A levegő (és más gázok) páratartalmának mérésére széles körben használt műszer a kondenzációs higrométer. Működési elve annak a hőmérsékletnek a mérése, az úgynevezett harmatpont, amelynél megindul a nedvesség lecsapódása a levegőből.
Mi a levegő páratartalma
A higrométer a levegő nedvességtartalmát méri, amely abszolút vagy relatív értékként is ábrázolható. Az első közülük egyszerűen megadja a vízgőz tömegét 1 köbméterben. m levegő adott hőmérsékleten. De a második azt mutatja, hogy a levegőben lévő vízgőz milyen közel van a telítettség állapotához, azaz a dinamikus egyensúlyhoz a folyadékfázisával - amikor sem párolgás, sem kondenzáció nincs. Ez egyenlő a levegő mért abszolút páratartalmának és a telített állapotban lévő abszolút páratartalom arányával. Amikor a levegőben lévő vízgőz telített (megint egy adott hőmérsékleten), a levegő relatív páratartalma 100%. Telítetlen vízgőzzel rendelkező levegőben ennek megfelelően kevesebb.
Hogyan működik a kondenzvíz-higrométer
A levegő páratartalmának meghatározására szolgáló bármely eszköz működési elve általában más mennyiségek mérése, például hőmérséklet, nyomás, tömeg, vagy a nedvességet elnyelő anyag mechanikai és elektromos változásai.. Megfelelő kalibrálással és számítással ezek a mért értékek az abszolút vagy relatív páratartalom meghatározásához vezethetnek. Ebben a folyamatban nagyon fontos szerepet játszik az a hőmérséklet, amelyen a gőztelítés megtörténik, ezt nevezzük harmatpontnak. A levegő páratartalmának meghatározására szolgáló modern elektronikus eszközök általában mérik ezt a hőmérsékletet vagy a különféle nedvszívó anyagok elektromos kapacitásának vagy ellenállásának változásait, amelyeket ezután (automatikusan) páratartalom-jelzőkké alakítanak át.
Kondenzációs páratartalommérő készülék
Munkája pontosan a levegőben lévő vízgőz harmatpont módszerrel történő mérésén alapul. Ez a módszer egy felület, jellemzően fémtükör lehűtését jelenti olyan hőmérsékletre, amelyen a tükör felületén lévő víz egyensúlyban van a mintagázban lévő víz gőznyomásával a felszín felett. Ezen a hőmérsékleten a tükör felületén lévő víz tömege sem nem növekszik (ha a felület túl hideg), sem nem csökken (ha a felület túl meleg), azaz a tükör feletti gőz dinamikus egyensúlyban van a vízkondenzátummal. a tükör (a gőz telített).
Ez a tükör jó hővezető képességű anyagból készült (például ezüst vagy réz) éssemleges fémmel, például irídiummal, rubídiummal, nikkellel vagy arannyal bevonva, hogy megakadályozzák a foltosodást és az oxidációt. A tükröt egy termoelektromos hűtő (Peltier-effektus) hűti a kondenzátum képződéséig. Általában egy szilárdtest-szélessávú fénykibocsátó diódából származó fénysugarat egy tükörfelületre irányítanak, és egy fotodetektor figyeli a visszavert fényt, amelynek áramlása akkor maximális, ha nincs páralecsapódás a tükörön.
Gyermektükör-higrométer működési módja
Amikor harmatcseppek képződnek a tükör tükörfelületén, a visszavert fény szétszóródik. Ebben az esetben a fotodetektorba belépő fluxusa csökken, ami az utóbbi kimeneti jelének megváltozásához vezet. Ezt viszont egy analóg vagy digitális termoelektromos hűtővezérlő rendszer vezérli, amely stabil tükörhőmérsékletet tart fenn a harmatponton. Megfelelően megtervezett rendszerrel a tükröt olyan hőmérsékleten tartják, ahol a páralecsapódás sebessége pontosan megegyezik a harmatréteg párolgási sebességével. A tükörbe szerelt, pontos miniatűr platina ellenálláshőmérő (PRT) méri a hőmérsékletet ezen a ponton, amelyet automatikusan páratartalom-értékké alakítanak át.
A szóban forgó kialakítású páratartalom mérésére szolgáló higrométer egy vákuumszivattyút is tartalmaz a vizsgált gázmennyiség beszívásához, valamint további szűrőelemeket szennyezett körülmények között.
A figyelembe vett páratartalommérők előnyei
Az ilyen, egyszerű működési elven alapuló, széles mérési tartománnyal, nagy pontossággal és stabil leolvasással rendelkező műszereket széles körben használják az iparban és a tudományos kutatásban. Egy tipikus harmatpont-higrométer – sok más páratartalom-érzékelővel ellentétben – nagyon stabillá, gyakorlatilag kopásállóvá tehető, minimalizálva az újrakalibrálás szükségességét. A harmatponti páratartalom-higrométer 100 °C és minimum -70 °C közötti hőmérséklet-tartományban képes harmatpont mérésére. Ebben az esetben a mérési pontosság tizedfok.
A szóban forgó kialakítású higrométerek többsége mikroprocesszoros vezérléssel van felszerelve, és rezisztív hőmérséklet-érzékelővel kombinálva a harmatponton felül vagy helyett bármilyen kívánt páratartalom-paramétert képes kiszámítani és egy külső indikátoron megjeleníteni. Ezenkívül ezek az eszközök lehetővé teszik az eredmények átvitelét vezeték nélküli technológia segítségével. Természetesen az ilyen eszközöket széles körben használják különféle ipari rendszerek részeként automatizált adatgyűjtésre és a releváns műszaki folyamatok vezérlésére.
Mennyibe kerülne egy ilyen páratartalommérő? Árát természetesen elsősorban a megvalósított funkciók összessége határozza meg, a készülék elektronikus vezérlőrendszerének elérhetőségétől és összetettségétől függően. Tehát egy digitális oszcilloszkóphoz hasonló álló kondenzációs higrométer legalább 4000 dollárba kerül. A különösen "fejlett" modellek több mint 10 000 dollárba kerülhetnek. A piaconTalálhat egy teljesen működőképes hordozható higrométert is. Az ára 1-2 ezer dollár.
A kondenzációs páratartalom-mérők hátrányai
Míg a vizsgált higrométer rendszert tartják a mérési folyamat leghatékonyabbnak, hátránya a mérési út részeinek elkerülhetetlen szennyeződése működés közben.
A hűtött tükrökkel felszerelt páratartalom-mérők általában növelik a mérési pontatlanságokat a tükörre rakódott oldható és oldhatatlan szennyeződések miatt. Az oldhatatlan részecskék befolyásolják a tükör optikai jellemzőit. Mérsékelt porosodás vagy oldhatatlan részecskék megjelenése a tükörön olyan koncentrációs központokat biztosít, amelyeken harmat vagy dér képződhet, ezáltal növelve a készülék reakcióidejét. Az oldható szennyeződések befolyásolják a tükörre lecsapódó nedvesség gőznyomásának mértékét, ami eltolja a harmatpontot. A modern mérő higrométerek (legalábbis kifinomultabb modelljeik) olyan „önteszt” funkciókat tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik a készülék számára a szennyeződés észlelését és reagálását a páratartalom számítási algoritmusainak megfelelő módosításával.
Ezektől a képességektől függetlenül gyakorlatilag minden szóban forgó nedvességmérőt rendszeresen ellenőrizni és tisztítani kell.
Hűtött tükör-nedvességmérők karbantartása
Mit ajánl ebben az értelemben a használati útmutató a készülék felhasználójának. A szennyeződésekre érzékeny higrométernek kell lennierendszeresen tisztítani kell a mérési eredmények stabilitásának biztosítása érdekében, bár ez megnövelheti a karbantartási költségeket. A műszer tükrének ellenőrzése általában a beépített mikroszkóp segítségével történik, karbantartása pedig a mérőrekesz kinyitása után manuálisan történik.
Ha a tükör felületének tisztítását az üzemeltetési utasításban előírt gyakorisággal végezzük, akkor így lehetséges a mérési pontosság megőrzése. A tükörfelülethez való kényelmes hozzáférést a tisztításhoz általában az optikai alkatrészek és a tükör közötti zsanér biztosítja. Mostantól bármilyen kondenzációs higrométert megtalálhat a piacon, amelyre a fogyasztónak szüksége van. Az alábbi fotó egy példát mutat a végrehajtására.
Higrométerek használata a metrológiában
A megfelelően megtervezett és karbantartott hűtött tükrös higrométer nagyságrendekkel nagyobb pontossággal méri a páratartalmat, mint más népszerű nedvességmérők. A benne rejlő mérési pontosság, különösen, ha platina ellenálláshőmérővel van felszerelve a hőmérséklet mérésére, tükörrel és közepes teljesítményű mikroszkóppal a tükörfigyeléshez, ideálissá teszi metrológiai mérésekhez. A vezeték nélküli digitális kommunikációs csatornákon keresztüli információtovábbítás lehetőségei széles lehetőségeket nyitnak meg az ilyen páratartalom-mérők alkalmazására a meteorológiai információk gyűjtésére és feldolgozására szolgáló globális rendszerekben.
Használja gyári laboratóriumokban és szennyezett környezetben
Ez a légnedvességmérő ideális abszolút értékének mérésére gyári klímalaboratóriumokban. Gyakran referenciaként használják más műszerek, például a környezeti tesztkamrák vezérlésére használt relatív páratartalom-érzékelők pontosságának szabályozására.
A nedvességmérők felépítéséhez felhasznált anyagok stabilitása, valamint az ismételt tisztítási képesség lehetővé teszi, hogy a műszerek nagyon hosszú élettartamúak legyenek olyan környezetben, ahol a legtöbb szennyeződés van, a kalibrálás elvesztése nélkül. Ez a teljesítménystabilitás alkalmassá teszi őket olyan gázáramokban való használatra, ahol a gázmintákban lévő nagy mennyiségű szennyeződés visszafordíthatatlanul károsítja a kevésbé stabil típusú nedvességérzékelőket. Például ezt a fajta higrométert széles körben használják a harmatpont szabályozására a fémtermékek felületeinek hőkeményítése során speciális szennyeződéseket tartalmazó levegős környezetben. Ilyen esetekben különösen kívánatos könnyű hozzáférést biztosítani a tükörhöz a tisztításhoz.
Nedvességérzékeny gyártás
A gyógyszerek, fóliák, bevonatok és egyéb termékek gyártásához szükséges speciális csomagolási folyamatokat gyakran hűtött tükör-higrométerekkel figyelik. Választásukat ebben az esetben is a mérési pontosság stabilitása és a hosszú élettartam befolyásolja. Sőt, mivel ezek a folyamatok általában kevésbé érzékenyekA műszerköltségek miatt ezeknek a higrométereknek a magas költsége nem meghatározó a páratartalom-ellenőrzési rendszer kiválasztásánál.
Magas hőmérsékletű gázok és harmatpontjaik
Ezt a páratartalom-mérő típust gyakran választják a környezeti hőmérséklet feletti harmatponti hőmérséklet mérésére. Hűtött tükrös műszereket már 1966-ban alkalmaztak az Apollo rakéta hidrogén üzemanyagcelláinak 250°C-on és 700 psi nyomáson működő felügyeletére. A mai termoelektromos tükörhűtési technológiával a harmatpont 100 °C-ig (és magasabb, ha a légköri nyomás feletti nyomást feltételezve) könnyen mérhető. Ilyen esetekben a higrométer mérőkamrájának minden olyan felülete, amely érintkezik a gázmintával, a legmagasabb várható harmatpont feletti hőmérsékletű legyen, ellenkező esetben ezeken a felületeken páralecsapódás alakul ki, és a mérés hibás lesz.
A magas hőmérsékletű gázok harmatpontjának mérésére tervezett higrométerekben bevett gyakorlat, hogy termosztatikusan szabályozott elektromos fűtőtesteket használnak, hogy a mérőkamra falait a várható legmagasabb harmatpont felett tartsák. A szilárdtest optikai komponenseket, mint például a LED-eket és az érzékelőket névleges üzemi hőmérsékletükön tartják (általában 85°C-on), hogy megakadályozzák a nedvességmérő leromlását és károsodását. Ez úgy érhető el, hogy ezeket az alkatrészeket hőszigeteljük a fűtött mérőkamrából.