Kelembapan gas serombong dengan sumber pencemaran tetap

Dalam pemantauan konvensional pelepasan gas serombong, kelembapan gas serombong merupakan parameter penting, dan ia juga merupakan yang paling sukar untuk diukur dengan tepat. Pengukuran kelembapan itu sendiri dipengaruhi oleh faktor lain (tekanan atmosfera, suhu), pengukuran kelembapan gas serombong juga perlu menghadapi masalah suhu tinggi, habuk tinggi, kelembapan tinggi, tekanan negatif, dan kakisan.

Di samping itu, penentukuran kelembapan merupakan masalah yang sukar. Sebabnya ialah sukar untuk menghasilkan penjana kelembapan suhu tinggi, jadi ia mempengaruhi pengukuran alat pengukur kelembapan dalam talian. Untuk mengesahkan dan menentukur instrumen kelembapan gas serombong, mesti ada peranti yang mampu menjana sumber kelembapan standard dan piawaian kelembapan. Kaedah pengukuran kelembapan yang mampu menjalankan pengukuran kelembapan mutlak boleh digunakan sebagai rujukan kelembapan. Gas dengan kelembapan yang diketahui juga boleh digunakan sebagai penanda aras untuk kelembapan. "Kaedah Pensampelan Pencemar Zarah dan Gas dalam Ekzos Sumber Pencemaran Tetap" (GB/T16157-1996) standard menetapkan tiga jenis kaedah pengukuran kelembapan gas serombong: kaedah pemeluwapan, kaedah berat dan kaedah bola kering-basah, yang digunakan sebagai kaedah rujukan pengukuran kelembapan gas serombong dan boleh digunakan untuk menentukur instrumen kelembapan gas serombong. Di samping itu, penjana kelembapan menjana kelembapan malar pada suhu dan tekanan tertentu, dan ia juga boleh digunakan untuk menentukur meter kelembapan gas serombong.

1. Pengenalan kaedah pengukuran kelembapan gas serombong

Kaedah bola kering-basah

Tiga kaedah rujukan kelembapan dalam piawaian GB/T16157-1996 tidak ideal dalam aplikasi praktikal. Kaedah pemberat dan kaedah pemeluwapan adalah kompleks, keadaan ujiannya tinggi, masa ujiannya panjang. Kaedah bola kering-basah adalah mudah, tetapi ralatnya besar.

Masalah utama mengukur kelembapan gas serombong melalui kaedah bola kering-basah ialah suhu gas serombong adalah tinggi, selalunya lebih tinggi daripada 100°C, tetapi suhu bola kering tidak dapat mencapai suhu gas serombong sebenar.

Suhu biasanya berada di antara suhu ambien dan suhu gas serombong, mengakibatkan ralat pengukuran yang tetap. Zong Ningsheng percaya bahawa apabila mengukur kelembapan gas serombong menggunakan kaedah bola kering-basah, operasi berikut harus dipertimbangkan: Apabila penunjuk suhu stabil dan tidak lagi meningkat, bacaan boleh dibuat (5-10 minit). Paip penyambung antara paip persampelan dan termometer kering dan basah adalah lebih pendek, dan dinding paip tidak sesuai untuk ditipiskan, untuk mengelakkan suhu gas serombong daripada jatuh secara berlebihan. Dalam iklim sejuk, tiub persampelan pemanasan harus digunakan.

Chang-Ai telah menambah baik termometer sfera kering-basah dan tiub persampelan gas serombong yang dipanaskan untuk mengelakkan ralat gas serombong yang mencapai takat embun dan pemeluwapan wap dalam tiub persampelan.

Rajah 1CI-PC39 Garis Besar

Mengikut suhu gas serombong sebenar di titik pengukuran, dengan mengubah suhu pemanasan tiub pensampelan, perbezaan antara suhu gas serombong yang memasuki ruang bola kering-basah dan suhu gas serombong di titik pensampelan dapat dielakkan. Ketepatan dan kestabilan higrometer mentol kering-basah buatan sendiri telah dikaji menggunakan kaedah mentol kering-basah standard dan kaedah pemberat. Keputusan menunjukkan bahawa data kelembapan yang diukur oleh meter kelembapan adalah andal dan berkesan, dan mempunyai tindak balas sensitif terhadap perubahan kelembapan gas serombong, dan boleh berfungsi secara berterusan dan stabil. Walaupun kaedah jet hentaman adalah prinsip kerja bola kering dan basah, ia bukanlah instrumen kelembapan biasa yang serupa dengan jabatan cuaca untuk mengukur kelembapan relatif udara. Instrumen kelembapan ini adalah reka bentuk baharu atau inovatif yang baharu, untuk mencapai keputusan pengukuran di atas, rajah produk perwakilannya ditunjukkan dalam Rajah 1.

Kejuruteraan pengukuran Chang-Ai telah berjaya diaplikasikan pada proses pengukuran suhu tinggi dan kelembapan tinggi, serta proses dengan gas yang menghakis dan mengandungi habuk. Dalam banyak proses, untuk memastikan kualiti produk, penggunaan tenaga yang cekap atau untuk mencapai matlamat pengurangan pelepasan, adalah perlu untuk memantau dan mengawal kelembapan gas proses. CI-PC39 ialah meter kelembapan proses untuk keperluan industri yang paling ketat, termasuk rintangan kakisan, operasi berterusan dan ketidakpekaan terhadap pengotoran.

Kaedah pemeluwapan

Prinsip kaedah pemeluwapan ialah sejumlah gas ekzos tertentu diekstrak daripada serombong untuk melalui kondenser, dan kandungan air dalam gas ekzos dikira mengikut kuantiti air pekat dan kandungan wap air gas tepu yang dilepaskan daripada kondenser. Prinsip kaedah pemberat ialah sejumlah gas ekzos tertentu diekstrak daripada serombong supaya kelembapan dalam gas ekzos diserap oleh tiub penyerapan kelembapan oleh agen penyerapan kelembapan melalui tiub penyerapan kelembapan yang diisi dengan agen penyerapan kelembapan, dan berat tiub penyerapan kelembapan dalam gas ekzos ialah komponen air yang terkandung dalam isipadu gas ekzos yang diketahui. Kedua-dua kaedah ini adalah serupa pada prinsipnya. Kepekatan jisim kelembapan gas serombong diperoleh secara langsung dengan menimbang kandungan lembapan dan membahagikan isipadu persampelan, dan kemudian kepekatan jisim ditukar kepada peratusan isipadu.

Kaedah bola kering-basah mudah dikendalikan dan mempunyai kebolehsuaian yang kuat. Ia merupakan kaedah rujukan pengukuran dalam talian yang biasa digunakan untuk kelembapan gas serombong. Kaedah pemeluwapan dan kaedah pemberat mempunyai ketepatan yang lebih tinggi, tetapi ujiannya rumit, operasi kakitangan memerlukan masa ujian yang tinggi, dan kaedah ini tidak sesuai untuk pengukuran kelembapan gas serombong dalam talian, dan hanya boleh digunakan sebagai kaedah makmal dan kaedah pengukuran dalam talian untuk ujian perbandingan.

Kaedah perencatan

Apabila sesuatu bahan diletakkan di antara sepasang elektrod, kapasitans antara elektrod akan berubah apabila ia menyerap wap air. Kandungan lembapan gas serombong boleh diperoleh dengan mengukur perubahan kapasitans bahan penyerapan lembapan, yang dipanggil sensor kelembapan kapasitif. Instrumen kelembapan kapasitif tradisional mempunyai beberapa masalah dalam kepekaan sensor, histeresis kelembapan, pekali suhu dan kestabilan jangka panjang.

Ciptaan ini berkaitan dengan Meter Kelembapan Gas serombong suhu tinggi tahan isipadu dalam talian bagi produk paten, yang merupakan meter kelembapan kaedah kapasitans yang dipertingkatkan, dan mempunyai rintangan kakisan yang baik dan kepekaan yang tinggi. Ia menggunakan sensor kelembapan kapasitans filem polimer.

Sebagai sensor kelembapan, sensor suhu rintangan platinum digunakan untuk pampasan suhu. Prinsip kerja ditunjukkan dalam Rajah 1, wap air melalui elektrod atas sensor kelembapan kapasitans filem molekul tinggi, dan mencapai filem polimer aktif molekul tinggi, kerana saiz sensor kecil dan filem polimer sangat nipis, sensor boleh membuat tindak balas pantas terhadap perubahan kelembapan persekitaran sekitar.

Rajah 2 Gambarajah Blok Prinsip Kerja Meter Air dengan Rintangan dan Kapasiti

Wap air yang diserap dalam polimer mengubah ciri-ciri dielektrik sensor dan mengubah nilai kapasitans sensor, menukar isyarat output sensor kelembapan kapasitif kepada nilai voltan, dan mengeluarkan isyarat voltan suhu melalui sensor suhu untuk melakukan pampasan automatik suhu. Meter kelembapan boleh mengukur kandungan air dalam julat 0 ~ 20% ± 2% di bawah suhu asap ≤180°C.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, banyak kajian telah dilakukan untuk mencari media pengesanan kelembapan yang lebih baik. Antaranya, bahan polimer organik telah menarik banyak perhatian kerana kepekaannya yang tinggi, tindak balas yang cepat dan histeresis kelembapan yang kecil. Terdapat dua jenis utama bahan media sensitif kelembapan: siri CAB (selulosa asetat butirat) dan siri P (polimida).

Sensor kelembapan kapasitif polimer organik pada asalnya diperbuat daripada selulosa asetat dan terbitannya. Pada masa ini, selulosa asetat paling banyak digunakan. Sakai Jepun telah membandingkan sifat-sifat pelbagai terbitan selulosa dan mengkaji sifat-sifat kapasitans, suhu dan isoterma penyerapan. Keputusan menunjukkan bahawa untuk membuat sensor kelembapan bukan higroskopik, kuantiti air mesti dihadkan dan interaksi antara molekul tidak boleh berlaku. Adalah dicadangkan bahawa bahan selulosa asetat, terutamanya elemen yang diperbuat daripada elektrod emas berliang, bukan sahaja mempunyai kelajuan tindak balas yang cepat, tetapi juga mempunyai histeresis higroskopik yang sedikit.

Matsuguchi mencadangkan sintesis polimer rendah dengan kumpulan asetilena pada kedua-dua hujung polimida. Dalam keadaan polimer rendah, larutan digunakan untuk melarutkan, dan filem disalut pada substrat untuk membentuk filem, dan selepas pemanasan, polimida dengan struktur penghubung stereo diperoleh, yang tidak mudah larut dalam air. Oleh kerana bahan tidak terpisah daripada air apabila dipejalkan, dan sukar untuk membentuk lubang mikro pada filem yang dikeraskan, ia adalah bahan sensitif kelembapan dengan rintangan air yang baik. Keputusan menunjukkan bahawa elemen sensitif kelembapan polimida yang diubah suai mempunyai kelajuan tindak balas yang cepat dan hampir tiada histeresis. Pekali suhu adalah kecil, rintangan pelarut (aseton) juga baik, dan kestabilannya bertambah baik dengan ketara.

Chen Xingzhu mencadangkan sejenis sensor kelembapan filem dielektrik komposit kapasitif yang baharu. Filem dielektriknya terdiri daripada dua jenis PI(CAB) yang mempunyai ciri output dan suhu linear yang berbeza. Berbanding dengan bahan tunggal PI dan CAB, bahan komposit ini mempunyai histeresis yang kecil, ralat tak linear yang kecil dan pekali suhu yang kecil, dan mempunyai peningkatan yang ketara dalam kebolehulangan dan kestabilan jangka panjang. Ia memberikan idea baharu untuk reka bentuk fungsi bahan dielektrik sensor kelembapan kapasitif. Rajah produk perwakilannya ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3 Profil sensor titik embun CI-XS200

Kelebihan utama kaedah kapasitans adalah kepekaan yang tinggi, tindak balas yang cepat, pembuatan yang mudah, dan mudah merealisasikan pengecilan dan penyepaduan. Pada masa ini, instrumen kelembapan dalam talian gas serombong di China mempunyai banyak aplikasi, tetapi kestabilan jangka panjangnya tidak ideal, dan kebanyakan penggunaan hanyutan jangka panjang adalah serius, menyebabkan kegagalan dan kerosakan. Sensor kelembapan kapasitif mempunyai rintangan kakisan yang kurang, yang selalunya memerlukan kebersihan yang lebih tinggi terhadap alam sekitar. Sesetengah produk masih mempunyai beberapa fenomena seperti kegagalan pencahayaan dan kegagalan elektrostatik. Pendek kata, ini adalah kaedah yang sentiasa diperbaiki.

Hadkan kaedah semasa

Menurut kajian teori yang mendalam, melalui sejumlah besar eksperimen, penggunaan sensor aliran ion dapat mencapai pengukuran kelembapan yang tepat. Dengan mengubah voltan yang dikenakan pada katod dan anod sensor, kelembapan dapat diukur. Penemuan ini menyelesaikan masalah bahawa sensor kelembapan biasa tidak dapat menyesuaikan diri dengan persekitaran suhu tinggi (contohnya, lebih tinggi daripada 100°C).

Voltan operasi dikenakan pada anod dan katod zirkonia untuk menyediakan medan elektrik bagi memacu ion oksigen dari katod untuk membentuk arus ion oksigen melalui zirkonia ke anod. Apabila kepekatan oksigen dalam atmosfera yang diukur adalah pasti, nilai arus sensor zirkonia tidak meningkat dengan peningkatan voltan yang dikenakan, mencapai nilai malar, nilai arus malar ini dipanggil nilai arus had kepekatan oksigen, kita panggil nilai arus had pertama. Mengikut prinsip kerja, apabila atmosfera yang diukur mengandungi wap air, dengan meningkatkan voltan yang dikenakan, wap air juga terionisasi menjadi ion oksigen, dan apabila kepekatan wap air dalam atmosfera yang diukur adalah tetap, sensor zirkonia mengeluarkan nilai arus malar, yang dipanggil nilai arus had kedua.

Rajah 4 Hubungan Antara Arus Had dan Voltan Gunaan

Rajah 5 Gambarajah Lengkung Arus Had Output Sensor Bawah Wap Air

Tindak balas pada katod dan anod sensor adalah seperti berikut:

Bahagian katod ：O2+4e- →2O2- (4)

H2O+2e- →H2+O2- (5)

Bahagian anod：O2- → 1/2O2+2e- (6)

Menurut peraturan Ficks had resapan gas bagi sensor, arus had pertama I1 dan arus had kedua I2 masing-masing diwakili oleh formula berikut di bawah syarat pekali resapan oksigen adalah sama dengan pekali resapan wap air:

I1={-4FDSP/(RTL)}Ln(1-PO2/P) (7)

I2={-4FDSP/(RTL)}{(1+PH2O/2PO2)} (8)

PO2=0.21(P- PH2O) (9)

Dalam formula: F ialah pemalar Faraday, D ialah pekali resapan molekul gas campuran, S ialah luas lubang resapan, P ialah tekanan jumlah gas campuran, tekanan separa PO2, tekanan separa wap air PH2O, R ialah pemalar gas, T ialah suhu mutlak, L ialah panjang lubang resapan gas, 0.21 ialah kandungan oksigen di udara.

Julat aplikasi pengukuran kelembapan arus ion ialah:

Chang Ai Co., Ltd., dengan kerjasama Dr. Zhang Yi Can (orang Cina, yang pertama memperkenalkan sensor zirkonia jenis arus ekstrem ke China) dan pasukannya, Yang Bang Chao, pengarah Institut Mikroelektronik dan Bahan Pepejal Universiti Sains dan Teknologi Elektronik Chengdu, mempelopori aplikasi sensor arus ion dalam pengukuran suhu dan kelembapan tinggi. Pada tahun 2006, syarikat itu pertama kali memperkenalkan instrumen kelembapan suhu tinggi GRL-12 berdasarkan sensor aliran ion (Rajah 5), dan sebelum Sukan Olimpik Hijau 2008, sebilangan besar aplikasi untuk loji koking di Shanxi, pemantauan pelepasan loji janakuasa terma, untuk perlindungan dan pemantauan alam sekitar telah menjadikan perusahaan domestik kerana kewajipan dan sumbangan. Dalam perkembangan lebih daripada sepuluh tahun, Syarikat Chang'ai telah membangunkan sebilangan besar instrumen analisis kelembapan berdasarkan sensor aliran ion, seperti pemancar kelembapan siri CI-PC18, monitor kelembapan tanah CI-PC19, Penganalisis Kelembapan suhu tinggi siri CI-PC168, sistem pengesanan kelembapan industri makanan CI-PC193, sistem analisis kelembapan suhu tinggi siri CI-PC196, yang mewakili rajah produk, lihat Rajah 6.

Rajah 6 Profil Higrometer Suhu Tinggi CI-PC18

Struktur sensor：

Rajah 6 Struktur sensor kelembapan aliran ion 3D

Produk-produk ini digunakan secara meluas dalam bidang perlindungan alam sekitar, percetakan dan pencelupan, kayu balak, bahan binaan, industri pembuatan kertas, industri kimia, serat dan farmasi, serta industri pemprosesan dan penyimpanan makanan, tembakau, sayur-sayuran dan bijirin.

Kaedah oksigen kering-basah

Sensor oksigen sistem CEMS digunakan untuk mengukur kandungan oksigen sebelum dan selepas penyahlembapan gas serombong. Apabila mengira kandungan lembapan dalam gas serombong, kelembapan gas serombong dikira mengikut formula berikut:

Xsw=1-X,O2/XO2 (1)

Dalam formula (1), X dan O2 ialah peratusan isipadu oksigen dalam gas serombong basah, %, dan Xo2 ialah peratusan isipadu oksigen dalam gas serombong kering, %.

Masalah utama oksigen kering dan basah ialah dua instrumen diperlukan untuk mengukur oksigen kering dan basah masing-masing. Ralat yang disebabkan oleh perbezaan titik persampelan dan ralat persampelan adalah seperti berikut: Ralat kedua-dua instrumen bertindih. Ralat ini sukar diatasi untuk kaedah ini.

Penyerapan inframerah

Spektroskopi penyerapan merupakan teknik penting dalam pengukuran kelembapan moden, termasuk penyerapan inframerah dan ultraungu. Pada masa ini, teknologi pengukuran berdasarkan spektrum penyerapan inframerah dekat telah menjadi lebih matang, ketepatan pengukuran, kepekaan dan julat pengukurannya adalah lebih baik daripada kaedah analisis kelembapan tradisional.

Kaedah penyerapan inframerah menggunakan prinsip bahawa air menyerap cahaya inframerah dengan kuat pada panjang gelombang tertentu, kandungan air berbeza, tahap penyerapan cahaya, dan mematuhi hukum Lambert-Beer. Dengan mengukur ketransmitansi gas pada panjang gelombang penyerapan dan panjang gelombang rujukan, nisbah ketransmitansi kedua-dua panjang gelombang adalah fungsi kandungan wap air dalam gas. Wan Jia Rong telah mendapati bahawa panjang gelombang penyerapan yang paling biasa digunakan ialah 1.45 μm dan 1.94 μm, dan panjang gelombang rujukan yang biasa digunakan ialah 1.73 μm dan 2.1 μm.

Terdapat dua jenis kaedah pengukuran kelembapan berdasarkan spektroskopi penyerapan inframerah dekat: spektroskopi pelemahan resonan diod laser (CRDS) dan spektroskopi penyerapan diod laser boleh tala (TLDAS). Resonator CRDS mempunyai struktur yang ringkas dan saiz yang kecil, yang memastikan penggantian gas yang cepat, jadi CRDS sangat sesuai untuk pengukuran dalam talian. TDLAS ialah teknologi pengukuran spektrum penyerapan yang agak matang, yang telah digunakan dalam bidang pengukuran mikro-kelembapan, dan mempunyai kelebihan kepekaan yang tinggi dan tindak balas yang pantas.

Walau bagaimanapun, kaedah penyerapan inframerah yang digunakan dalam pengukuran kelembapan gas serombong perlu mengelakkan gangguan panjang gelombang sensitif CO2/SO2/NOX, yang sukar, ditambah pula dengan harga instrumen yang tinggi, jadi ia jarang digunakan dalam pengukuran kelembapan gas serombong.

Penjana kelembapan suhu tinggi

Oleh kerana suhu gas serombong secara amnya lebih tinggi, ia adalah kira-kira 80°C ~ 120°C, manakala penjana kelembapan biasa menghasilkan kelembapan malar pada suhu normal, walaupun kelembapan malar berlaku pada suhu tinggi, adalah sukar untuk memastikan suhu dapat dikekalkan malar semasa digunakan. Selalunya sukar untuk memenuhi keperluan jika menggunakan penjana kelembapan suhu biasa untuk menentukur meter kelembapan gas serombong suhu tinggi, yang membawa sekatan yang besar kepada penyelidikan dan aplikasi pengukuran kelembapan suhu tinggi. Terutamanya sensor kelembapan kapasitif, sensor kelembapan sensitif terhadap suhu selain kelembapan persekitaran, dan mudah menghasilkan hanyutan suhu, jadi perlu untuk membangunkan penjana kelembapan suhu tinggi.

Penjana kelembapan suhu tinggi boleh menghasilkan kelembapan yang stabil pada suhu yang lebih tinggi. Ia merupakan peranti penentukuran yang mudah dan intuitif untuk instrumen kelembapan gas serombong. Zhang Wen Dong membangunkan satu set penjana kelembapan ketepatan suhu tinggi dengan menggunakan prinsip kaedah suhu berganda dan tekanan berganda. Eksperimen kestabilan suhu dijalankan pada 50°C, 100°C dan 150°C. Tempohnya ialah 2 jam. Keputusan ujian kestabilan suhu tangki minyak tepu dan ruang ujian adalah dalam lingkungan 0.02°C. Ketidakpastian teori maksimum peranti ialah ±1.09RH. Ketepatan peranti disahkan oleh keputusan ujian higrometer kaedah berat. Peranti ini boleh digunakan untuk membetulkan sensor dan pemancar kelembapan suhu tinggi.

2. Ringkasan

Pengukuran kelembapan gas serombong merupakan satu masalah yang diiktiraf. Kaedah bola kering-basah sebagai kaedah rujukan yang ditetapkan dalam piawaian kebangsaan mudah menghasilkan ralat. Kaedah pemeluwapan dan kaedah pemberat adalah berketepatan tinggi, tetapi operasinya kompleks, dan ia hanya boleh digunakan sebagai kaedah makmal. Kaedah pengukuran kelembapan gas serombong dalam talian yang digunakan dalam sistem CEMS di China ialah kaedah kapasitans dan kaedah arus had. Kedua-dua kaedah ini tergolong dalam sensor kelembapan elektronik. Prospek aplikasi adalah luas, tetapi anti-pencemaran dan kestabilan jangka panjang mesti dipertingkatkan. Walau bagaimanapun, kaedah oksigen kering-basah mempunyai ralat yang besar, dan kaedah penyerapan inframerah mahal, jadi ia kurang digunakan. Penjana kelembapan suhu biasa juga sukar untuk memenuhi keperluan penentukuran instrumen kelembapan gas serombong. Pembangunan penjana suhu dan kelembapan tinggi adalah perlu dan juga merupakan masalah teknikal.