Aplikasi Teknologi Pemantauan Dalam Talian untuk Kelembapan (Kelembapan) Gas Serombong
Teknologi Sensor Sel Bahan Api
Pelepasan gas serombong daripada pelbagai pembakar, dandang perindustrian dan komersial telah menyebabkan pencemaran atmosfera yang teruk. Pemantauan gas toksik dan berbahaya dalam gas serombong merupakan aspek penting dalam usaha perlindungan alam sekitar. Sistem Pemantauan Pelepasan Berterusan (CEMS) telah muncul untuk menangani keperluan ini, yang secara amnya mengukur bahan pencemar gas serombong berdasarkan keadaan gas serombong kering. Walau bagaimanapun, gas serombong yang dilepaskan secara industri bukanlah gas kering yang ideal dan sentiasa mengandungi sejumlah kelembapan tertentu. Oleh itu, kelembapan gas serombong telah menjadi parameter pengukuran penting dalam pemantauan sumber pencemaran gas serombong, dan ketepatan pengukurannya secara langsung mempengaruhi pengiraan jumlah pelepasan dan kepekatan bahan pencemar, serta penilaian kecekapan sistem penulenan gas serombong.
Di samping itu, penentukuran kelembapan juga merupakan cabaran yang ketara. Ini disebabkan oleh kesukaran dalam pembuatan penjana kelembapan suhu tinggi, yang mempengaruhi kebolehkesanan nilai pengukuran daripada instrumen kelembapan dalam talian. Untuk mengesahkan dan menentukur meter kelembapan gas serombong, adalah penting untuk mempunyai peranti yang mampu menjana sumber kelembapan standard, serta penanda aras dan piawaian kelembapan. Kaedah pengukuran kelembapan yang mampu menentukan kelembapan mutlak boleh berfungsi sebagai penanda aras kelembapan dan gas dengan tahap kelembapan yang diketahui juga boleh berfungsi sebagai penanda aras kelembapan. Piawaian "Penentuan zarah dan kaedah pensampelan bahan pencemar gas yang dipancarkan daripada gas ekzos sumber pegun" (GB/T 16157-1996) menetapkan tiga kaedah untuk mengukur kelembapan gas serombong: kaedah mentol basah-kering, kaedah pemeluwapan dan kaedah gravimetri. Berfungsi sebagai kaedah rujukan untuk pengesanan kelembapan gas serombong, ketiga-tiga kaedah ini boleh digunakan untuk menentukur meter kelembapan gas serombong. Selain itu, penjana kelembapan boleh menghasilkan gas lembap malar di bawah keadaan suhu dan tekanan tertentu, dan juga boleh digunakan untuk menentukur meter kelembapan gas serombong. Dengan kemajuan teknologi dan penekanan negara yang semakin meningkat terhadap perlindungan alam sekitar, terdapat empat kaedah utama untuk pengukuran kelembapan gas serombong suhu tinggi dalam talian di China: kaedah suntikan aliran malar (mentol basah-kering), kaedah rintangan-kapasitans, kaedah aliran ion berasaskan zirkonia (arus pengehad), dan kaedah penyerapan spektrum inframerah.
Pengenalan kepada Kaedah Pengukuran untuk Kelembapan Gas Serombong
>> Kaedah Mentol Basah-Kering
Kaedah mentol basah dan kering mengukur kelembapan relatif udara berdasarkan kesan perbezaan antara suhu mentol basah dan suhu mentol kering. Molekul air tersejat dari permukaan mentol basah menjadi wap air, yang perlu menyerap haba pendam pengewapan. Penyejatan berterusan terus menyerap haba dari permukaan dan menyejukkan mentol basah. Tahap penyejukan ditentukan oleh kelembapan relatif udara di sekeliling, tekanan atmosfera, dan kelajuan angin. Jika tekanan atmosfera dan kelajuan angin kekal malar, semakin tinggi kelembapan relatif, semakin rendah kadar penyejatan air dari permukaan mentol basah, dan semakin kecil suhu permukaan mentol basah yang merupakan perbezaan antara suhu mentol basah dan suhu mentol kering; sebaliknya, semakin besar perbezaan antara suhu mentol basah dan mentol kering. Oleh itu, dengan mengukur perbezaan antara suhu mentol basah dan mentol kering dan menentukan hubungan antara kelembapan relatif dan perbezaan suhu ini, kelembapan relatif boleh dikira [2,3
>> Prinsip Pengukuran Kelembapan dengan Kaedah Mentol Basah-Kering
Mengikut prinsip pemindahan haba dan kelembapan, apabila keseimbangan terma dan kelembapan dicapai, kuantiti pemindahan haba Q1 dari udara ke bebola basah bersamaan dengan haba pendam Q2 yang diperlukan untuk penyejatan kelembapan daripada kasa, iaitu: Q1 = Q2 (1)
Berdasarkan prinsip pemindahan haba: Q1=α（t-tw）F (2)
Dalam formula: α ialah pekali pertukaran haba antara udara dan permukaan air bagi mentol basah, W/m2 ·℃; t ialah suhu mentol kering, °C; tw ialah suhu mentol basah, °C; F ialah luas permukaan mentol basah, m².
Menurut prinsip pemindahan lembapan dan hukum penyejatan Dalton, jisim air yang tersejat adalah berkadar terus dengan defisit ketepuan wap udara sekeliling dan kawasan penyejatan, dan berkadar songsang dengan tekanan atmosfera pada masa itu. Oleh itu, kadar pertukaran lembapan[4] boleh dinyatakan sebagai:
Dalam formula: W ialah kadar pertukaran lembapan, kg/s; r ialah haba pendam pengewapan, J/kg; β ialah pekali pertukaran lembapan, kg/(m²·s·Pa); F ialah luas permukaan bebola basah, m²; B ialah tekanan atmosfera sebenar, Pa; P´q,b ialah tekanan separa wap air tepu pada suhu bebola basah, Pa; Pq ialah tekanan separa wap air di udara, Pa.
Diperoleh daripada Formula (1), (2) dan (3):
Dalam formula: pekali psikrometer
Oleh itu, kelembapan relatif ialah:
Kaedah mentol basah-kering yang digunakan untuk memantau gas serombong daripada sumber pencemaran secara amnya menggunakan dua termogandingan yang sama sebagai elemen pengesan suhu, satu untuk mengukur suhu mentol kering dan satu lagi untuk suhu mentol basah. Elemen pengesan untuk suhu mentol kering diletakkan di dalam aliran gas serombong utama, manakala elemen pengesan untuk suhu mentol basah dibalut dengan kasa kapas yang disambungkan ke bekas air. Mentol basah dan gas serombong di sekelilingnya dianggap sebagai satu sistem tunggal, tanpa pertimbangan diberikan kepada pengaliran haba radiasi. Peranti pengukuran kandungan lembapan automatik, berdasarkan prinsip mentol kering-basah, menggunakan mikropemproses untuk mengawal sensor yang mengukur dan mengumpul parameter seperti suhu permukaan mentol basah dan mentol kering, serta tekanan merentasi permukaan mentol basah dan tekanan statik ekzos. Ia memperoleh tekanan wap air tepu pada suhu permukaan mentol basah dan, digabungkan dengan tekanan atmosfera input, mengira kandungan lembapan gas serombong secara automatik menggunakan formula.
1-Serombong;
Termometer 2-mentol kering;
Termometer 3-mentol basah;
Tiub persampelan 4-Bertebat;
5-Tolok tekanan vakum;
6-Rotameter;
Pam sedutan 7-udara
>> Kaedah Pancutan Aliran Malar
Kaedah pancutan aliran malar (mentol basah-kering). Prinsip asas pengukuran kelembapan mentol basah-kering: sensor suhu (5) mengukur suhu gas serombong sebagai suhu mentol kering, dan sel pengukur (3) diisi dengan sejumlah air. Air dalam tangki air (1) dibekalkan secara berterusan ke sel pengukur oleh pam hos (2). Paras air dalam sel pengukur dipantau oleh sensor, dan tekanan dalam sel juga dikesan oleh sensor untuk memastikan ketepatan pengukuran dan memantau cecair. Sensor suhu (6) dipasang di dalam sel pengukur dan perlu diletakkan di bawah permukaan air. Gas serombong kemudiannya dipancut secara berterusan pada kadar aliran malar terus di atas permukaan air dalam sel pengukur, dan suhu yang dikesan diambil sebagai suhu mentol basah (lihat Rajah 2). Berdasarkan prinsip pemindahan haba dan termodinamik, formula matematik berikut boleh disimpulkan:
Dalam formula
U—Kelembapan relatif %;
etw—Tekanan wap air tepu pada suhu mentol basah;
et—Tekanan wap air tepu pada suhu mentol kering;
P—Tekanan atmosfera;
∆t—Perbezaan suhu antara mentol kering dan mentol basah;
A—Pemalar yang berkaitan dengan kelajuan angin.
Higrometer Suhu Tinggi Pancutan Aliran Malar Chang Ai
CI-PC39 Chang Ai telah berjaya digunakan untuk proses pengukuran suhu tinggi dan kelembapan tinggi, serta dalam proses yang melibatkan gas yang menghakis dan sarat habuk. Dalam banyak proses perindustrian, adalah perlu untuk memantau dan mengawal kelembapan gas proses bagi memastikan kualiti produk, mengoptimumkan kecekapan tenaga atau memenuhi sasaran pengurangan pelepasan. CI-PC39 ialah higrometer proses yang direka untuk keperluan aplikasi perindustrian yang paling ketat, termasuk pengukuran kelembapan dalam medium keras dengan rintangan kakisan (seperti loji pembakaran sisa, asid sulfurik, asid hidrofluorik atau aqua regia). Ia mempunyai data pengukuran yang tepat dan boleh dipercayai, pelbagai kebolehsuaian suhu, beban kerja penyelenggaraan yang rendah dan jangka hayat yang panjang. Kelemahannya termasuk harga yang tinggi, saiz yang besar dan keperluan untuk pengisian semula air secara berkala.
Berdasarkan formula matematik di atas, kita dapat melihat dengan jelas bahawa kaedah pancutan arus malar untuk mengukur kelembapan dalam gas serombong dicapai melalui pengukuran suhu gas serombong secara tidak langsung. Hasil darab perwakilannya ditunjukkan dalam Rajah (3).
Teknologi pengukuran suhu agak matang dan boleh dipercayai. Walaupun di bawah keadaan kerja yang sangat keras, penggantian sensor suhu di tapak boleh dilakukan dengan mudah. Walaupun kaedah jet aliran malar adalah prinsip kerja mentol basah-kering, ia tidak serupa dengan higrometer yang biasa digunakan di pasaran oleh jabatan meteorologi untuk mengukur kelembapan relatif udara. Higrometer ini telah mencapai keputusan pengukuran yang dinyatakan di atas melalui reka bentuk yang baharu—malah revolusioner—inovatif.
Kaedah Pemeluwapan
Prinsip kaedah pemeluwapan adalah seperti berikut: sejumlah gas ekzos tertentu diekstrak dari serombong dan melalui kondenser. Kandungan lembapan dalam gas ekzos dikira dengan menjumlahkan jumlah air pekat dan jumlah wap air yang terkandung dalam gas tepu yang dilepaskan dari kondenser.
● Kondenser, lihat Rajah (1)
● Peranti pensampelan habuk serombong: Ia terdiri daripada pensampelan habuk serombong (mampu mengukur tr, tv, Pr, Qrw, tetapan masa n dan fungsi pengeringan gas), tiub pensampelan dan pam udara.
>> Prosedur Pengesanan
● Sambungkan kondenser ke paip air sejuk atau letakkannya terus di dalam air ais, kemudian sambungkan seluruh sistem seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 dan periksa seluruh sistem untuk kebocoran gas;
● Kaedah pemeriksaan kebocoran gas: sekat tiub getah di antara tiub pensampelan dan kondenser, kemudian hidupkan pam udara. Apabila tekanan negatif yang ditunjukkan oleh tolok tekanan sebelum meter aliran mencapai 6.6 kPa (50 mmHg), tutup tiub getah di antara meter aliran dan pam udara dan hentikan pam. Jika penunjuk tolok tekanan tidak menurun lebih daripada 0.2 kPa (1.5 mmHg) dalam masa 1 minit, sistem ini kedap udara.
Rajah (2) Sistem Pengukuran dan Pensampelan Kelembapan
| Tindak balas pengurangan katodik | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| Tindak balas pengoksidaan anodik | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
Seperti yang dapat dilihat daripada persamaan tindak balas elektrod di atas, tiada penggunaan sel elektrolitik atau elektrod. Oleh itu, pengguna tidak perlu menggantikan elektrod atau sel elektrolitik semasa operasi; mereka hanya perlu mengisi semula air suling dan elektrolit secara berkala (elektrolit berkurangan disebabkan oleh penyejatan semula jadi). Ini berbeza daripada sensor oksigen sel bahan api yang dinyatakan di atas, yang biasanya perlu diganti setiap 1 hingga 2 tahun.
Apabila memperkenalkan sensor oksigen jenis sel bahan api alkali, ditekankan bahawa ia tidak boleh digunakan dalam aplikasi di mana gas yang diukur mengandungi komponen berasid. Sensor oksigen elektrolitik Delta F menggunakan larutan KOH alkali sebagai elektrolitnya. Untuk mengatasi gangguan yang disebabkan oleh gas berasid dan mencegah kakisan elektrod, sepasang elektrod tambahan Stab-EL direka bentuk di dalam sensor. Fungsi elektrod tambahan ini adalah untuk menyingkirkan gas berbahaya ini selepas gas sampel yang mengandungi gas berasid memasuki sel elektrolitik, sekali gus mencegah kerosakan pada sensor dan memastikan ketepatan bacaan penganalisis.
Rajah 6-4 Gambarajah skematik sensor oksigen surih Delta F
