Široko korišćen instrument za merenje vlažnosti vazduha (i drugih gasova) je kondenzacioni higrometar. Njegov princip rada je mjerenje temperature, nazvane tačka rose, na kojoj počinje kondenzacija vlage iz zraka.
Šta 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 kubnom metru. m vazduha na datoj temperaturi. Ali drugi pokazuje koliko je vodena para u vazduhu bliska stanju zasićenja, odnosno dinamičke ravnoteže sa svojom tečnom fazom - kada nema ni isparavanja ni kondenzacije. Ona je jednaka omjeru izmjerene apsolutne vlažnosti zraka i njegove apsolutne vlažnosti u stanju zasićenja. Kada je vodena para u vazduhu zasićena (opet, na datoj temperaturi), relativna vlažnost tog vazduha je 100%. U vazduhu sa nezasićenom vodenom parom, on je, shodno tome, manji.
Kako radi kondenzacijski higrometar
Princip rada bilo kog uređaja za određivanje vlažnosti vazduha po pravilu je merenje neke druge veličine, kao što su temperatura, pritisak, masa ili mehaničke i električne promene u materiji koja upija vlagu. Odgovarajućom kalibracijom i proračunom, ove izmjerene vrijednosti mogu dovesti do određivanja apsolutne ili relativne vlažnosti. Vrlo važnu ulogu u ovom procesu igra temperatura na kojoj dolazi do zasićenja pare, koja se naziva tačka rose. Po pravilu, savremeni elektronski uređaji za određivanje vlažnosti vazduha mere ovu temperaturu ili promene električnog kapaciteta ili otpora različitih upijajućih supstanci, koje se zatim (automatski) pretvaraju u indikatore vlažnosti.
Uređaj za kondenzacijski higrometar
Njegov rad se zasniva upravo na merenju vodene pare u vazduhu metodom tačke rose. Ova metoda uključuje hlađenje površine, obično metalnog ogledala, do temperature na kojoj je voda na površini ogledala u ravnoteži sa pritiskom pare vode u uzorku plina iznad površine. Na ovoj temperaturi, masa vode na površini ogledala niti se povećava (ako je površina previše hladna) niti opada (ako je površina previše topla), tj. para iznad ogledala je u dinamičkoj ravnoteži sa kondenzatom vode na ogledalo (para je zasićena).
Ovo ogledalo je napravljeno od materijala sa dobrom toplotnom provodljivošću (poput srebra ili bakra) iobložene inertnim metalom kao što su iridijum, rubidijum, nikl ili zlato kako bi se spriječilo tamnjenje i oksidacija. Ogledalo se hladi termoelektričnim hladnjakom (Peltierov efekat) do stvaranja kondenzata. Snop svjetlosti, obično iz solid-state širokopojasne diode koja emituje svjetlost, usmjeren je na površinu ogledala, a fotodetektor prati reflektovanu svjetlost, čiji je protok maksimalan kada nema kondenzacije na ogledalu.
Način rada higrometra za djecu
Kada se kapljice rose formiraju na površini ogledala, reflektovana svjetlost se raspršuje. U ovom slučaju, njegov fluks koji ulazi u fotodetektor se smanjuje, što dovodi do promjene izlaznog signala potonjeg. Ovo, zauzvrat, kontroliše analogni ili digitalni termoelektrični sistem kontrole hladnjaka koji održava stabilnu temperaturu ogledala na tački rose. Sa pravilno dizajniranim sistemom, ogledalo se održava na temperaturi pri kojoj je stopa kondenzacije tačno jednaka brzini isparavanja sloja rose. Precizni minijaturni platinasti otporni termometar (PRT) postavljen u ogledalu mjeri njegovu temperaturu u toj tački, koja se automatski pretvara u očitavanje vlažnosti.
Higrometar za merenje vlažnosti vazduha razmatranog dizajna uključuje i vakuum pumpu za pumpanje analiziranog dela gasa, kao i dodatne elemente za filtriranje u prljavim uslovima.
Prednosti razmatranih higrometara
Ovakvi instrumenti, zasnovani na jednostavnom principu rada, sa širokim opsegom mjerenja, visokom preciznošću i stabilnim očitanjima, imaju široku primjenu u industriji i naučnim istraživanjima. Tipičan higrometar tačke rosišta, za razliku od mnogih drugih senzora vlažnosti, može se napraviti veoma stabilnim, praktično otpornim na habanje, minimizirajući potrebu za ponovnom kalibracijom. Higrometar vlažnosti tačke rosišta je sposoban da meri tačku rosišta u temperaturnom opsegu od 100 °C do minimalno -70 °C. U ovom slučaju, tačnost mjerenja je desetinke stepena.
Mnogi higrometri razmatranog dizajna opremljeni su mikroprocesorskom kontrolom i, u kombinaciji sa otpornim temperaturnim senzorom, mogu izračunati i prikazati na eksternom indikatoru sve željene parametre vlažnosti pored ili umjesto tačke rose. Osim toga, ovi uređaji omogućavaju prijenos rezultata korištenjem bežične tehnologije. Naravno, takvi uređaji se široko koriste kao dio različitih industrijskih sistema za automatizirano prikupljanje podataka i kontrolu relevantnih tehničkih procesa.
Koliko bi koštao ovakav higrometar? Njegova cijena je, naravno, određena uglavnom skupom implementiranih funkcija, ovisno o dostupnosti i složenosti elektronskog upravljačkog sistema uređaja. Dakle, stacionarni kondenzacijski higrometar koji izgleda kao digitalni osciloskop košta najmanje 4.000 dolara. Posebno "napredni" modeli mogu koštati više od 10.000 dolara. Na tržištuTakođer možete pronaći potpuno funkcionalan prijenosni higrometar. Njegova cijena je od 1 do 2 hiljade dolara.
Nedostaci kondenzacionih higrometara
Dok se razmatrani sistem higrometara smatra najefikasnijim u procesu mjerenja, njegov nedostatak je neizbježna kontaminacija dijelova mjernog puta tokom rada.
Higrometri opremljeni hlađenim ogledalima imaju tendenciju da povećaju nepreciznost mjerenja zbog prisustva rastvorljivih i nerastvorljivih zagađivača taloženih na ogledalu. Nerastvorljive čestice utiču na optičke karakteristike ogledala. Umjerena prašina ili pojava nerastvorljivih čestica na ogledalu stvara centre koncentracije na kojima se može formirati rosa ili mraz, čime se povećava vrijeme odziva uređaja. Rastvorljive nečistoće utiču na količinu pritiska pare od kondenzovane vlage na ogledalu, što pomera tačku rose. Moderni mjerni higrometri (barem njihovi sofisticiraniji modeli) uključuju funkcije "samotestiranja" koje omogućavaju uređaju da otkrije i reaguje na kontaminaciju odgovarajućim prilagođavanjem algoritama za izračunavanje vlažnosti..
Bez obzira na ove mogućnosti, praktički svi higrometri u pitanju moraju se periodično provjeravati i čistiti.
Održavanje higrometara za rashlađeno ogledalo
Šta uputstvo za upotrebu preporučuje korisniku uređaja u tom smislu. Mora biti higrometar koji je osjetljiv na prljavštinutreba povremeno čistiti kako bi se osigurala stabilnost rezultata mjerenja, iako to može povećati troškove njegovog održavanja. Pregled ogledala instrumenta obično se vrši pomoću ugrađenog mikroskopa, a njegovo održavanje se vrši ručno nakon otvaranja mjernog odjeljka.
Ako se čišćenje površine ogledala vrši frekvencijom koja je propisana u uputstvu za njegov rad, onda je na ovaj način moguće održati tačnost mjerenja. Pogodan pristup površini ogledala za čišćenje obično je obezbeđen šarkom između optičkih komponenti i ogledala. Sada na tržištu možete pronaći bilo koji kondenzacijski higrometar koji je potreban potrošaču. Na slici ispod prikazan je primjer njegovog izvođenja.
Upotreba higrometara u metrologiji
Propisno dizajniran i održavan higrometar s rashlađenim ogledalom pruža mjerenja vlažnosti sa redovima veličine većom preciznošću od drugih popularnih mjerača vlage. Njegova inherentna preciznost mjerenja, posebno kada je opremljen platinastim otpornim termometrom za mjerenje temperature, ogledalom i mikroskopom srednje snage za praćenje ogledala, čini ga idealnim za metrološka mjerenja. Mogućnosti prenošenja informacija putem bežičnih digitalnih komunikacijskih kanala otvaraju široke mogućnosti za korištenje ovakvih higrometara u globalnim sistemima za prikupljanje i obradu meteoroloških informacija.
Upotreba u fabričkim laboratorijama i kontaminiranim okruženjima
Ovaj mjerač vlažnosti zraka idealan je za mjerenje njegove apsolutne vrijednosti u fabričkim klimatskim laboratorijama. Često se koriste kao reference za kontrolu tačnosti drugih instrumenata, kao što su senzori relativne vlažnosti koji se koriste za kontrolu komora za ispitivanje okoline.
Stabilnost materijala koji se koriste u konstrukciji ovih higrometara, kao i mogućnost njihovog stalnog čišćenja, čine instrumente pogodnim za veoma dug radni vek u okruženjima sa većinom zagađivača bez gubitka kalibracije. Ova stabilnost performansi čini ih pogodnim za upotrebu u tokovima gasa gde su visoki nivoi zagađivača u uzorcima gasa nepovratno štetni za manje stabilne tipove senzora vlažnosti. Na primjer, ovaj tip higrometra se široko koristi za kontrolu točke rosišta tijekom toplinskog stvrdnjavanja površina metalnih proizvoda u zračnom okruženju s posebnim nečistoćama. U takvim slučajevima, omogućavanje lakog pristupa ogledalu radi čišćenja je posebno poželjno.
Proizvodnja osjetljiva na vlagu
Specijalizovani procesi pakovanja 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 dug vijek trajanja. Štaviše, budući da su ovi procesi manje osjetljivi natroškovi instrumenta, visoka cijena ovih higrometara nije odlučujući faktor u odabiru šeme za praćenje vlažnosti.
Gasovi visoke temperature i njihove tačke rose
Ovaj tip higrometra se često bira za mjerenje temperature rosišta iznad temperature okoline. Instrumenti sa hlađenim ogledalom korišteni su još 1966. za praćenje Apollo raketnih vodoničnih gorivnih ćelija koje rade na 250°C i 700 psi. Sa današnjom tehnologijom termoelektričnog hlađenja ogledala, tačke rose do 100 °C (i više, pod pretpostavkom da su pritisak iznad atmosferskog) se lako meri. U takvim slučajevima, sve površine mjerne komore higrometra koje su u kontaktu sa uzorkom plina moraju imati temperaturu iznad najveće očekivane tačke rose, inače će doći do kondenzacije na ovim površinama i mjerenje će biti pogrešno.
U higrometrima dizajniranim za mjerenje tačke rosišta visokotemperaturnih plinova, uobičajena je praksa da se koriste termostatski kontrolirani električni grijači kako bi se zidovi mjerne komore držali iznad najviših očekivanih tačaka rose. Solid-state optičke komponente kao što su LED diode i detektori održavaju se na svojoj nominalnoj 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.
