Široko korišten instrument za mjerenje vlažnosti zraka (i drugih plinova) je kondenzacijski higrometar. Njegov princip rada je mjerenje temperature, nazvane rosište, na kojoj počinje kondenzacija vlage iz zraka.
Što je vlažnost zraka
Higrometar mjeri sadržaj vlage u zraku, koji se može predstaviti kao apsolutna ili relativna vrijednost. Prvi od njih jednostavno daje masu vodene pare u 1 kubičnom metru. m zraka na zadanoj temperaturi. Ali drugi pokazuje koliko je vodena para u zraku blizu stanju zasićenja, odnosno dinamičke ravnoteže sa svojom tekućom fazom - kada nema ni isparavanja ni kondenzacije. Ona je jednaka omjeru izmjerene apsolutne vlažnosti zraka i njegove apsolutne vlage u stanju zasićenja. Kada je vodena para u zraku zasićena (opet, na zadanoj temperaturi), relativna vlažnost tog zraka je 100%. U zraku s nezasićenom vodenom parom, on je, prema tome, manji.
Kako radi kondenzacijski higrometar
Načelo rada svakog uređaja za određivanje vlažnosti zraka u pravilu je mjerenje neke druge veličine, poput temperature, tlaka, mase ili mehaničkih i električnih promjena u tvari koja upija vlagu. Odgovarajućom kalibracijom i proračunom, ove izmjerene vrijednosti mogu dovesti do određivanja apsolutne ili relativne vlage. Vrlo važnu ulogu u tom procesu igra temperatura na kojoj dolazi do zasićenja pare, nazvana točka rosišta. U pravilu, moderni elektronički uređaji za određivanje vlažnosti zraka mjere tu temperaturu ili promjene električnog kapaciteta ili otpora različitih upijajućih tvari, koje se zatim (automatski) pretvaraju u indikatore vlažnosti.
Uređaj za kondenzacijski higrometar
Njegov rad se temelji upravo na mjerenju vodene pare u zraku metodom rosišta. Ova metoda uključuje hlađenje površine, obično metalnog zrcala, do temperature na kojoj je voda na površini zrcala u ravnoteži s tlakom pare vode u uzorku plina iznad površine. Pri ovoj temperaturi masa vode na površini zrcala ne raste (ako je površina previše hladna) niti opada (ako je površina previše topla), tj. para iznad zrcala je u dinamičkoj ravnoteži s kondenzatom vode na ogledalo (para je zasićena).
Ovo ogledalo je napravljeno od materijala dobre toplinske vodljivosti (poput srebra ili bakra) iobložene inertnim metalom kao što je iridij, rubidij, nikal ili zlato kako bi se spriječilo tamnjenje i oksidacija. Zrcalo se hladi termoelektričnim hladnjakom (Peltierov efekt) do stvaranja kondenzata. Snop svjetlosti, obično iz poluprovodničke širokopojasne svjetleće diode, usmjeren je na površinu zrcala, a fotodetektor prati reflektiranu svjetlost, čiji je protok maksimalan kada nema kondenzacije na zrcalu.
Način rada higrometra s dječjim ogledalom
Kada se kapljice rose formiraju na površini zrcala, reflektirana svjetlost se raspršuje. U tom slučaju se njegov tok koji ulazi u fotodetektor smanjuje, što dovodi do promjene izlaznog signala potonjeg. To se, pak, kontrolira analognim ili digitalnim termoelektričnim sustavom za kontrolu hladnjaka koji održava stabilnu temperaturu zrcala na točki rosišta. S pravilno dizajniranim sustavom, zrcalo se održava na temperaturi gdje je stopa kondenzacije točno jednaka brzini isparavanja sloja rose. Precizni minijaturni platinasti otporni termometar (PRT) postavljen u zrcalo mjeri njegovu temperaturu u toj točki, koja se automatski pretvara u očitavanje vlažnosti.
Higrometar za mjerenje vlažnosti zraka razmatrane izvedbe uključuje i vakuum pumpu za pumpanje analiziranog dijela plina, te dodatne elemente za filtriranje u prljavim uvjetima.
Prednosti razmatranih higrometara
Takvi instrumenti, bazirani na jednostavnom principu rada, sa širokim rasponom mjerenja, visokom preciznošću i stabilnim očitanjima, široko se koriste u industriji i znanstvenim istraživanjima. Tipični higrometar točke rosišta, za razliku od mnogih drugih senzora vlažnosti, može se napraviti vrlo stabilnim, praktički otpornim na habanje, minimizirajući potrebu za ponovnom kalibracijom. Higrometar vlažnosti točke rosišta može mjeriti točku rosišta u temperaturnom rasponu od 100 °C do minimalno -70 °C. U ovom slučaju, točnost mjerenja je desetinke stupnja.
Mnogi higrometri razmatranog dizajna opremljeni su mikroprocesorskom kontrolom i, u kombinaciji s otpornim temperaturnim senzorom, mogu izračunati i prikazati na vanjskom indikatoru sve željene parametre vlažnosti uz ili umjesto točke rosišta. Osim toga, ovi uređaji omogućuju prijenos rezultata pomoću bežične tehnologije. Naravno, takvi se uređaji naširoko koriste kao dio raznih industrijskih sustava za automatizirano prikupljanje podataka i kontrolu relevantnih tehničkih procesa.
Koliko bi koštao ovakav higrometar? Njegova je cijena, naravno, određena uglavnom skupom implementiranih funkcija, ovisno o dostupnosti i složenosti elektroničkog upravljačkog sustava uređaja. Dakle, stacionarni kondenzacijski higrometar koji izgleda kao digitalni osciloskop košta najmanje 4000 dolara. Posebno "napredni" modeli mogu koštati više od 10.000 dolara. Na tržištuTakođer možete pronaći potpuno funkcionalan prijenosni higrometar. Cijena mu je od 1 do 2 tisuće dolara.
Nedostaci kondenzacijskih higrometara
Dok se razmatrani sustav higrometara smatra najučinkovitijim u procesu mjerenja, njegov nedostatak je neizbježna kontaminacija dijelova mjernog puta tijekom rada.
Higrometri opremljeni rashlađenim zrcalima imaju tendenciju povećanja netočnosti mjerenja zbog prisutnosti topljivih i netopivih onečišćenja taloženih na zrcalu. Netopljive čestice utječu na optičke karakteristike zrcala. Umjerena prašina ili pojava netopivih čestica na zrcalu stvara centre koncentracije na kojima se može stvoriti rosa ili mraz, čime se povećava vrijeme odziva uređaja. Topive nečistoće utječu na količinu tlaka pare iz kondenzirane vlage na zrcalu, što pomiče točku rosišta. Moderni mjerni higrometri (barem njihovi sofisticiraniji modeli) uključuju značajke "samotestiranja" koje omogućuju uređaju da otkrije i reagira na kontaminaciju odgovarajućim prilagodbama algoritama za izračunavanje vlažnosti..
Bez obzira na ove mogućnosti, gotovo sve dotične higrometre potrebno je povremeno provjeravati i čistiti.
Održavanje higrometara za rashlađeno ogledalo
Što uputstvo za upotrebu preporučuje korisniku uređaja u tom smislu. Higrometar koji je osjetljiv na prljavštinu mora bitipovremeno čistiti kako bi se osigurala stabilnost rezultata mjerenja, iako to može povećati troškove njegovog održavanja. Pregled zrcala instrumenta obično se obavlja pomoću ugrađenog mikroskopa, a njegovo održavanje se obavlja ručno nakon otvaranja mjernog odjeljka.
Ako se čišćenje površine zrcala obavlja frekvencijom koja je potrebna u uputama za njegov rad, tada je na taj način moguće održati točnost mjerenja. Pogodan pristup površini zrcala za čišćenje obično je osiguran šarkom između optičkih komponenti i zrcala. Sada na tržištu možete pronaći bilo koji kondenzacijski higrometar koji je potreban potrošaču. Fotografija ispod prikazuje primjer njegove izvedbe.
Upotreba higrometara u mjeriteljstvu
Propisno dizajniran i održavan higrometar s rashlađenim ogledalom pruža mjerenja vlažnosti s više reda veličine od ostalih popularnih mjerača vlage. Njegova inherentna točnost mjerenja, posebno kada je opremljen platinastim otpornim termometrom za mjerenje temperature, ogledalom i mikroskopom srednje snage za praćenje zrcala, čini ga idealnim za mjeriteljska mjerenja. Mogućnosti prijenosa informacija putem bežičnih digitalnih komunikacijskih kanala otvaraju široke mogućnosti za korištenje ovakvih higrometara u globalnim sustavima za prikupljanje i obradu meteoroloških informacija.
Upotreba u tvorničkim laboratorijima i kontaminiranim okruženjima
Ovaj mjerač vlažnosti zraka idealan je za mjerenje njegove apsolutne vrijednosti u tvorničkim klimatskim laboratorijima. Često se koriste kao reference za kontrolu točnosti drugih instrumenata, kao što su senzori relativne vlažnosti koji se koriste za kontrolu komora za ispitivanje okoliša.
Stabilnost materijala korištenih u izradi ovih higrometara, kao i mogućnost njihovog stalnog čišćenja, čine instrumente prikladnim za vrlo dug radni vijek u okruženjima s većinom onečišćenja bez gubitka kalibracije. Ova stabilnost izvedbe čini ih prikladnima za upotrebu u tokovima plina gdje su visoke razine onečišćenja u uzorcima plina nepovratno štetne za manje stabilne tipove senzora vlažnosti. Na primjer, ova vrsta higrometra se široko koristi za kontrolu točke rosišta tijekom toplinskog stvrdnjavanja površina metalnih proizvoda u zračnom okruženju s posebnim nečistoćama. U takvim slučajevima posebno je poželjno osigurati jednostavan pristup ogledalu radi čišćenja.
Proizvodnja osjetljiva na vlagu
Specijalizirani procesi pakiranja potrebni u proizvodnji farmaceutskih proizvoda, filmova, premaza i drugih proizvoda često se prate pomoću ohlađenih zrcalnih higrometara. Opet, na njihov izbor u ovom slučaju utječe stabilnost točnosti mjerenja i dugi vijek trajanja. Štoviše, budući da su ti procesi obično manje osjetljivi nacijene instrumenata, visoka cijena ovih higrometara nije odlučujući čimbenik u odabiru sheme praćenja vlažnosti.
Plinovi visoke temperature i njihove točke rosišta
Ova vrsta higrometra se često bira za mjerenje temperature točke rosišta iznad temperature okoline. Ohlađeni zrcalni instrumenti korišteni su već 1966. za praćenje vodikovih gorivnih ćelija rakete Apollo koje rade na 250°C i 700 psi. Uz današnje termoelektrične tehnologije hlađenja zrcala, točke rosišta do 100 °C (i više, pod pretpostavkom da su tlakovi iznad atmosferskog tlaka) se lako mjere. U takvim slučajevima, sve površine mjerne komore higrometra koje su u kontaktu s uzorkom plina moraju imati temperaturu iznad najveće očekivane točke rosišta, inače će na tim površinama doći do kondenzacije i mjerenje će biti pogrešno.
U higrometrima dizajniranim za mjerenje točke rosišta visokotemperaturnih plinova, uobičajena je praksa korištenje termostatski kontroliranih električnih grijača kako bi se stijenke mjerne komore zadržale iznad najviših očekivanih točaka rosišta. Solid-state optičke komponente kao što su LED diode i detektori održavaju se na svojoj nazivnoj radnoj temperaturi (obično 85°C) kako bi se spriječila degradacija i oštećenje higrometra. To se može postići toplinskom izolacijom ovih komponenti iz zagrijane mjerne komore.
