Ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο όργανο για τη μέτρηση της υγρασίας του αέρα (και άλλων αερίων) είναι ένα υγρόμετρο συμπύκνωσης. Η αρχή λειτουργίας του είναι η μέτρηση της θερμοκρασίας, που ονομάζεται σημείο δρόσου, στο οποίο αρχίζει η συμπύκνωση της υγρασίας από τον αέρα.
Τι είναι η υγρασία αέρα
Ένα υγρόμετρο μετρά την περιεκτικότητα σε υγρασία του αέρα, η οποία μπορεί να αναπαρασταθεί ως απόλυτη ή σχετική τιμή. Το πρώτο από αυτά δίνει απλά τη μάζα των υδρατμών σε 1 κυβικό μέτρο. m αέρα σε δεδομένη θερμοκρασία. Αλλά το δεύτερο δείχνει πόσο κοντά είναι οι υδρατμοί στον αέρα σε κατάσταση κορεσμού, δηλαδή σε δυναμική ισορροπία με την υγρή του φάση - όταν δεν υπάρχει ούτε εξάτμιση ούτε συμπύκνωση. Είναι ίσος με τον λόγο της μετρούμενης απόλυτης υγρασίας του αέρα προς την απόλυτη υγρασία του στην κατάσταση κορεσμού. Όταν οι υδρατμοί στον αέρα είναι κορεσμένοι (και πάλι, σε μια δεδομένη θερμοκρασία), η σχετική υγρασία αυτού του αέρα είναι 100%. Σε αέρα με ακόρεστους υδρατμούς, είναι αντίστοιχα μικρότερος.
Πώς λειτουργεί ένα υγρόμετρο συμπύκνωσης
Η αρχή λειτουργίας οποιασδήποτε συσκευής για τον προσδιορισμό της υγρασίας του αέρα, κατά κανόνα, είναι να μετρήσει κάποια άλλη ποσότητα, όπως θερμοκρασία, πίεση, μάζα ή μηχανικές και ηλεκτρικές αλλαγές σε μια ουσία που απορροφά την υγρασία. Με κατάλληλη βαθμονόμηση και υπολογισμό, αυτές οι μετρούμενες τιμές μπορούν να οδηγήσουν στον προσδιορισμό της απόλυτης ή σχετικής υγρασίας. Πολύ σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία παίζει η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει ο κορεσμός των ατμών, που ονομάζεται σημείο δρόσου. Κατά κανόνα, οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές για τον προσδιορισμό της υγρασίας του αέρα μετρούν αυτή τη θερμοκρασία ή τις αλλαγές στην ηλεκτρική χωρητικότητα ή την αντίσταση διαφόρων απορροφητικών ουσιών, οι οποίες στη συνέχεια μετατρέπονται (αυτόματα) σε δείκτες υγρασίας.
Συσκευή υγρόμετρου συμπύκνωσης
Η δουλειά του βασίζεται ακριβώς στη μέτρηση των υδρατμών στον αέρα με τη μέθοδο του σημείου δρόσου. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την ψύξη μιας επιφάνειας, συνήθως ενός μεταλλικού καθρέφτη, σε μια θερμοκρασία στην οποία το νερό στην επιφάνεια του καθρέφτη βρίσκεται σε ισορροπία με την τάση ατμών του νερού στο αέριο δείγματος πάνω από την επιφάνεια. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η μάζα του νερού στην επιφάνεια του καθρέφτη δεν αυξάνεται (εάν η επιφάνεια είναι πολύ κρύα) ούτε μειώνεται (αν η επιφάνεια είναι πολύ ζεστή), δηλαδή ο ατμός πάνω από τον καθρέφτη βρίσκεται σε δυναμική ισορροπία με το συμπύκνωμα νερού στο ο καθρέφτης (ο ατμός είναι κορεσμένος).
Αυτός ο καθρέφτης είναι κατασκευασμένος από υλικό με καλή θερμική αγωγιμότητα (όπως ασήμι ή χαλκό) καιεπιμεταλλωμένο με ένα αδρανές μέταλλο όπως ιρίδιο, ρουβίδιο, νικέλιο ή χρυσό για την αποφυγή αμαύρωσης και οξείδωσης. Ο καθρέφτης ψύχεται με θερμοηλεκτρικό ψυγείο (φαινόμενο Peltier) μέχρι το σχηματισμό συμπυκνώματος. Μια δέσμη φωτός, συνήθως από μια δίοδο εκπομπής φωτός ευρείας ζώνης στερεάς κατάστασης, κατευθύνεται σε μια επιφάνεια καθρέφτη και ένας φωτοανιχνευτής παρακολουθεί το ανακλώμενο φως, η ροή του οποίου είναι μέγιστη όταν δεν υπάρχει συμπύκνωση στον καθρέφτη.
Μέθοδος λειτουργίας υγρόμετρου παιδικού καθρέφτη
Όταν σχηματίζονται σταγόνες δροσιάς στην επιφάνεια καθρέφτη του καθρέφτη, το ανακλώμενο φως διασκορπίζεται. Σε αυτή την περίπτωση, η ροή του που εισέρχεται στον φωτοανιχνευτή μειώνεται, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή του σήματος εξόδου του τελευταίου. Αυτό, με τη σειρά του, ελέγχεται από ένα αναλογικό ή ψηφιακό θερμοηλεκτρικό σύστημα ελέγχου ψύκτη που διατηρεί μια σταθερή θερμοκρασία καθρέφτη στο σημείο δρόσου. Με ένα σωστά σχεδιασμένο σύστημα, ο καθρέφτης διατηρείται σε θερμοκρασία όπου ο ρυθμός συμπύκνωσης είναι ακριβώς ίσος με τον ρυθμό εξάτμισης του στρώματος δρόσου. Ένα ακριβές μικροσκοπικό θερμόμετρο αντίστασης πλατίνας (PRT) τοποθετημένο στον καθρέφτη μετρά τη θερμοκρασία του σε αυτό το σημείο, η οποία μετατρέπεται αυτόματα σε ένδειξη υγρασίας.
Το υγρόμετρο για τη μέτρηση της υγρασίας αέρα του εξεταζόμενου σχεδίου περιλαμβάνει επίσης μια αντλία κενού για άντληση στο αναλυόμενο τμήμα αερίου και πρόσθετα στοιχεία φιλτραρίσματος σε βρώμικες συνθήκες.
Πλεονεκτήματα των θεωρούμενων υγρόμετρων
Τέτοια όργανα, βασισμένα σε μια απλή αρχή λειτουργίας, με μεγάλο εύρος μέτρησης, υψηλή ακρίβεια και σταθερές ενδείξεις, χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία και την επιστημονική έρευνα. Ένα τυπικό υγρόμετρο σημείου δρόσου, σε αντίθεση με πολλούς άλλους αισθητήρες υγρασίας, μπορεί να γίνει πολύ σταθερό, ουσιαστικά ανθεκτικό στη φθορά, ελαχιστοποιώντας την ανάγκη για επαναβαθμονόμηση. Το υγρόμετρο υγρασίας σημείου δρόσου είναι ικανό να μετρήσει το σημείο δρόσου στο εύρος θερμοκρασίας από 100 °C έως ελάχιστους -70 °C. Σε αυτήν την περίπτωση, η ακρίβεια μέτρησης είναι δέκατα της μοίρας.
Πολλά υγρόμετρα του εξεταζόμενου σχεδιασμού είναι εξοπλισμένα με έλεγχο μικροεπεξεργαστή και, σε συνδυασμό με έναν αισθητήρα θερμοκρασίας αντίστασης, μπορούν να υπολογίσουν και να εμφανίσουν σε έναν εξωτερικό δείκτη τυχόν επιθυμητές παραμέτρους υγρασίας επιπλέον ή αντί του σημείου δρόσου. Επιπλέον, αυτές οι συσκευές επιτρέπουν τη μεταφορά αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας ασύρματη τεχνολογία. Φυσικά, τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται ευρέως ως μέρος διαφόρων βιομηχανικών συστημάτων για την αυτοματοποιημένη συλλογή δεδομένων και τον έλεγχο των σχετικών τεχνικών διαδικασιών.
Πόσο θα κόστιζε ένα υγρόμετρο σαν αυτό; Η τιμή του, φυσικά, καθορίζεται κυρίως από το σύνολο των εφαρμοζόμενων λειτουργιών, ανάλογα με τη διαθεσιμότητα και την πολυπλοκότητα του ηλεκτρονικού συστήματος ελέγχου της συσκευής. Έτσι, ένα σταθερό υγρόμετρο συμπύκνωσης που μοιάζει με ψηφιακό παλμογράφο κοστίζει τουλάχιστον 4.000 δολάρια. Τα ιδιαίτερα «προηγμένα» μοντέλα μπορεί να κοστίζουν περισσότερα από 10.000 δολάρια. Στην αγοράΜπορείτε επίσης να βρείτε ένα πλήρως λειτουργικό φορητό υγρόμετρο. Η τιμή του είναι από 1 έως 2 χιλιάδες δολάρια.
Μειονεκτήματα των υγρόμετρων συμπύκνωσης
Ενώ το εξεταζόμενο σύστημα υγρομέτρων θεωρείται το πιο αποτελεσματικό στη διαδικασία μέτρησης, το μειονέκτημά του είναι η αναπόφευκτη μόλυνση των τμημάτων της διαδρομής μέτρησης κατά τη λειτουργία.
Τα υγρόμετρα εξοπλισμένα με παγωμένους καθρέφτες τείνουν να αυξάνουν τις ανακρίβειες των μετρήσεων λόγω της παρουσίας διαλυτών και αδιάλυτων ρύπων που εναποτίθενται στον καθρέφτη. Τα αδιάλυτα σωματίδια επηρεάζουν τα οπτικά χαρακτηριστικά του καθρέφτη. Η μέτρια σκόνη ή η εμφάνιση αδιάλυτων σωματιδίων στον καθρέφτη παρέχει κέντρα συγκέντρωσης στα οποία μπορεί να σχηματιστεί δροσιά ή παγετός, αυξάνοντας έτσι τον χρόνο απόκρισης της συσκευής. Οι διαλυτές ακαθαρσίες επηρεάζουν την ποσότητα της πίεσης ατμών από τη συμπυκνωμένη υγρασία στον καθρέφτη, η οποία μετατοπίζει το σημείο δρόσου. Τα σύγχρονα υγρόμετρα μέτρησης (τουλάχιστον τα πιο εξελιγμένα μοντέλα τους) περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά "αυτοδιαγνωστικού ελέγχου" που επιτρέπουν στη συσκευή να ανιχνεύει και να ανταποκρίνεται στη μόλυνση κάνοντας κατάλληλες προσαρμογές στους αλγόριθμους υπολογισμού της υγρασίας.
Ανεξάρτητα από αυτές τις δυνατότητες, ουσιαστικά όλα τα εν λόγω υγρόμετρα πρέπει να ελέγχονται και να καθαρίζονται περιοδικά.
Συντήρηση υγρόμετρων ψυχρού καθρέφτη
Τι προτείνει το εγχειρίδιο οδηγιών στον χρήστη της συσκευής με αυτή την έννοια. Ένα υγρόμετρο που είναι ευαίσθητο στη βρωμιά πρέπει να είναινα καθαρίζεται περιοδικά για να διασφαλίζεται η σταθερότητα των αποτελεσμάτων της μέτρησης, αν και αυτό μπορεί να αυξήσει το κόστος της συντήρησής του. Η επιθεώρηση του καθρέφτη του οργάνου πραγματοποιείται συνήθως χρησιμοποιώντας το ενσωματωμένο μικροσκόπιο και η συντήρησή του πραγματοποιείται χειροκίνητα μετά το άνοιγμα του θαλάμου μέτρησης.
Εάν ο καθαρισμός της επιφάνειας του καθρέφτη γίνεται με τη συχνότητα που απαιτείται στις οδηγίες λειτουργίας του, τότε με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η διατήρηση της ακρίβειας των μετρήσεων. Η βολική πρόσβαση στην επιφάνεια του καθρέφτη για καθαρισμό παρέχεται συνήθως από μια άρθρωση μεταξύ των οπτικών εξαρτημάτων και του καθρέφτη. Μπορείτε πλέον να βρείτε οποιοδήποτε υγρόμετρο συμπύκνωσης που χρειάζεται ο καταναλωτής στην αγορά. Η παρακάτω φωτογραφία δείχνει ένα παράδειγμα της εκτέλεσής του.
Χρήση υγρόμετρων στη μετρολογία
Ένας σωστά σχεδιασμένος και συντηρημένος υγρόμετρο με κρύο καθρέφτη παρέχει μετρήσεις υγρασίας με τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη ακρίβεια από άλλους δημοφιλείς μετρητές υγρασίας. Η εγγενής ακρίβεια μέτρησής του, ειδικά όταν είναι εξοπλισμένο με θερμόμετρο αντίστασης πλατίνας για μέτρηση θερμοκρασίας, καθρέφτη και μικροσκόπιο μέσης ισχύος για παρακολούθηση καθρέφτη, το καθιστά ιδανικό για μετρολογικές μετρήσεις. Οι δυνατότητες μετάδοσης πληροφοριών μέσω ασύρματων ψηφιακών καναλιών επικοινωνίας ανοίγουν ευρείες δυνατότητες για τη χρήση τέτοιων υγρόμετρων σε παγκόσμια συστήματα συλλογής και επεξεργασίας μετεωρολογικών πληροφοριών.
Χρήση σε εργοστασιακά εργαστήρια και μολυσμένα περιβάλλοντα
Αυτός ο μετρητής υγρασίας αέρα είναι ιδανικός για τη μέτρηση της απόλυτης τιμής του σε εργαστήρια κλιματισμού εργοστασίων. Συχνά χρησιμοποιούνται ως αναφορές για τον έλεγχο της ακρίβειας άλλων οργάνων, όπως αισθητήρες σχετικής υγρασίας που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο περιβαλλοντικών θαλάμων δοκιμών.
Η σταθερότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αυτών των υγρόμετρων, καθώς και η δυνατότητα επανειλημμένου καθαρισμού τους, καθιστούν τα όργανα κατάλληλα για πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής σε περιβάλλοντα με τους περισσότερους ρύπους χωρίς απώλεια βαθμονόμησης. Αυτή η σταθερότητα απόδοσης τα καθιστά κατάλληλα για χρήση σε ρεύματα αερίων όπου τα υψηλά επίπεδα ρύπων στα δείγματα αερίων είναι αμετάκλητα επιζήμια για λιγότερο σταθερούς τύπους αισθητήρων υγρασίας. Για παράδειγμα, αυτός ο τύπος υγρόμετρου χρησιμοποιείται ευρέως για τον έλεγχο του σημείου δρόσου κατά τη θερμική σκλήρυνση των επιφανειών μεταλλικών προϊόντων σε περιβάλλον αέρα με ειδικές ακαθαρσίες. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η παροχή εύκολης πρόσβασης στον καθρέφτη για καθαρισμό είναι ιδιαίτερα επιθυμητή.
Παραγωγή ευαίσθητη στην υγρασία
Ειδικές διαδικασίες συσκευασίας που απαιτούνται για την παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, μεμβρανών, επικαλύψεων και άλλων προϊόντων συχνά παρακολουθούνται από υγρόμετρα καθρέφτη με απλή ψύξη. Και πάλι, η επιλογή τους σε αυτή την περίπτωση επηρεάζεται από τη σταθερότητα της ακρίβειας των μετρήσεων και τη μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, δεδομένου ότι αυτές οι διαδικασίες τείνουν να είναι λιγότερο ευαίσθητεςκόστος οργάνων, το υψηλό κόστος αυτών των υγρόμετρων δεν είναι καθοριστικός παράγοντας για την επιλογή ενός συστήματος παρακολούθησης της υγρασίας.
Αέρια υψηλής θερμοκρασίας και τα σημεία δρόσου τους
Αυτός ο τύπος υγρόμετρου επιλέγεται συχνά για τη μέτρηση θερμοκρασιών σημείου δρόσου πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα ψυχρά όργανα καθρέφτη χρησιμοποιήθηκαν ήδη από το 1966 για την παρακολούθηση κυψελών καυσίμου υδρογόνου πυραύλων Apollo που λειτουργούσαν στους 250°C και στα 700 psi. Με τις σημερινές τεχνολογίες ψύξης θερμοηλεκτρικών κατόπτρων, τα σημεία δρόσου έως και 100 °C (και υψηλότερα, υποθέτοντας πιέσεις πάνω από την ατμοσφαιρική πίεση) μετρώνται εύκολα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, όλες οι επιφάνειες του θαλάμου μέτρησης του υγρόμετρου που έρχονται σε επαφή με το δείγμα αερίου πρέπει να έχουν θερμοκρασία πάνω από το υψηλότερο αναμενόμενο σημείο δρόσου, διαφορετικά θα προκύψει συμπύκνωση σε αυτές τις επιφάνειες και η μέτρηση θα είναι λανθασμένη.
Σε υγρόμετρα που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση του σημείου δρόσου των αερίων υψηλής θερμοκρασίας, είναι κοινή πρακτική η χρήση θερμοστατικά ελεγχόμενων ηλεκτρικών θερμαντήρων για να διατηρούνται τα τοιχώματα του θαλάμου μέτρησης πάνω από τα υψηλότερα αναμενόμενα σημεία δρόσου. Τα οπτικά εξαρτήματα στερεάς κατάστασης όπως τα LED και οι ανιχνευτές διατηρούνται στην ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας τους (συνήθως 85°C) για να αποφευχθεί η υποβάθμιση και η ζημιά στο υγρόμετρο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη θερμική μόνωση αυτών των εξαρτημάτων από τον θερμαινόμενο θάλαμο μέτρησης.
