Широко поширеним приладом для вимірювання вологості повітря та інших газів) є конденсаційний гігрометр. Принцип його дії полягає у вимірюванні температури, називається точкою роси, при якій починається конденсація вологи з повітря.
Що таке вологість повітря
Гігрометр вимірює вміст вологи у повітрі, яке може бути представлено абсолютною або відносною величиною. Перша з них дає просто масу водяної пари в 1 куб. м повітря при даній температурі. А ось друга показує, наскільки водяна пара в повітрі близький до стану насичення, тобто до динамічній рівновазі зі своєю рідкою фазою – коли немає ні випаровування, ні конденсації. Вона дорівнює відношенню вимірювання абсолютної вологості повітря до його абсолютної вологості в стані насичення. Коли водяна пара в повітрі насичений (знову ж таки, при даній температурі), відносна вологість такого повітря дорівнює 100%. У повітря ж з ненасиченим водяною парою вона, відповідно, менше.
Як працює конденсаційний гігрометр
Принцип дії будь-якого приладу для визначення вологості повітря, як правило, полягає у вимірюванні якої-небудь іншої величини, такий як температура, тиск, маса або механічні та електричні зміни у речовині, вбирає вологу. Шляхом відповідної калібрування і розрахунку ці виміряні величини можуть привести до визначення абсолютної або відносної вологості. Дуже важливу роль у цьому процесі відіграє температура, при якій настає насичення пари, називається точкою роси. Як правило, сучасні електронні прилади для визначення вологості повітря вимірюють саме цю температуру або зміни електричної ємності або опорі різних всмоктують вологу речовин, які потім перераховуються (автоматично) показники вологості.
Конденсаційний гігрометр: пристрій
Його робота заснована саме на вимірюванні вмісту парів води в повітрі методом точки роси. Цей спосіб включає охолодження поверхні, як правило, металевого дзеркала, до температури, при якій вода на поверхні дзеркала знаходиться в рівновазі з тиском парів води в газовій пробі вище поверхню. При цій температурі маса води на поверхні дзеркала ні збільшується (при дуже холодній поверхні), ні зменшується (при занадто теплою поверхні), тобто пар над дзеркалом знаходиться в динамічній рівновазі з водяним конденсатом на дзеркалі (насичений пар).
Таке дзеркало виготовляється з матеріалу з хорошою теплопровідністю (зразок срібла чи міді) і покривається шаром інертного металу, такого як іридій, рубідій, нікель або золото, щоб запобігти потьмяніння і окислення. Дзеркало охолоджується за допомогою термоелектричного кулера (ефект Пельтьє) до початку формування конденсату. Промінь світла, як правило, з твердотільного широкосмугового світло випромінюючого діода, спрямований на дзеркальну поверхню, а фотодетектор моніторить відбите світло, потік якого максимальний при повній відсутності конденсату на дзеркалі.
Спосіб роботи гігрометра з охолоджуваним дзеркалом
Коли краплі роси формуються на дзеркальній поверхні дзеркала, то відбите світло розсіюється. При цьому, його потік, що потрапляє на фотодетектор, зменшується, що призводить до зміни вихідного сигналу останнього. Це, в свою чергу, контролюється аналоговою або цифровою системою управління термоелектричним кулером, яка підтримує стабільну температуру дзеркала в точці роси. З належним чином розробленою системою дзеркало підтримується при температурі, при якій швидкість конденсації в точності дорівнює швидкості випаровування шару роси. Точний мініатюрний платиновий термометр опору (PRT), вмонтований в дзеркало, вимірює його температуру в цій точці, яка автоматично перераховується в показання вологості.
Гігрометр для вимірювання вологості повітря розглянутої конструкції включає також вакуумний насос, щоб закачувати анализируемую порцію газу, і додаткові елементи фільтрації в брудних умовах.
Переваги розглянутих гігрометрів
Подібні прилади, засновані на простому принципі роботи, з широким діапазоном вимірювань, високою точністю та стабільністю показань, широко використовуються в промисловості і в наукових дослідженнях. Типовий конденсаційний гігрометр, на відміну від багатьох інших датчиків вологості, може бути зроблений дуже стабільним, практично не піддається зносу, що зводить до мінімуму необхідність повторного калібрування. Гігрометр вологості по точці роси здатний вимірювати її в діапазоні температур від 100 °C до мінімальної в -70 °C. При цьому точність вимірювань складає десяті частки градуса.
Багато гігрометри розглянутої конструкції оснащені мікропроцесорним управлінням і в поєднанні з резистивним датчиком температури здатні розрахувати та вивести на зовнішній індикатор будь-які бажані параметри вологості в доповнення або замість точки роси. Крім того, ці пристрої дозволяють передачу результатів з використанням бездротових технологій. Природно, що подібні прилади широко використовуються у складі різних промислових систем автоматизованого збору даних і управління відповідними технологічними процесами.
Скільки може коштувати подібний гігрометр? Ціна його, звичайно, визначається в основному набором реалізованих функцій, що залежать від наявності і складності електронної системи управління приладом. Так, стаціонарний конденсаційний гігрометр, зовні схожий на цифровий осцилограф, коштує не менше 4000 доларів. Особливо “просунуті” моделі можуть коштувати і більше 10 000 доларів. На ринку можна знайти і цілком функціональний портативний гігрометр. Ціна його становить від 1 до 2 тис. доларів.
Недоліки конденсаційних гігрометрів
У той час як розглянута система гігрометрів вважається найбільш ефективною в процесі вимірювання, її недоліком є неминуче забруднення деталей вимірювального тракту в процесі роботи.
Гігрометри, оснащені охолоджуваними дзеркалами, мають тенденцію до зростання неточності вимірювань з-за наявності розчинних і нерозчинних забруднень, які осідають на дзеркалі. Нерозчинні частинки впливають на оптичні характеристики дзеркала. Помірна запиленість або поява на дзеркалі нерозчинних частинок забезпечують наявність центрів концентрації, на яких може утворюватися роса або іній, тим самим підвищуючи час відгуку приладу. Розчинні домішки впливають на величину тиску пари від конденсованої вологи на дзеркало, що зміщує точку роси. Сучасні вимірювальні гігрометри (принаймні, їх більш складні моделі) включають в себе функції “самоперевірки”, які дозволяють пристрою виявляти і реагувати на забруднення шляхом введення відповідних поправок в алгоритми розрахунків показників вологості.
Незалежно від наявності подібних можливостей практично всі розглянуті гігрометри потребують періодичної перевірки та очищення.
Обслуговування гігрометрів з охолоджуваним дзеркалом
Що рекомендує користувачеві приладу в цьому сенсі його інструкція. Гігрометр, який є чутливим до забруднень, необхідно періодично очищати для забезпечення стабільності результатів вимірювань, хоча це і може збільшувати вартість його обслуговування. Огляд дзеркала приладу зазвичай виконується за допомогою вбудованого мікроскопа, а техобслуговування його вручну, після відкриття вимірювального відсіку.
Якщо очищення поверхні дзеркала виконується з необхідною в інструкції по його експлуатації періодичністю, то таким чином можна зберегти точність вимірювань. Зручний доступ до дзеркальної поверхні для її очищення зазвичай забезпечується шарніром між оптичними компонентами і дзеркалом. На ринку зараз можна знайти будь-який потрібний споживачеві конденсаційний гігрометр. Фото нижче показує приклад його виконання.
Застосування гігрометрів в метрології
Належним чином розроблений і експлуатований гігрометр з охолоджуваним дзеркалом забезпечує вимірювання вологості з точністю на кілька порядків більшою, ніж дозволяють інші популярні вимірювачі вологості. Властива їм точність вимірювань, особливо при оснащенні платиновим термометром опору для вимірювання температури, дзеркалом і мікроскопом середньої потужності для моніторингу стану дзеркала, робить його ідеальним для метрологічних вимірювань. Можливості ж передачі інформації по бездротовим цифровим каналам зв’язку відкривають широкі можливості використання таких гігрометрів в глобальних системах збору та обробки метеоінформації.
Використання в заводських лабораторіях і забруднених середовищах
Дані прилади для визначення вологості повітря ідеально підходять для виміру її абсолютної величини в заводських кліматичних лабораторіях. Вони часто використовуються в якості еталонів для контролю точності інших інструментів, таких як датчики вологості, застосовуються для управління камерами для кліматичних випробувань.
Стабільність характеристик матеріалів, що використовуються в конструкціях даних гігрометрів, а також можливість їх багаторазового очищення роблять прилади придатними для досить довгострокової служби в середовищах з наявністю більшості забруднюючих речовин без втрати калібрування. Ця стабільність характеристик робить їх придатними для використання в газових потоках, де високі рівні забруднюючих речовин в пробах газу чинять на менш стабільні типи датчиків вологості необоротно шкідливий вплив. Наприклад, даний тип гігрометрів широко використовується для контролю точки роси при термоупрочнении поверхонь металевих виробів у повітряному середовищі з спецпримесями. У таких випадках забезпечення легкого доступу до дзеркала для очищення особливо бажано.
Влагочувствительное виробництво
Спеціалізовані техпроцеси упаковки, необхідні у виробництві фармацевтичних препаратів, плівок, покриттів і інших продуктів часто контролюються гігрометрами з охолоджуваним дзеркалом. Знову ж таки, на їх вибір в даному випадку впливає стабільність точності вимірювань і тривалий термін експлуатації. Крім того, оскільки ці процеси, як правило, менш чутливі до приладовим витрат, висока вартість даних гігрометрів не є визначальним чинником у виборі схеми моніторингу вологості.
Високотемпературні гази та їх точки роси
Гігрометри даного типу часто вибирають для вимірювання температури точки роси вище температури навколишнього середовища. Прилади з охолоджуваними дзеркалами були використані ще в 1966 році для моніторингу водневих паливних елементів ракет Apollo, що працюють при температурі 250 °C і тиску 700 фунтів на квадратний дюйм. При сьогоднішніх термоелектричних технології охолодження дзеркал точки роси до 100 °C (і вище, за умови тиску вище атмосферного) легко вимірюються. У таких випадках всі поверхні вимірювального відсіку гігрометра, що знаходяться в контакті зі зразком газу, повинні мати температуру вище найвищою очікуваною точки роси, інакше на цих поверхнях відбувається конденсація, і вимірювання буде помилковим.
У гигрометрах, призначених для вимірювання точки роси високотемпературних газів, звичайною практикою є використання електричних обігрівачів з терморегулятором для підтримки температури стінок вимірювального відсіку вище найвищих очікуваних точок роси. Твердотільні оптичні компоненти, такі як світлодіоди і детектори, підтримують при номінальній робочій температурі (зазвичай 85 °C) для запобігання їх руйнування та виходу гігрометра з ладу. Це може бути досягнуто шляхом термічної ізоляції цих компонентів від нагрітого вимірювального відсіку.
