Široko používaným prístrojom na meranie vlhkosti vzduchu (a iných plynov) je kondenzačný vlhkomer. Jeho princípom činnosti je meranie teploty nazývanej rosný bod, pri ktorej začína kondenzácia vlhkosti zo vzduchu.
Čo je vlhkosť vzduchu
Vlhkomer meria obsah vlhkosti vzduchu, ktorý môže byť vyjadrený ako absolútna alebo relatívna hodnota. Prvý z nich udáva jednoducho hmotnosť vodnej pary v 1 kubickom metre. m vzduchu pri danej teplote. Ale druhý ukazuje, ako blízko je vodná para vo vzduchu k stavu nasýtenia, teda k dynamickej rovnováhe s jej kvapalnou fázou – keď nedochádza ani k vyparovaniu, ani ku kondenzácii. Rovná sa pomeru nameranej absolútnej vlhkosti vzduchu k jeho absolútnej vlhkosti v stave nasýtenia. Keď je vodná para vo vzduchu nasýtená (opäť pri danej teplote), relatívna vlhkosť vzduchu je 100%. Vo vzduchu s nenasýtenými vodnými parami je ho teda menej.
Ako funguje kondenzačný vlhkomer
Princípom činnosti akéhokoľvek zariadenia na zisťovanie vlhkosti vzduchu je spravidla meranie inej veličiny, ako je teplota, tlak, hmotnosť alebo mechanické a elektrické zmeny v látke absorbujúcej vlhkosť. Vhodnou kalibráciou a výpočtom môžu tieto namerané hodnoty viesť k určeniu absolútnej alebo relatívnej vlhkosti. Veľmi dôležitú úlohu v tomto procese zohráva teplota, pri ktorej dochádza k nasýteniu parou, nazývaná rosný bod. Moderné elektronické zariadenia na zisťovanie vlhkosti vzduchu spravidla merajú túto teplotu alebo zmeny elektrickej kapacity alebo odporu rôznych absorbčných látok, ktoré sa potom (automaticky) premieňajú na indikátory vlhkosti.
Kondenzačný vlhkomer
Jeho práca je založená práve na meraní vodnej pary vo vzduchu metódou rosného bodu. Táto metóda zahŕňa ochladenie povrchu, zvyčajne kovového zrkadla, na teplotu, pri ktorej je voda na povrchu zrkadla v rovnováhe s tlakom pár vody vo vzorke plynu nad povrchom. Pri tejto teplote sa hmotnosť vody na povrchu zrkadla ani nezväčšuje (ak je povrch príliš studený), ani neklesá (ak je povrch príliš teplý), t.j. para nad zrkadlom je v dynamickej rovnováhe s vodným kondenzátom na zrkadlo (para je nasýtená).
Toto zrkadlo je vyrobené z materiálu s dobrou tepelnou vodivosťou (ako striebro alebo meď) apokovované inertným kovom, ako je irídium, rubídium, nikel alebo zlato, aby sa zabránilo zakaleniu a oxidácii. Zrkadlo je chladené termoelektrickým chladičom (Peltierov efekt) až do vzniku kondenzátu. Lúč svetla, zvyčajne z polovodičovej širokopásmovej diódy vyžarujúcej svetlo, je nasmerovaný na povrch zrkadla a fotodetektor monitoruje odrazené svetlo, ktorého tok je maximálny, keď na zrkadle nedochádza ku kondenzácii.
Spôsob prevádzky vlhkomeru detského zrkadla
Keď sa na zrkadlovom povrchu zrkadla vytvoria kvapky rosy, odrazené svetlo sa rozptýli. V tomto prípade sa jeho tok vstupujúci do fotodetektora znižuje, čo vedie k zmene výstupného signálu fotodetektora. To je zase riadené analógovým alebo digitálnym termoelektrickým riadiacim systémom chladiča, ktorý udržuje stabilnú teplotu zrkadla na rosnom bode. Pri správne navrhnutom systéme sa zrkadlo udržiava na teplote, pri ktorej sa rýchlosť kondenzácie presne rovná rýchlosti vyparovania vrstvy rosy. Presný miniatúrny platinový odporový teplomer (PRT) namontovaný v zrkadle meria jeho teplotu v tomto bode, ktorá sa automaticky prevedie na hodnotu vlhkosti.
Vlhkomer na meranie vlhkosti vzduchu uvažovanej konštrukcie obsahuje aj vákuovú pumpu na čerpanie analyzovanej časti plynu a ďalšie filtračné prvky v znečistených podmienkach.
Výhody uvažovaných vlhkomerov
Takéto prístroje, založené na jednoduchom princípe činnosti, so širokým rozsahom merania, vysokou presnosťou a stabilnými údajmi, sú široko používané v priemysle a vedeckom výskume. Typický vlhkomer rosného bodu, na rozdiel od mnohých iných snímačov vlhkosti, môže byť vyrobený veľmi stabilne, prakticky odolný voči opotrebovaniu, čím sa minimalizuje potreba rekalibrácie. Vlhkomer rosného bodu je schopný merať rosný bod v rozsahu teplôt od 100 °C do minimálne -70 °C. V tomto prípade je presnosť merania v desatinách stupňa.
Mnohé vlhkomery uvažovanej konštrukcie sú vybavené mikroprocesorovým riadením a v kombinácii s odporovým teplotným snímačom sú schopné vypočítať a zobraziť na externom indikátore akékoľvek požadované parametre vlhkosti okrem alebo namiesto rosného bodu. Tieto zariadenia navyše umožňujú prenos výsledkov pomocou bezdrôtovej technológie. Prirodzene, takéto zariadenia sú široko používané ako súčasť rôznych priemyselných systémov na automatizovaný zber dát a riadenie príslušných technických procesov.
Koľko by stál takýto vlhkomer? Jeho cenu, samozrejme, určuje najmä súbor implementovaných funkcií v závislosti od dostupnosti a zložitosti elektronického riadiaceho systému zariadenia. Takže stacionárny kondenzačný vlhkomer, ktorý vyzerá ako digitálny osciloskop, stojí najmenej 4 000 dolárov. Najmä "pokročilé" modely môžu stáť viac ako 10 000 dolárov. Na trhuNájdete tu aj plne funkčný prenosný vlhkomer. Jeho cena je od 1 do 2 tisíc dolárov.
Nevýhody kondenzačných vlhkomerov
Uvažovaný systém vlhkomerov je síce považovaný za najefektívnejší v procese merania, jeho nevýhodou je však nevyhnutná kontaminácia častí meracej dráhy počas prevádzky.
Vlhkomery vybavené chladenými zrkadlami majú tendenciu zvyšovať nepresnosti merania v dôsledku prítomnosti rozpustných a nerozpustných nečistôt usadených na zrkadle. Nerozpustné častice ovplyvňujú optické vlastnosti zrkadla. Mierna prašnosť alebo výskyt nerozpustných častíc na zrkadle vytvára koncentračné centrá, na ktorých sa môže vytvárať rosa alebo námraza, čím sa predlžuje doba odozvy zariadenia. Rozpustné nečistoty ovplyvňujú množstvo tlaku pár zo skondenzovanej vlhkosti na zrkadle, čím sa posúva rosný bod. Moderné meracie vlhkomery (aspoň ich sofistikovanejšie modely) obsahujú funkcie „samotestu“, ktoré umožňujú zariadeniu detekovať a reagovať na kontamináciu vykonaním vhodných úprav algoritmov výpočtu vlhkosti.
Bez ohľadu na tieto možnosti je potrebné prakticky všetky príslušné vlhkomery pravidelne kontrolovať a čistiť.
Údržba chladených zrkadlových vlhkomerov
Čo v tomto zmysle odporúča návod na obsluhu používateľovi zariadenia. Vlhkomer, ktorý je citlivý na nečistoty, musí byťpravidelne čistiť, aby sa zabezpečila stabilita výsledkov merania, hoci to môže zvýšiť náklady na jeho údržbu. Kontrola zrkadla prístroja sa zvyčajne vykonáva pomocou vstavaného mikroskopu a jeho údržba sa vykonáva ručne po otvorení meracieho priestoru.
Ak sa čistenie povrchu zrkadla vykonáva s frekvenciou vyžadovanou v návode na jeho obsluhu, potom je možné týmto spôsobom zachovať presnosť meraní. Pohodlný prístup k povrchu zrkadla pri čistení zvyčajne zabezpečuje pánt medzi optickými komponentmi a zrkadlom. Teraz na trhu nájdete akýkoľvek kondenzačný vlhkomer, ktorý spotrebiteľ potrebuje. Na fotografii nižšie je príklad jeho vykonania.
Používanie vlhkomerov v metrológii
Správne navrhnutý a udržiavaný vlhkomer s chladeným zrkadlom poskytuje merania vlhkosti s rádovo vyššou presnosťou ako iné populárne vlhkomery. Jeho inherentná presnosť merania, najmä ak je vybavený platinovým odporovým teplomerom na meranie teploty, zrkadlom a stredne výkonným mikroskopom na monitorovanie zrkadla, je ideálny pre metrologické merania. Možnosti prenosu informácií prostredníctvom bezdrôtových digitálnych komunikačných kanálov otvárajú široké možnosti využitia takýchto vlhkomerov v globálnych systémoch na zber a spracovanie meteorologických informácií.
Používanie vo výrobných laboratóriách a kontaminovaných prostrediach
Tento merač vlhkosti vzduchu je ideálny na meranie absolútnej hodnoty vo výrobných klimatických laboratóriách. Často sa používajú ako referencie na kontrolu presnosti iných prístrojov, ako sú snímače relatívnej vlhkosti používané na ovládanie environmentálnych testovacích komôr.
Stabilita materiálov použitých pri konštrukcii týchto vlhkomerov, ako aj možnosť ich opakovaného čistenia, robí prístroje vhodnými na veľmi dlhú životnosť v prostrediach s väčšinou nečistôt bez straty kalibrácie. Táto stabilita výkonu ich robí vhodnými na použitie v prúdoch plynov, kde vysoké hladiny kontaminantov vo vzorkách plynov nezvratne poškodzujú menej stabilné typy snímačov vlhkosti. Napríklad tento typ vlhkomeru je široko používaný na kontrolu rosného bodu počas tepelného vytvrdzovania povrchov kovových výrobkov vo vzdušnom prostredí so špeciálnymi nečistotami. V takýchto prípadoch je obzvlášť žiaduce poskytnúť ľahký prístup k zrkadlu na čistenie.
Výroba citlivá na vlhkosť
Špecializované baliace procesy potrebné pri výrobe liečiv, fólií, náterov a iných produktov sú často monitorované chladenými zrkadlovými vlhkomermi. Ich výber je v tomto prípade opäť ovplyvnený stabilitou presnosti merania a dlhou životnosťou. Navyše, keďže tieto procesy majú tendenciu byť menej citlivénáklady na prístroje, vysoké náklady na tieto vlhkomery nie sú určujúcim faktorom pri výbere schémy monitorovania vlhkosti.
Vysokoteplotné plyny a ich rosné body
Tento typ vlhkomeru sa často volí na meranie teplôt rosného bodu nad teplotou okolia. Chladené zrkadlové prístroje sa používali už v roku 1966 na monitorovanie vodíkových palivových článkov rakety Apollo pracujúcich pri 250 °C a 700 psi. S dnešnými termoelektrickými technológiami chladenia zrkadiel sa dajú ľahko merať rosné body až do 100 °C (a vyššie, za predpokladu tlaku nad atmosférickým tlakom). V takýchto prípadoch musia mať všetky povrchy meracej komory vlhkomeru, ktoré sú v kontakte so vzorkou plynu, teplotu nad najvyšším očakávaným rosným bodom, inak na týchto povrchoch dôjde ku kondenzácii a meranie bude chybné.
Vo vlhkomeroch určených na meranie rosného bodu vysokoteplotných plynov je bežnou praxou používať termostaticky riadené elektrické ohrievače na udržanie stien meracej komory nad najvyššími očakávanými rosnými bodmi. Polovodičové optické komponenty, ako sú LED diódy a detektory, sú udržiavané pri ich nominálnej prevádzkovej teplote (zvyčajne 85 °C), aby sa zabránilo degradácii a poškodeniu vlhkomera. To sa dá dosiahnuť tepelnou izoláciou týchto komponentov od vyhrievanej meracej komory.
