automa, 2007, roč. 13, č. 3, s. 60.
[4] KLASNA, M.: Měření vlhkosti plynů v extrémních podmínkách (část 1.). Automa, 2007, roč. 13, č. 12, s. 56.
[5] OTYCH, J.: Měření vlhkosti vzduchu. In: Sborník K 390-07 ČMS Praha.
 
Ing. Miloš Klasna, CSc.,
 
Obr. 1. Senzory vlhkosti s oxidovým dielektrikem
Obr. 2. Graf závislosti kapacity oxidových senzorů na vlhkosti
Obr. 3. Graf závislosti svodového odporu oxidových senzorů na vlhkosti
Obr. 4. Kalibrační křivky oxidových senzorů
Obr. 5. Měřicí sestava sondy a převodníku pro měření tlakového rosného bodu/bodu ojínění
Obr. 6. Měřicí skříň MC 211 pro měření vlhkosti technických plynů do přetlaku 20 MPa
Tab. 1. Tabulka hygrometrických ekvivalentů (při atmosférickém tlaku)
 

Zásady pro měření vlhkosti suchých a extrémně suchých plynů
Pro korektní měření je nutné dodržet tyto zásady:
  • použít měřicí průtočné komůrky a šroubení z korozivzdorné oceli,
  • použít potrubí vedoucí ke komůrce rovněž z korozivzdorné oceli nebo alespoň z PTFE,
  • volit co možná nejkratší délky potrubí, nejvýše 6 m od odběrního místa vzorku plynu,
  • vyvarovat se znečištění potrubí, které by vedlo ke zvýšení adsorpčního a absorpčního činitel, a tím k prodloužení doby odezvy systému,
  • minimalizovat při návrhu „akumulátory“ vlhkosti, jako jsou slepé kouty, ventily, spojovací díly, filtry,
  • zvolit vhodný měřicí systém se schopností změřit minimální očekávané koncentrace vodní páry,
  • zajistit a ověřit těsnost měřicího traktu.