Un instrument utilizat pe scară largă pentru măsurarea umidității aerului (și a altor gaze) este un higrometru de condensare. Principiul său de funcționare este măsurarea temperaturii, numită punct de rouă, la care începe condensarea umidității din aer.
Ce este umiditatea aerului
Un higrometru măsoară conținutul de umiditate al aerului, care poate fi reprezentat ca valoare absolută sau relativă. Primul dintre ele oferă pur și simplu masa vaporilor de apă într-un metru cub. m de aer la o temperatură dată. Dar al doilea arată cât de aproape sunt vaporii de apă din aer de o stare de saturație, adică de echilibrul dinamic cu faza sa lichidă - când nu există nici evaporare, nici condensare. Este egal cu raportul dintre umiditatea absolută măsurată a aerului și umiditatea lui absolută în starea de saturație. Când vaporii de apă din aer sunt saturati (din nou, la o anumită temperatură), umiditatea relativă a aerului respectiv este de 100%. În aer cu vapori de apă nesaturați, este, în consecință, mai puțin.
Cum funcționează un higrometru cu condens
Principiul de funcționare al oricărui dispozitiv pentru determinarea umidității aerului, de regulă, este de a măsura o altă cantitate, cum ar fi temperatura, presiunea, masa sau modificările mecanice și electrice ale unei substanțe care absoarbe umiditatea. Prin calibrare și calcul adecvate, aceste valori măsurate pot duce la determinarea umidității absolute sau relative. Un rol foarte important în acest proces îl joacă temperatura la care are loc saturația cu vapori, numită punct de rouă. De regulă, dispozitivele electronice moderne pentru determinarea umidității aerului măsoară această temperatură sau modificări ale capacității electrice sau rezistenței diferitelor substanțe absorbante, care sunt apoi convertite (automat) în indicatori de umiditate.
Dispozitiv higrometru cu condens
Lucrarea sa se bazează tocmai pe măsurarea vaporilor de apă din aer prin metoda punctului de rouă. Această metodă implică răcirea unei suprafețe, de obicei o oglindă metalică, la o temperatură la care apa de pe suprafața oglinzii este în echilibru cu presiunea de vapori a apei din gazul eșantion de deasupra suprafeței. La această temperatură, masa de apă de pe suprafața oglinzii nici nu crește (dacă suprafața este prea rece) și nici nu scade (dacă suprafața este prea caldă), adică vaporii de deasupra oglinzii sunt în echilibru dinamic cu condensul de apă de pe oglinda (aburul este saturat).
Această oglindă este realizată dintr-un material cu conductivitate termică bună (cum ar fi argintul sau cuprul) șiplacat cu un metal inert, cum ar fi iridiu, rubidiu, nichel sau aur pentru a preveni deteriorarea și oxidarea. Oglinda este răcită de un răcitor termoelectric (efect Peltier) până la formarea condensului. Un fascicul de lumină, de obicei de la o diodă emițătoare de lumină în bandă largă, este îndreptat către o suprafață a oglinzii, iar un fotodetector monitorizează lumina reflectată, al cărei flux este maxim atunci când nu există condens pe oglindă..
Metoda de funcționare a higrometrului cu oglindă pentru copii
Când se formează picături de rouă pe suprafața oglinzii, lumina reflectată este împrăștiată. În acest caz, fluxul său care intră în fotodetector scade, ceea ce duce la o modificare a semnalului de ieșire al acestuia din urmă. Acesta, la rândul său, este controlat de un sistem de control al răcitorului termoelectric analogic sau digital care menține o temperatură stabilă a oglinzii la punctul de rouă. Cu un sistem proiectat corespunzător, oglinda este menținută la o temperatură în care rata de condensare este exact egală cu rata de evaporare a stratului de rouă. Un termometru cu rezistență de platină (PRT) precis, montat în oglindă, măsoară temperatura acestuia în acel punct, care este convertită automat într-o citire a umidității.
Higrometrul pentru măsurarea umidității aerului din designul avut în vedere include și o pompă de vid pentru pompare în porțiunea de gaz analizată și elemente suplimentare de filtrare în condiții murdare.
Avantajele higrometrelor considerate
Astfel de instrumente, bazate pe un principiu simplu de funcționare, cu o gamă largă de măsurare, precizie ridicată și citiri stabile, sunt utilizate pe scară largă în industrie și cercetarea științifică. Un higrometru tipic pentru punctul de rouă, spre deosebire de mulți alți senzori de umiditate, poate fi făcut foarte stabil, practic rezistent la uzură, minimizând nevoia de recalibrare. Higrometrul umidității punctului de rouă este capabil să măsoare punctul de rouă în intervalul de temperatură de la 100 °C la un minim de -70 °C. În acest caz, precizia măsurării este de zecimi de grad.
Multe higrometre cu designul considerat sunt echipate cu control cu microprocesor și, în combinație cu un senzor de temperatură rezistiv, sunt capabile să calculeze și să afișeze pe un indicator extern orice parametri de umiditate doriti în plus față de sau în locul punctului de rouă. În plus, aceste dispozitive permit transferul rezultatelor folosind tehnologia wireless. Desigur, astfel de dispozitive sunt utilizate pe scară largă ca parte a diferitelor sisteme industriale pentru colectarea automată a datelor și controlul proceselor tehnice relevante.
Cât ar costa un higrometru ca acesta? Prețul său, desigur, este determinat în principal de setul de funcții implementate, în funcție de disponibilitatea și complexitatea sistemului de control electronic al dispozitivului. Deci, un higrometru cu condensare staționar care arată ca un osciloscop digital costă cel puțin 4.000 USD. Modelele în special „avansate” pot costa mai mult de 10.000 USD. La magazinDe asemenea, puteți găsi un higrometru portabil complet funcțional. Prețul său este de la 1 la 2 mii de dolari.
Dezavantajele higrometrelor cu condens
În timp ce sistemul considerat de higrometre este considerat cel mai eficient în procesul de măsurare, dezavantajul său este contaminarea inevitabilă a părților traseului de măsurare în timpul funcționării.
Higrometrele echipate cu oglinzi răcite au tendința de a crește inexactitatea măsurătorilor din cauza prezenței contaminanților solubili și insolubili depuși pe oglindă. Particulele insolubile afectează caracteristicile optice ale oglinzii. Praful moderat sau apariția particulelor insolubile pe oglindă oferă centre de concentrare pe care se poate forma roua sau înghețul, crescând astfel timpul de răspuns al dispozitivului. Impuritățile solubile afectează presiunea vaporilor din umiditatea condensată de pe oglindă, ceea ce modifică punctul de rouă. Higrometrele moderne de măsurare (cel puțin modelele lor mai sofisticate) includ funcții de „autotest” care permit dispozitivului să detecteze și să răspundă la contaminare, făcând ajustări adecvate la algoritmii de calcul al umidității.
Indiferent de aceste capabilități, practic toate higrometrele în cauză trebuie verificate și curățate periodic.
Întreținerea higrometrelor cu oglindă răcită
Ce recomandă manualul de instrucțiuni utilizatorului dispozitivului în acest sens. Un higrometru care este sensibil la murdărie trebuie să fietrebuie curățat periodic pentru a asigura stabilitatea rezultatelor măsurătorilor, deși acest lucru poate crește costul întreținerii acestuia. Inspecția oglinzii instrumentului se realizează de obicei cu ajutorul microscopului încorporat, iar întreținerea acestuia se efectuează manual după deschiderea compartimentului de măsurare.
Dacă curățarea suprafeței oglinzii se efectuează la frecvența cerută în instrucțiunile de funcționare a acesteia, atunci în acest fel se poate menține acuratețea măsurătorilor. Accesul convenabil la suprafața oglinzii pentru curățare este asigurat de obicei de o balama între componentele optice și oglindă. Acum puteți găsi pe piață orice higrometru de condens de care are nevoie consumatorul. Fotografia de mai jos arată un exemplu de execuție a acestuia.
Utilizarea higrometrelor în metrologie
Un higrometru cu oglindă răcită proiectat și întreținut corespunzător oferă măsurători ale umidității cu o precizie de ordine de mărime mai mare decât alte contoare de umiditate populare. Precizia sa inerentă de măsurare, în special atunci când este echipat cu un termometru cu rezistență din platină pentru măsurarea temperaturii, o oglindă și un microscop de putere medie pentru monitorizarea în oglindă, îl face ideal pentru măsurători metrologice. Posibilitățile de transmitere a informațiilor prin canale de comunicații digitale wireless deschid posibilități largi de utilizare a unor astfel de higrometre în sistemele globale de colectare și procesare a informațiilor meteorologice.
Utilizare în laboratoarele fabricii și în medii contaminate
Acest contor de umiditate a aerului este ideal pentru măsurarea valorii sale absolute în laboratoarele climatice din fabrică. Acestea sunt adesea folosite ca referințe pentru a controla acuratețea altor instrumente, cum ar fi senzorii de umiditate relativă utilizați pentru a controla camerele de testare a mediului.
Stabilitatea materialelor utilizate în construcția acestor higrometre, precum și capacitatea de a le curăța în mod repetat, fac ca instrumentele să fie potrivite pentru o durată de viață foarte lungă în medii cu majoritatea contaminanților fără pierderi de calibrare. Această stabilitate a performanței le face potrivite pentru utilizarea în fluxuri de gaze unde nivelurile ridicate de contaminanți din probele de gaz sunt ireversibil dăunătoare pentru tipurile mai puțin stabili de senzori de umiditate. De exemplu, acest tip de higrometru este utilizat pe scară largă pentru a controla punctul de rouă în timpul călirii termice a suprafețelor produselor metalice într-un mediu de aer cu impurități speciale. În astfel de cazuri, asigurarea unui acces ușor la oglindă pentru curățare este de dorit în special.
Producție sensibilă la umiditate
Procesele de ambalare specializate necesare în producția de produse farmaceutice, filme, acoperiri și alte produse sunt adesea monitorizate de higrometre cu oglindă răcită. Din nou, alegerea lor în acest caz este influențată de stabilitatea preciziei măsurătorii și de durata lungă de viață. Mai mult, deoarece aceste procese tind să fie mai puțin sensibile lacosturile instrumentelor, costul ridicat al acestor higrometre nu este un factor determinant în alegerea unei scheme de monitorizare a umidității.
Gaze la temperaturi ridicate și punctele lor de rouă
Acest tip de higrometru este adesea ales pentru a măsura temperaturile punctului de rouă peste temperatura ambiantă. Instrumentele de oglindă răcite au fost folosite încă din 1966 pentru a monitoriza celulele de combustibil cu hidrogen ale rachetei Apollo care funcționează la 250°C și 700 psi. Cu tehnologiile de răcire cu oglindă termoelectrică de astăzi, punctele de rouă de până la 100 °C (și mai mari, presupunând presiuni peste presiunea atmosferică) sunt ușor de măsurat. În astfel de cazuri, toate suprafețele camerei de măsurare a higrometrului care sunt în contact cu proba de gaz trebuie să aibă o temperatură peste cel mai în alt punct de rouă așteptat, altfel se va produce condens pe aceste suprafețe și măsurarea va fi eronată.
În higrometrele concepute pentru a măsura punctul de rouă al gazelor la temperatură în altă, este o practică obișnuită să se utilizeze încălzitoare electrice controlate termostatic pentru a menține pereții camerei de măsurare deasupra celor mai în alte puncte de rouă așteptate. Componentele optice în stare solidă, cum ar fi LED-urile și detectoarele, sunt menținute la temperatura lor nominală de funcționare (de obicei 85°C) pentru a preveni degradarea și deteriorarea higrometrului. Acest lucru poate fi realizat prin izolarea termică a acestor componente de camera de măsurare încălzită.
