干濕球法測(cè)量煙氣濕度影響因素探討

趙龍海

奧來(lái)國(guó)信（北京）檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 101300

1 測(cè)量原理

干濕球法是一種間接測(cè)量濕度的方法，它是通過(guò)測(cè)量干球溫度和濕球溫度利用公式或查表求出濕度的。

該方法是使用兩支規(guī)格完全相同的溫度計(jì)組成干濕球濕度計(jì)。干球溫度的感溫元件處于煙氣氣流主體中，濕球溫度的感溫元件用濕球紗布套包裹，并與盛水的容器相連。將濕球與周圍的煙氣作為一個(gè)系統(tǒng)，不考慮輻射導(dǎo)熱，也不考慮溫度計(jì)本身的導(dǎo)熱損失。

由于紗布套上的水不斷蒸發(fā)，吸收熱量，從而使?jié)袂驕囟认陆?，在測(cè)量過(guò)程中，煙氣對(duì)濕球的傳熱量與濕球紗布套上水分蒸發(fā)所消耗的熱量之間存在平衡關(guān)系，而濕球水分蒸發(fā)的速度與其周圍氣體的水汽含量成某種函數(shù)關(guān)系。

基于干濕球法原理的濕度自動(dòng)測(cè)量裝置，其微處理器控制傳感器測(cè)量、采集干球、濕球表面溫度以及通過(guò)濕球表面的壓力及排氣靜壓等參數(shù)，同時(shí)由濕球表面溫度導(dǎo)出該溫度下的飽和水蒸氣壓力，結(jié)合大氣壓，根據(jù)August-Apzohn干濕球方程，得出干濕球法測(cè)量濕度的計(jì)算公式為[1]：

式中：Xsw—排氣中水分含量體積百分?jǐn)?shù)，%；

Pbv—溫度為tb時(shí)飽和水蒸氣壓力（根據(jù)tb值，由空氣飽和時(shí)水蒸氣壓力表中查得），Pa；

0．00067—干濕球系數(shù)，℃-1；

tb—濕球溫度，℃；

tc—干球溫度，℃；

Pb—通過(guò)濕球溫度計(jì)表面的氣體壓力，Pa；

Ba—大氣壓力，Pa；

Ps—測(cè)點(diǎn)處排氣靜壓，Pa。

2 測(cè)量準(zhǔn)確性影響因素

固定污染源監(jiān)測(cè)中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，影響濕度測(cè)量準(zhǔn)確性的因素種類繁多。針對(duì)干濕球法，提出現(xiàn)場(chǎng)煙氣濕度監(jiān)測(cè)中的一些注意事項(xiàng)，以提高煙氣濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.1 通風(fēng)速度的影響

理論研究和實(shí)踐都證明了通風(fēng)速度對(duì)于干濕球法測(cè)量濕度的影響，尤其是對(duì)濕球溫度降低的重要性。對(duì)于強(qiáng)制通風(fēng)的干濕球濕度計(jì)來(lái)說(shuō)，通風(fēng)速度在（2．5-4．5）m/s[2]之間時(shí)，干濕球系數(shù)A接近為常數(shù)。通風(fēng)速度過(guò)低時(shí)，干濕球系數(shù)不穩(wěn)定，過(guò)高時(shí)則容易造成過(guò)熱。

由于通風(fēng)速度會(huì)對(duì)濕度測(cè)量造成影響，這就要求監(jiān)測(cè)人員在日常監(jiān)測(cè)中，要注意檢查濕度采樣管的氣流通暢狀況，防止發(fā)生阻塞而影響通風(fēng)速度。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)煙氣濕度采樣管尺寸設(shè)定合適的通風(fēng)量，以控制合理的通風(fēng)速度。監(jiān)測(cè)單位在日常儀器維護(hù)保養(yǎng)中，也要對(duì)濕度采樣管的通風(fēng)量、通風(fēng)速度進(jìn)行檢查，以保證通風(fēng)速度在有效范圍內(nèi)。

2.2 濕球紗套的影響

濕球紗套的作用是利用毛細(xì)現(xiàn)象將儲(chǔ)水盒中的水吸送到濕球上，使得濕球保持濕潤(rùn)。由于濕球紗套長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)變質(zhì)，從而使?jié)袂虻钠胶鉁囟劝l(fā)生漂移，干濕差變小。這種影響往往是由于灰塵或其他污物附著在濕球紗套上，因細(xì)菌作用使紗套變質(zhì)造成的。因此應(yīng)定期或及時(shí)更換紗套，尤其是在污染源排氣中污染物濃度較高的情況下。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，打開采樣孔后，要先清除孔中的積灰，再進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在更換濕球紗套時(shí)，應(yīng)將手洗凈，以免人手上的油脂污染紗布而影響濕球溫度的測(cè)量。

另外，濕球上的紗套應(yīng)使用專用紗套，因?yàn)榧喬椎奈浴⒓喚€密度、厚度等性能都會(huì)影響濕球溫度的測(cè)量。

2.3 溫度傳感器的影響

干球溫度和濕球溫度都是通過(guò)溫度傳感器測(cè)量來(lái)得到的，因此溫度傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對(duì)干濕球法測(cè)量濕度有非常重要的影響。

一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇精密度較高的熱電偶或鉑電阻溫度傳感器作為干球、濕球的測(cè)溫傳感器。除了考慮準(zhǔn)確度等級(jí)的影響外，溫度計(jì)的穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的，因此，作為干濕球法測(cè)量濕度的溫度傳感器應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和等級(jí)要求。

此外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)待干、濕球溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)，穩(wěn)定后的干球溫度應(yīng)與煙氣溫度相近。在對(duì)連續(xù)多源進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要待濕球溫度與環(huán)境平衡后再進(jìn)行下一個(gè)源的測(cè)量。

2.4 壓力傳感器的影響

通過(guò)濕球溫度計(jì)表面的氣體壓力是由設(shè)備壓力傳感器測(cè)出的，環(huán)境大氣壓力是由設(shè)備測(cè)出或現(xiàn)場(chǎng)直接輸入的，由式（1-1）可知，壓力對(duì)煙氣濕度的測(cè)量有直接的影響。

所以，設(shè)備應(yīng)選擇精密度較高的壓力傳感器。若環(huán)境大氣壓為現(xiàn)場(chǎng)輸入值，就要求監(jiān)測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)壓力表測(cè)量值輸入，切不可在設(shè)備中不進(jìn)行更改或直接輸入標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 加熱采樣管的影響

當(dāng)煙氣溫度較低或水分含量較高時(shí)，水分可能會(huì)在采樣管內(nèi)冷凝而產(chǎn)生誤差，為避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)對(duì)采樣管進(jìn)行保溫或加熱，以防止煙氣溫度降低達(dá)到露點(diǎn)溫度而冷凝。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，要根據(jù)測(cè)點(diǎn)處煙氣的實(shí)際溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)采樣管加熱溫度，避免進(jìn)入干濕球室的煙氣溫度與采樣處煙道內(nèi)的煙氣溫度相差過(guò)大。實(shí)際操作中，采樣管的加熱溫度應(yīng)略高于測(cè)點(diǎn)處的煙氣溫度。

此外，有些監(jiān)測(cè)設(shè)備采樣管與干、濕球溫度計(jì)之間用膠管連接，此處連接用的膠管要盡可能短，且管壁不宜過(guò)薄，以防止煙氣溫度過(guò)度下降。

2.6 儲(chǔ)水盒水溫的影響

儲(chǔ)水盒是提供濕球紗套水分的來(lái)源，也是影響濕球紗套溫度的因素之一（煙氣溫度是紗套溫度的另一影響因素）。儲(chǔ)水盒水溫會(huì)影響濕球紗套的溫度，紗套溫度不同，濕球紗套水分的蒸發(fā)速度也會(huì)不同，對(duì)應(yīng)濕球溫度下的飽和水蒸氣壓力也不同，進(jìn)而影響煙氣濕度的測(cè)量結(jié)果。下表數(shù)據(jù)為在同一煙氣環(huán)境，不同儲(chǔ)水盒水溫下的煙氣濕度測(cè)量結(jié)果。

圖1數(shù)據(jù)表明，儲(chǔ)水盒水溫會(huì)對(duì)煙氣濕度測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，煙氣濕度測(cè)量結(jié)果會(huì)隨著儲(chǔ)水盒水溫升高而變大，兩者之間呈正相關(guān)關(guān)系。

3 測(cè)量的限制范圍

干濕球法是依據(jù)濕球中水分蒸發(fā)速度與被測(cè)氣體濕度相關(guān)的原理建立的一種測(cè)量方法。水分的蒸發(fā)需要吸收濕球的熱量，又導(dǎo)致濕球溫度下降，因此濕球溫度下降值與氣體濕度大小相關(guān)，其相關(guān)關(guān)系服從計(jì)算式（1）。在以下幾種條件下這種相關(guān)關(guān)系被破壞，該法的運(yùn)用受到限制。

圖1 儲(chǔ)水盒水溫對(duì)煙氣濕度的影響

3.1 被測(cè)氣體處于飽和狀態(tài)時(shí)

根據(jù)干濕球法測(cè)量濕度原理，在被測(cè)氣體處于飽和狀態(tài)時(shí)，濕球水分不再蒸發(fā)，測(cè)量機(jī)理消失，不能用干濕球法測(cè)量這種狀態(tài)下的氣體的濕度。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，有的污染源排氣本身濕度較大或煙氣溫度較高與煙道外界環(huán)境溫差過(guò)大，這時(shí)就有可能出現(xiàn)煙氣濕度飽和甚至過(guò)飽和現(xiàn)象，所以此時(shí)就要判斷排氣濕度是否為飽和狀態(tài)。

本文根據(jù)飽和水蒸氣壓力表，計(jì)算出不同溫度時(shí)的飽和狀態(tài)的濕度，用以判斷濕度是否為飽和狀態(tài)，計(jì)算公式為：

式中：X—排氣中水分含量體積百分?jǐn)?shù)，%；

Pv—不同溫度時(shí)的飽和水蒸氣壓力（由空氣飽和時(shí)水蒸氣壓力表[3]中查得），Pa；

Ba—大氣壓力，Pa；

Ps—測(cè)點(diǎn)處排氣靜壓，Pa。

根據(jù)日常監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，污染源排氣靜壓Ps一般不會(huì)太大，故在繪制曲線時(shí)忽略，氣壓以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值計(jì)算。由此制成不同煙氣溫度時(shí)飽和含濕量曲線圖2。由曲線圖可知，曲線下方的區(qū)域?yàn)楦蓾袂蚍y(cè)量煙氣濕度的適用范圍。

圖2 不同煙氣溫度時(shí)飽和含濕量曲線

3.2 被測(cè)氣體溫度過(guò)高時(shí)

在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，有的污染源煙氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致濕球溫度升至100℃，這時(shí)濕球溫度不再受氣體濕度的影響，測(cè)量機(jī)理消失，因此不能用干濕球法測(cè)量這種狀態(tài)下氣體的濕度。

3.3 濕球水分蒸發(fā)殆盡時(shí)

在污染源煙氣溫度較高，濕球蒸發(fā)速度較快，或監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，此時(shí)就要注意濕球紗套的水分。當(dāng)濕球水分蒸發(fā)殆盡后，濕球溫度明顯上升，測(cè)量機(jī)理消失，必須給濕球補(bǔ)充水分后再進(jìn)行測(cè)量。

4 不同方法的比較與分析

GB/T16157-1996中規(guī)定的濕度測(cè)量方法有冷凝法、重量法、干濕球法。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代微電子、微機(jī)械加工、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了阻容法、電容法、激光法等多種濕度測(cè)量方法。

為了探討干濕球法在不同工況條件下所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行方法比對(duì)。文獻(xiàn)中采用了干濕球法、重量法、阻容法、激光法對(duì)7個(gè)不同的污染源進(jìn)行了比對(duì)，其中干濕球法所用儀器為3012H設(shè)備，與目前市場(chǎng)上普遍使用設(shè)備相同，具備可比性，結(jié)果如下[4]：

圖3 污染源煙氣監(jiān)測(cè)時(shí)工況

圖4 不同污染源4種測(cè)定方法濕度測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

由圖中數(shù)據(jù)可知：干濕球法測(cè)定煙溫在100℃以下煙氣的濕度結(jié)果與其他3種方法相關(guān)性較好，能較準(zhǔn)確的獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；干濕球法測(cè)定煙溫在100℃以上煙氣的濕度準(zhǔn)確度差。

5 結(jié)語(yǔ)

污染源濕度監(jiān)測(cè)中，干濕球法以其操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、測(cè)試快速等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最為普遍，但其同樣存在影響測(cè)量準(zhǔn)確性的因素及方法本身的局限性。

本文針對(duì)干濕球法，提出煙氣濕度測(cè)量當(dāng)中的一些注意事項(xiàng)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，首先應(yīng)在方法的適用范圍內(nèi)測(cè)量，同時(shí)保證規(guī)范的操作方式，避免由于操作原因?qū)е聹y(cè)量誤差。