Najpogosteje uporabljen instrument za merjenje vlažnosti zraka (in drugih plinov) je kondenzacijski higrometer. Njegovo načelo delovanja je merjenje temperature, imenovane rosišče, pri kateri se začne kondenzacija vlage iz zraka.
Kaj je zračna vlaga
Higrometer meri vsebnost vlage v zraku, ki jo lahko predstavimo kot absolutno ali relativno vrednost. Prvi od njih daje preprosto maso vodne pare v 1 kubičnem metru. m zraka pri določeni temperaturi. Druga pa kaže, kako blizu je vodna para v zraku stanju nasičenosti, torej dinamičnemu ravnovesju s svojo tekočo fazo - ko ni niti izhlapevanja niti kondenzacije. Enaka je razmerju med izmerjeno absolutno vlažnostjo zraka in njegovo absolutno vlažnostjo v stanju nasičenosti. Ko je vodna para v zraku nasičena (spet pri določeni temperaturi), je relativna vlažnost tega zraka 100%. V zraku z nenasičeno vodno paro je zato manj.
Kako deluje kondenzacijski higrometer
Načelo delovanja katere koli naprave za določanje vlažnosti zraka je praviloma merjenje kakšne druge količine, kot so temperatura, tlak, masa ali mehanske in električne spremembe snovi, ki absorbira vlago. Z ustrezno kalibracijo in izračunom lahko te izmerjene vrednosti vodijo do določitve absolutne ali relativne vlažnosti. Zelo pomembno vlogo pri tem procesu igra temperatura, pri kateri pride do nasičenosti hlapov, imenovana rosišče. Sodobne elektronske naprave za določanje vlažnosti zraka praviloma merijo to temperaturo oziroma spremembe električne kapacitivnosti ali upora različnih vpojnih snovi, ki se nato (avtomatsko) pretvorijo v indikatorje vlažnosti.
Naprava za kondenzacijski higrometer
Njegovo delo temelji prav na merjenju vodne pare v zraku po metodi rosišča. Ta metoda vključuje hlajenje površine, običajno kovinskega zrcala, na temperaturo, pri kateri je voda na površini zrcala v ravnotežju s parnim tlakom vode v vzorčnem plinu nad površino. Pri tej temperaturi se masa vode na površini zrcala niti ne poveča (če je površina premrzla) niti ne zmanjša (če je površina pretoplo), to pomeni, da je para nad ogledalom v dinamičnem ravnovesju z vodnim kondenzatom na ogledalo (para je nasičena).
To ogledalo je izdelano iz materiala z dobro toplotno prevodnostjo (kot je srebro ali baker) inprevlečene z inertno kovino, kot so iridij, rubidij, nikelj ali zlato, da se prepreči rjavenje in oksidacija. Zrcalo se hladi s termoelektričnim hladilnikom (Peltierjev učinek) do tvorbe kondenzata. Žarek svetlobe, običajno iz polprevodniške širokopasovne svetleče diode, je usmerjen na površino zrcala, fotodetektor pa spremlja odbito svetlobo, katere pretok je največji, če na zrcalu ni kondenzacije.
Način delovanja otroškega zrcalnega higrometra
Ko na zrcalni površini zrcala nastanejo kapljice rose, se odbita svetloba razprši. V tem primeru se njegov tok, ki vstopa v fotodetektor, zmanjša, kar vodi do spremembe izhodnega signala slednjega. To pa nadzira analogni ali digitalni termoelektrični sistem za nadzor hladilnika, ki vzdržuje stabilno temperaturo zrcala na rosiščih. S pravilno zasnovanim sistemom se ogledalo vzdržuje pri temperaturi, pri kateri je stopnja kondenzacije natančno enaka stopnji izhlapevanja plasti rosišča. Natančen miniaturni platinasti uporni termometer (PRT), nameščen v ogledalu, meri svojo temperaturo na tej točki, ki se samodejno pretvori v odčitek vlažnosti.
Higrometer za merjenje vlažnosti zraka obravnavane izvedbe vključuje tudi vakuumsko črpalko za črpanje analiziranega dela plina in dodatne filtrirne elemente v umazanih pogojih.
Prednosti obravnavanih higrometrov
Takšni instrumenti, ki temeljijo na preprostem principu delovanja, s širokim merilnim območjem, visoko natančnostjo in stabilnimi odčitki, se pogosto uporabljajo v industriji in znanstvenih raziskavah. Tipičen higrometer rosišča je za razliko od mnogih drugih senzorjev vlažnosti lahko zelo stabilen, skoraj odporen na obrabo, kar zmanjša potrebo po ponovnem umerjanju. Vlažnostni higrometer rosišča je sposoben meriti točko rosišča v temperaturnem območju od 100 °C do najmanj -70 °C. V tem primeru je natančnost meritve desetinke stopinje.
Številni higrometri obravnavane izvedbe so opremljeni z mikroprocesorskim krmiljenjem in lahko v kombinaciji z uporovnim temperaturnim senzorjem izračunajo in prikažejo na zunanjem indikatorju vse želene parametre vlažnosti poleg ali namesto rosišča. Poleg tega te naprave omogočajo prenos rezultatov z uporabo brezžične tehnologije. Seveda se takšne naprave pogosto uporabljajo kot del različnih industrijskih sistemov za avtomatizirano zbiranje podatkov in nadzor ustreznih tehničnih procesov.
Koliko bi stal tak higrometer? Njeno ceno seveda določa predvsem nabor implementiranih funkcij, odvisno od razpoložljivosti in kompleksnosti elektronskega krmilnega sistema naprave. Torej, stacionarni kondenzacijski higrometer, ki je videti kot digitalni osciloskop, stane vsaj 4000 $. Posebej "napredni" modeli lahko stanejo več kot 10.000 $. Na trguNajdete lahko tudi popolnoma delujoč prenosni higrometer. Njegova cena je od 1 do 2 tisoč dolarjev.
Slabosti kondenzacijskih higrometrov
Medtem ko obravnavani sistem higrometrov velja za najučinkovitejši v merilnem procesu, je njegova pomanjkljivost neizogibna kontaminacija delov merilne poti med delovanjem.
Higrometri, opremljeni z ohlajenimi ogledali, ponavadi povečajo netočnost meritev zaradi prisotnosti topnih in netopnih onesnaževal, odloženih na ogledalu. Netopni delci vplivajo na optične lastnosti zrcala. Zmerna zaprašenost ali pojav netopnih delcev na ogledalu zagotavlja koncentracijske centre, na katerih lahko nastane rosa ali zmrzal, s čimer se poveča odzivni čas naprave. Topne nečistoče vplivajo na količino parnega tlaka zaradi kondenzirane vlage na ogledalu, kar premakne rosišče. Sodobni merilni higrometri (vsaj njihovi bolj izpopolnjeni modeli) vključujejo funkcije "samotestiranja", ki omogočajo napravi, da zazna in se odzove na kontaminacijo z ustreznimi prilagoditvami algoritmov za izračun vlažnosti..
Ne glede na te zmogljivosti je treba tako rekoč vse zadevne higrometre redno preverjati in čistiti.
Vzdrževanje higrometrov ohlajenega ogledala
Kaj v tem smislu navodilo za uporabo priporoča uporabniku naprave. Higrometer, ki je občutljiv na umazanijo, mora bitiredno čistite, da zagotovite stabilnost rezultatov meritev, čeprav lahko to poveča stroške vzdrževanja. Pregled ogledala instrumenta se običajno izvaja z vgrajenim mikroskopom, njegovo vzdrževanje pa ročno po odprtju merilnega predala.
Če se čiščenje zrcalne površine izvaja s frekvenco, ki je zahtevana v navodilih za njeno delovanje, potem je na ta način mogoče ohraniti točnost meritev. Udoben dostop do površine zrcala za čiščenje običajno zagotavlja tečaj med optičnimi komponentami in ogledalom. Zdaj lahko na trgu najdete kateri koli kondenzacijski higrometer, ki ga potrošnik potrebuje. Spodnja fotografija prikazuje primer njegove izvedbe.
Uporaba higrometrov v meroslovju
Ustrezno oblikovan in vzdrževan higrometer z ohlajenim ogledalom zagotavlja meritve vlažnosti z veliko večjo natančnostjo kot drugi priljubljeni merilniki vlage. Njegova značilna merilna natančnost, še posebej, če je opremljen s platinastim uporovnim termometrom za merjenje temperature, ogledalom in mikroskopom srednje moči za spremljanje zrcala, je idealen za meroslovne meritve. Možnosti prenosa informacij preko brezžičnih digitalnih komunikacijskih kanalov odpirajo široke možnosti za uporabo takšnih higrometrov v globalnih sistemih za zbiranje in obdelavo meteoroloških informacij.
Uporaba v tovarniških laboratorijih in kontaminiranih okoljih
Ta merilnik vlažnosti zraka je idealen za merjenje njegove absolutne vrednosti v tovarniških klimatskih laboratorijih. Pogosto se uporabljajo kot reference za nadzor natančnosti drugih instrumentov, kot so senzorji relativne vlažnosti, ki se uporabljajo za nadzor okoljskih preskusnih komor.
Stabilnost materialov, uporabljenih pri izdelavi teh higrometrov, kot tudi možnost njihovega večkratnega čiščenja, naredijo instrumente primerne za zelo dolgo življenjsko dobo v okoljih z večino onesnaževal brez izgube kalibracije. Zaradi te stabilnosti delovanja so primerni za uporabo v tokovih plina, kjer so visoke ravni onesnaževal v vzorcih plina nepopravljivo škodljive za manj stabilne tipe senzorjev vlažnosti. Na primer, ta tip higrometra se pogosto uporablja za nadzor rosišča med toplotnim utrjevanjem površin kovinskih izdelkov v zračnem okolju s posebnimi nečistočami. V takih primerih je še posebej zaželeno zagotoviti enostaven dostop do ogledala za čiščenje.
Proizvodnja, občutljiva na vlago
Specializirani procesi pakiranja, ki so potrebni pri proizvodnji farmacevtskih izdelkov, filmov, premazov in drugih izdelkov, se pogosto spremljajo z ohlajenimi zrcalnimi higrometri. Spet na njihovo izbiro v tem primeru vplivata stabilnost merilne natančnosti in dolga življenjska doba. Poleg tega so ti procesi običajno manj občutljivistroški instrumenta, visoki stroški teh higrometrov niso odločilni dejavnik pri izbiri sheme za spremljanje vlažnosti.
Plini visoke temperature in njihove rosišča
Ta tip higrometra je pogosto izbran za merjenje temperature rosišča nad temperaturo okolice. Hlajeni zrcalni instrumenti so bili uporabljeni že leta 1966 za spremljanje vodikovih gorivnih celic raket Apollo, ki so delovale pri 250°C in 700 psi. Z današnjimi termoelektričnimi tehnologijami hlajenja ogledal je mogoče enostavno izmeriti rosišče do 100 °C (in višje, ob predpostavki, da so tlaki nad atmosferskim tlakom). V takih primerih morajo imeti vse površine merilne komore higrometra, ki so v stiku z vzorcem plina, temperaturo nad najvišjo pričakovano točko rosišča, sicer bo na teh površinah prišlo do kondenzacije in meritev bo napačna.
V higrometrih, zasnovanih za merjenje rosišča visokotemperaturnih plinov, je običajna praksa uporaba termostatsko krmiljenih električnih grelnikov, ki ohranjajo stene merilne komore nad najvišjimi pričakovanimi točkami rosišča. Polprevodniške optične komponente, kot so LED diode in detektorji, se vzdržujejo pri nazivni delovni temperaturi (običajno 85°C), da se prepreči degradacija in poškodba higrometra. To je mogoče doseči s toplotno izolacijo teh komponent iz ogrevane merilne komore.
