Широко използван инструмент за измерване на влажността на въздуха (и други газове) е кондензационен хигрометър. Принципът му на действие е да измерва температурата, наречена точка на оросяване, при която започва кондензация на влага от въздуха.
Какво е влажността на въздуха
Влагометърът измерва съдържанието на влага във въздуха, което може да бъде представено като абсолютна или относителна стойност. Първият от тях дава просто масата на водната пара в 1 кубичен метър. m въздух при дадена температура. Но вторият показва колко близо е водната пара във въздуха до състояние на насищане, тоест до динамично равновесие с течната си фаза - когато няма нито изпаряване, нито кондензация. То е равно на съотношението на измерената абсолютна влажност на въздуха към неговата абсолютна влажност в състояние на насищане. Когато водната пара във въздуха е наситена (отново при дадена температура), относителната влажност на този въздух е 100%. Във въздуха с ненаситени водни пари, съответно е по-малко.
Как работи кондензационен хигрометър
Принципът на действие на всяко устройство за определяне на влажността на въздуха, като правило, е да се измери някаква друга величина, като температура, налягане, маса или механични и електрически промени в вещество, което абсорбира влагата. Чрез подходящо калибриране и изчисление, тези измерени стойности могат да доведат до определяне на абсолютна или относителна влажност. Много важна роля в този процес играе температурата, при която се получава насищане на парите, наречена точка на оросяване. Като правило съвременните електронни устройства за определяне на влажността на въздуха измерват тази температура или промените в електрическия капацитет или съпротивлението на различни абсорбиращи вещества, които след това се преобразуват (автоматично) в индикатори за влажност.
Устройство за кондензационен хигрометър
Неговата работа се основава точно на измерването на водните пари във въздуха по метода на точката на оросяване. Този метод включва охлаждане на повърхност, обикновено метално огледало, до температура, при която водата на повърхността на огледалото е в равновесие с парното налягане на водата в пробата газ над повърхността. При тази температура масата на водата върху повърхността на огледалото нито се увеличава (ако повърхността е твърде студена), нито намалява (ако повърхността е твърде топла), т.е. парата над огледалото е в динамично равновесие с водния кондензат върху огледалото (парата е наситена).
Това огледало е направено от материал с добра топлопроводимост (като сребро или мед) ипокрити с инертен метал като иридий, рубидий, никел или злато, за да се предотврати потъмняване и окисляване. Огледалото се охлажда от термоелектричен охладител (ефект на Пелтие) до образуването на кондензат. Светлинен лъч, обикновено от твърдотелен широколентов диод, излъчващ светлина, се насочва към огледална повърхност и фотодетектор следи отразената светлина, чийто поток е максимален, когато няма кондензация върху огледалото.
Метод на работа с детски огледален хигрометър
Когато върху огледалната повърхност на огледалото се образуват капки роса, отразената светлина се разсейва. В този случай неговият поток, влизащ във фотодетектора, намалява, което води до промяна в изходния сигнал на последния. Това от своя страна се контролира от аналогова или цифрова термоелектрическа система за управление на охладителя, която поддържа стабилна температура на огледалото в точката на оросяване. При правилно проектирана система огледалото се поддържа при температура, при която скоростта на кондензация е точно равна на скоростта на изпаряване на слоя на росата. Точен миниатюрен платинен термометър за съпротивление (PRT), монтиран в огледалото, измерва неговата температура в тази точка, която автоматично се преобразува в показания за влажност.
Влагомерът за измерване на влажността на въздуха от разглежданата конструкция включва и вакуумна помпа за изпомпване на анализираната част от газа и допълнителни филтриращи елементи при замърсени условия.
Предимства на разглежданите хигрометри
Такива инструменти, базирани на прост принцип на работа, с широк диапазон на измерване, висока точност и стабилни показания, се използват широко в индустрията и научните изследвания. Типичният хигрометър за точка на оросяване, за разлика от много други сензори за влажност, може да бъде направен много стабилен, практически устойчив на износване, свеждайки до минимум необходимостта от повторно калибриране. Хигрометърът за влажност на точката на оросяване е в състояние да измерва точката на оросяване в температурен диапазон от 100 °C до минимум -70 °C. В този случай точността на измерването е десети от градуса.
Много хигрометри от разглеждания дизайн са оборудвани с микропроцесорно управление и в комбинация с резистивен температурен сензор могат да изчисляват и показват на външен индикатор всички желани параметри на влажност в допълнение към или вместо точката на оросяване. Освен това тези устройства позволяват прехвърляне на резултати с помощта на безжична технология. Естествено, такива устройства се използват широко като част от различни индустриални системи за автоматизирано събиране на данни и контрол на съответните технически процеси.
Колко би струвал хигрометър като този? Цената му, разбира се, се определя основно от набора от внедрени функции, в зависимост от наличието и сложността на електронната система за управление на устройството. И така, стационарен кондензационен хигрометър, който изглежда като цифров осцилоскоп, струва най-малко 4000 долара. Особено "усъвършенстваните" модели могат да струват повече от 10 000 долара. На пазараМожете също така да намерите напълно функционален преносим хигрометър. Цената му е от 1 до 2 хиляди долара.
Недостатъци на кондензационните хигрометри
Докато разглежданата система от хигрометри се счита за най-ефективна в процеса на измерване, нейният недостатък е неизбежното замърсяване на частите от измервателния път по време на работа.
Влагомери, оборудвани с охладени огледала, са склонни да увеличават неточността на измерване поради наличието на разтворими и неразтворими замърсители, отложени върху огледалото. Неразтворимите частици влияят на оптичните характеристики на огледалото. Умерената запрашеност или появата на неразтворими частици върху огледалото осигурява концентрационни центрове, върху които може да се образува роса или скреж, като по този начин се увеличава времето за реакция на устройството. Разтворимите примеси влияят върху размера на налягането на парите от кондензираната влага върху огледалото, което измества точката на оросяване. Съвременните измервателни хигрометри (поне техните по-сложни модели) включват функции за "самотест", които позволяват на устройството да открива и реагира на замърсяване, като прави подходящи корекции в алгоритмите за изчисляване на влажността..
Независимо от тези възможности, почти всички въпросни хигрометри трябва да се проверяват и почистват периодично.
Поддръжка на охладени огледални хигрометри
Какво препоръчва ръководството с инструкции на потребителя на устройството в този смисъл. Трябва да има хигрометър, който е чувствителен към мръсотияда се почиства периодично, за да се гарантира стабилността на резултатите от измерването, въпреки че това може да увеличи разходите за поддръжката му. Проверката на огледалото на инструмента обикновено се извършва с помощта на вградения микроскоп, а поддръжката му се извършва ръчно след отваряне на измервателното отделение.
Ако почистването на огледалната повърхност се извършва с честотата, изисквана в инструкциите за нейната работа, тогава по този начин е възможно да се поддържа точността на измерванията. Удобният достъп до огледалната повърхност за почистване обикновено се осигурява от панта между оптичните компоненти и огледалото. Вече можете да намерите на пазара всеки кондензационен хигрометър, от който се нуждае потребителят. Снимката по-долу показва пример за нейното изпълнение.
Използване на хигрометри в метрологията
Правилно проектиран и поддържан хигрометър с охладено огледало осигурява измервания на влажността с порядък по-голяма точност от други популярни влагомери. Присъщата му точност на измерване, особено когато е оборудвана с платинен термометър за съпротивление за измерване на температура, огледало и микроскоп със средна мощност за огледално наблюдение, го прави идеален за метрологични измервания. Възможностите за предаване на информация чрез безжични цифрови комуникационни канали разкриват широки възможности за използване на такива хигрометри в глобалните системи за събиране и обработка на метеорологична информация.
Използване във фабрични лаборатории и замърсена среда
Този уред за измерване на влажността на въздуха е идеален за измерване на абсолютната му стойност във фабричните климатични лаборатории. Те често се използват като референции за контрол на точността на други инструменти, като сензори за относителна влажност, използвани за контрол на камерите за изпитване на околната среда.
Стабилността на материалите, използвани в конструкцията на тези хигрометри, както и възможността за многократното им почистване, правят инструментите подходящи за много дълъг експлоатационен живот в среди с повечето замърсители без загуба на калибриране. Тази стабилност на производителността ги прави подходящи за използване в газови потоци, където високите нива на замърсители в газовите проби са необратимо вредни за по-малко стабилните типове сензори за влажност. Например, този тип хигрометър се използва широко за контрол на точката на оросяване по време на топлинно втвърдяване на повърхностите на метални изделия във въздушна среда със специални примеси. В такива случаи осигуряването на лесен достъп до огледалото за почистване е особено желателно.
Продукция, чувствителна към влага
Специализираните процеси на опаковане, необходими при производството на фармацевтични продукти, филми, покрития и други продукти, често се наблюдават от охладени огледални хигрометри. Отново изборът им в този случай се влияе от стабилността на точността на измерване и дългия експлоатационен живот. Освен това, тъй като тези процеси обикновено са по-малко чувствителни къмразходи за инструмент, високата цена на тези хигрометри не е определящ фактор при избора на схема за мониторинг на влажността.
Газове с висока температура и техните точки на оросяване
Този тип хигрометър често се избира за измерване на температурата на точката на оросяване над температурата на околната среда. Охладените огледални инструменти са използвани още през 1966 г. за наблюдение на водородни горивни клетки на ракетата Аполо, работещи при 250°C и 700 psi. С днешните технологии за охлаждане на термоелектрически огледала точките на оросяване до 100 °C (и по-високи, ако се приеме налягане над атмосферното) се измерват лесно. В такива случаи всички повърхности на измервателната камера на хигрометъра, които са в контакт с газовата проба, трябва да имат температура над най-високата очаквана точка на оросяване, в противен случай на тези повърхности ще се появи конденз и измерването ще бъде погрешно.
В хигрометри, предназначени за измерване на точката на оросяване на високотемпературни газове, е обичайна практика да се използват термостатично контролирани електрически нагреватели, за да се поддържат стените на измервателната камера над най-високите очаквани точки на оросяване. Твърдотелните оптични компоненти, като светодиоди и детектори, се поддържат при тяхната номинална работна температура (обикновено 85°C), за да се предотврати влошаване и повреда на хигрометъра. Това може да се постигне чрез термична изолация на тези компоненти от нагрятата измервателна камера.
