Szeroko stosowanym przyrządem do pomiaru wilgotności powietrza (i innych gazów) jest higrometr kondensacyjny. Jego zasadą działania jest pomiar temperatury, zwanej punktem rosy, przy której rozpoczyna się kondensacja wilgoci z powietrza.
Jaka jest wilgotność powietrza
Higrometr mierzy zawartość wilgoci w powietrzu, którą można przedstawić jako wartość bezwzględną lub względną. Pierwsza z nich podaje po prostu masę pary wodnej w 1 metrze sześciennym. m powietrza w danej temperaturze. Natomiast druga pokazuje, jak blisko jest para wodna znajdująca się w powietrzu stanu nasycenia, czyli dynamicznej równowagi z fazą ciekłą - kiedy nie ma parowania ani kondensacji. Jest on równy stosunkowi zmierzonej wilgotności bezwzględnej powietrza do jego wilgotności bezwzględnej w stanie nasycenia. Gdy para wodna w powietrzu jest nasycona (znowu w danej temperaturze), wilgotność względna tego powietrza wynosi 100%. W powietrzu z nienasyconą parą wodną jest to odpowiednio mniej.
Jak działa higrometr kondensacyjny
Zasadą działania każdego urządzenia do określania wilgotności powietrza jest z reguły pomiar innej wielkości, takiej jak temperatura, ciśnienie, masa lub zmiany mechaniczne i elektryczne w substancji pochłaniającej wilgoć. Poprzez odpowiednią kalibrację i obliczenia te zmierzone wartości mogą prowadzić do określenia wilgotności bezwzględnej lub względnej. Bardzo ważną rolę w tym procesie odgrywa temperatura, w której następuje nasycenie pary, zwana punktem rosy. Z reguły nowoczesne urządzenia elektroniczne do określania wilgotności powietrza mierzą tę temperaturę lub zmiany pojemności elektrycznej lub rezystancji różnych substancji chłonnych, które są następnie przekształcane (automatycznie) we wskaźniki wilgotności.
Higrometr kondensacyjny
Jego praca opiera się właśnie na pomiarze pary wodnej w powietrzu metodą punktu rosy. Metoda ta polega na ochłodzeniu powierzchni, zazwyczaj lustra metalowego, do temperatury, w której woda na powierzchni lustra jest w równowadze z prężnością pary wody w próbce gazu nad powierzchnią. W tej temperaturze masa wody na powierzchni lustra ani się nie zwiększa (jeśli powierzchnia jest zbyt zimna), ani nie maleje (jeśli powierzchnia jest zbyt ciepła), tj. para nad lustrem jest w równowadze dynamicznej z kondensacją wody na lustro (para jest nasycona).
To lustro jest wykonane z materiału o dobrej przewodności cieplnej (takiego jak srebro lub miedź) ipokryte metalem obojętnym, takim jak iryd, rubid, nikiel lub złoto, aby zapobiec matowieniu i utlenianiu. Lustro jest chłodzone chłodnicą termoelektryczną (efekt Peltiera) aż do powstania kondensatu. Wiązka światła, zwykle z półprzewodnikowej szerokopasmowej diody elektroluminescencyjnej, jest kierowana na powierzchnię lustra, a fotodetektor monitoruje odbite światło, którego przepływ jest maksymalny, gdy na lustrze nie występuje kondensacja.
Metoda obsługi higrometru dziecięcego
Kiedy krople rosy tworzą się na lustrzanej powierzchni lustra, odbite światło jest rozpraszane. W tym przypadku jego strumień wchodzący do fotodetektora zmniejsza się, co prowadzi do zmiany sygnału wyjściowego tego ostatniego. To z kolei jest kontrolowane przez analogowy lub cyfrowy termoelektryczny system sterowania chłodnicą, który utrzymuje stabilną temperaturę lustra w punkcie rosy. Przy odpowiednio zaprojektowanym systemie lustro jest utrzymywane w temperaturze, w której szybkość kondensacji jest dokładnie równa szybkości parowania warstwy rosy. Dokładny miniaturowy platynowy termometr oporowy (PRT) zamontowany w lustrze mierzy jego temperaturę w tym punkcie, która jest automatycznie przekształcana na odczyt wilgotności.
Higrometr do pomiaru wilgotności powietrza rozważanej konstrukcji zawiera również pompę próżniową do pompowania analizowanej porcji gazu oraz dodatkowe elementy filtrujące w warunkach brudnych.
Zalety rozważanych higrometrów
Takie przyrządy, oparte na prostej zasadzie działania, o szerokim zakresie pomiarowym, wysokiej dokładności i stabilnych odczytach, znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle i badaniach naukowych. Typowy higrometr punktu rosy, w przeciwieństwie do wielu innych czujników wilgotności, może być bardzo stabilny, praktycznie odporny na zużycie, co minimalizuje potrzebę ponownej kalibracji. Higrometr wilgotności punktu rosy może mierzyć punkt rosy w zakresie temperatur od 100°C do minimum -70°C. W tym przypadku dokładność pomiaru wynosi dziesiąte części stopnia.
Wiele higrometrów w rozważanej konstrukcji jest wyposażonych w sterowanie mikroprocesorowe i, w połączeniu z rezystancyjnym czujnikiem temperatury, jest w stanie obliczyć i wyświetlić na zewnętrznym wskaźniku dowolne pożądane parametry wilgotności oprócz lub zamiast punktu rosy. Ponadto urządzenia te umożliwiają przesyłanie wyników za pomocą technologii bezprzewodowej. Oczywiście takie urządzenia są szeroko stosowane jako część różnych systemów przemysłowych do automatycznego gromadzenia danych i kontroli odpowiednich procesów technicznych.
Ile kosztowałby taki higrometr? O jego cenie decyduje oczywiście przede wszystkim zestaw zaimplementowanych funkcji, uzależniony od dostępności i złożoności elektronicznego systemu sterowania urządzeniem. Tak więc stacjonarny higrometr kondensacyjny, który wygląda jak oscyloskop cyfrowy, kosztuje co najmniej 4000 USD. Szczególnie „zaawansowane” modele mogą kosztować ponad 10 000 USD. W sklepieMożesz również znaleźć w pełni funkcjonalny przenośny higrometr. Jego cena wynosi od 1 do 2 tysięcy dolarów.
Wady higrometrów kondensacyjnych
Chociaż rozważany system higrometrów jest uważany za najbardziej wydajny w procesie pomiarowym, jego wadą jest nieuniknione zanieczyszczenie części toru pomiarowego podczas pracy.
Higrometry wyposażone w chłodzone lustra mają tendencję do zwiększania niedokładności pomiaru ze względu na obecność rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych zanieczyszczeń osadzonych na lustrach. Nierozpuszczalne cząsteczki wpływają na właściwości optyczne lustra. Umiarkowane zapylenie lub pojawienie się na lustrze nierozpuszczalnych cząstek zapewnia centra koncentracji, na których może tworzyć się rosa lub szron, co wydłuża czas reakcji urządzenia. Zanieczyszczenia rozpuszczalne wpływają na wielkość ciśnienia pary ze skondensowanej wilgoci na lustrze, co przesuwa punkt rosy. Nowoczesne higrometry pomiarowe (przynajmniej ich bardziej wyrafinowane modele) zawierają funkcje „autotestu”, które pozwalają urządzeniu wykrywać zanieczyszczenia i reagować na nie poprzez odpowiednie dostosowanie algorytmów obliczania wilgotności.
Niezależnie od tych możliwości, praktycznie wszystkie omawiane higrometry muszą być okresowo sprawdzane i czyszczone.
Konserwacja chłodzonych higrometrów lustrzanych
Co w tym zakresie zaleca instrukcja obsługi użytkownikowi urządzenia. Higrometr wrażliwy na zabrudzenia musi byćbyć okresowo czyszczony, aby zapewnić stabilność wyników pomiarów, choć może to zwiększyć koszty jego utrzymania. Przegląd zwierciadła przyrządu odbywa się zwykle za pomocą wbudowanego mikroskopu, a jego konserwacja odbywa się ręcznie po otwarciu komory pomiarowej.
Jeżeli czyszczenie powierzchni lustra odbywa się z częstotliwością wymaganą w instrukcji jego obsługi, to w ten sposób można zachować dokładność pomiarów. Wygodny dostęp do powierzchni lustra w celu czyszczenia zapewnia zwykle zawias między elementami optycznymi a lustrem. Teraz możesz znaleźć na rynku dowolny higrometr kondensacyjny, którego potrzebuje konsument. Zdjęcie poniżej pokazuje przykład jego wykonania.
Zastosowanie higrometrów w metrologii
Właściwie zaprojektowany i konserwowany higrometr ze schłodzonym lustrem zapewnia pomiary wilgotności z dokładnością o rząd wielkości większą niż inne popularne mierniki wilgotności. Właściwa dokładność pomiaru, zwłaszcza w połączeniu z platynowym termometrem oporowym do pomiaru temperatury, zwierciadłem i mikroskopem średniej mocy do monitorowania zwierciadeł, czyni go idealnym do pomiarów metrologicznych. Możliwości przekazywania informacji za pośrednictwem bezprzewodowych kanałów komunikacji cyfrowej otwierają szerokie możliwości wykorzystania takich higrometrów w światowych systemach gromadzenia i przetwarzania informacji meteorologicznych.
Użyj w laboratoriach fabrycznych i zanieczyszczonych środowiskach
Ten miernik wilgotności powietrza jest idealny do pomiaru jego wartości bezwzględnej w fabrycznych laboratoriach klimatycznych. Są one często używane jako odniesienie do kontroli dokładności innych przyrządów, takich jak czujniki wilgotności względnej używane do kontroli środowiskowych komór testowych.
Stabilność materiałów użytych do budowy tych higrometrów, a także możliwość ich wielokrotnego czyszczenia, sprawiają, że przyrządy nadają się do bardzo długiej eksploatacji w środowiskach z większością zanieczyszczeń bez utraty kalibracji. Ta stabilność działania sprawia, że nadają się one do stosowania w strumieniach gazów, w których wysoki poziom zanieczyszczeń w próbkach gazu jest nieodwracalnie szkodliwy dla mniej stabilnych typów czujników wilgotności. Na przykład ten typ higrometru jest szeroko stosowany do kontrolowania punktu rosy podczas utwardzania cieplnego powierzchni wyrobów metalowych w środowisku powietrznym ze specjalnymi zanieczyszczeniami. W takich przypadkach szczególnie pożądane jest zapewnienie łatwego dostępu do lustra w celu czyszczenia.
Produkcja wrażliwa na wilgoć
Wyspecjalizowane procesy pakowania wymagane w produkcji farmaceutyków, folii, powłok i innych produktów są często monitorowane przez chłodzone higrometry lustrzane. Ponownie na ich wybór w tym przypadku wpływa stabilność dokładności pomiaru i długa żywotność. Co więcej, ponieważ procesy te są zwykle mniej wrażliwe nakoszty instrumentów, wysoki koszt tych higrometrów nie jest czynnikiem decydującym przy wyborze schematu monitorowania wilgotności.
Gazy wysokotemperaturowe i ich punkty rosy
Ten typ higrometru jest często wybierany do pomiaru temperatury punktu rosy powyżej temperatury otoczenia. Instrumenty chłodzone lustro były używane już w 1966 roku do monitorowania wodorowych ogniw paliwowych rakiet Apollo działających w temperaturze 250 ° C i 700 psi. Dzięki dzisiejszym technologiom chłodzenia luster termoelektrycznych można łatwo zmierzyć punkty rosy do 100°C (i wyższe, zakładając ciśnienie wyższe od ciśnienia atmosferycznego). W takich przypadkach wszystkie powierzchnie komory pomiarowej higrometru mające kontakt z próbką gazu muszą mieć temperaturę powyżej najwyższego oczekiwanego punktu rosy, w przeciwnym razie na tych powierzchniach wystąpi kondensacja i pomiar będzie błędny.
W higrometrach zaprojektowanych do pomiaru punktu rosy gazów o wysokiej temperaturze, powszechną praktyką jest stosowanie termostatycznie sterowanych grzałek elektrycznych, aby utrzymać ściany komory pomiarowej powyżej najwyższych oczekiwanych punktów rosy. Półprzewodnikowe elementy optyczne, takie jak diody LED i detektory, są utrzymywane w nominalnej temperaturze roboczej (zwykle 85°C), aby zapobiec degradacji i uszkodzeniu higrometru. Można to osiągnąć poprzez izolację termiczną tych elementów od ogrzewanej komory pomiarowej.
