Ett mycket använt instrument för att mäta luftfuktigheten (och andra gaser) är en kondenshygrometer. Dess funktionsprincip är att mäta temperaturen, kallad daggpunkten, vid vilken kondensering av fukt från luften börjar.
Vad är luftfuktighet
En hygrometer mäter luftens fukth alt, vilket kan representeras som ett absolut eller relativt värde. Den första av dem ger helt enkelt massan av vattenånga i 1 kubikmeter. m luft vid en given temperatur. Men den andra visar hur nära vattenångan i luften är ett tillstånd av mättnad, det vill säga dynamisk jämvikt med dess flytande fas - när det varken förekommer avdunstning eller kondens. Det är lika med förhållandet mellan luftens uppmätta absoluta fuktighet och dess absoluta fuktighet i mättnadstillstånd. När vattenångan i luften är mättad (igen, vid en given temperatur), är den relativa luftfuktigheten 100 %. I luft med omättad vattenånga är den därför mindre.
Så fungerar en kondenshygrometer
Funktionsprincipen för alla enheter för att bestämma luftens fuktighet är som regel att mäta någon annan storhet, såsom temperatur, tryck, massa eller mekaniska och elektriska förändringar i ett ämne som absorberar fukt. Genom lämplig kalibrering och beräkning kan dessa uppmätta värden leda till bestämning av absolut eller relativ fuktighet. En mycket viktig roll i denna process spelas av temperaturen vid vilken ångmättnad inträffar, kallad daggpunkten. Som regel mäter moderna elektroniska apparater för bestämning av luftfuktighet denna temperatur eller förändringar i den elektriska kapacitansen eller resistansen hos olika absorberande ämnen, som sedan omvandlas (automatiskt) till fuktindikatorer.
Kondenshygrometerenhet
Hans arbete bygger just på mätning av vattenånga i luften med daggpunktsmetoden. Denna metod innefattar kylning av en yta, typiskt en metallspegel, till en temperatur vid vilken vattnet på spegelytan är i jämvikt med ångtrycket hos vattnet i provgasen ovanför ytan. Vid denna temperatur ökar varken vattenmassan på spegelns yta (om ytan är för kall) eller minskar (om ytan är för varm), dvs ångan ovanför spegeln är i dynamisk jämvikt med vattenkondensatet på spegeln (ångan är mättad).
Denna spegel är gjord av ett material med god värmeledningsförmåga (som silver eller koppar) ochpläterad med en inert metall som iridium, rubidium, nickel eller guld för att förhindra anlöpning och oxidation. Spegeln kyls av en termoelektrisk kylare (Peltier-effekt) tills kondensat bildas. En ljusstråle, vanligtvis från en bredbandsdiod i fast tillstånd, riktas mot en spegelyta och en fotodetektor övervakar det reflekterade ljuset, vars flöde är maxim alt när det inte finns någon kondens på spegeln.
Barnspegelhygrometerdriftsmetod
När daggdroppar bildas på spegelns spegelyta sprids det reflekterade ljuset. I detta fall minskar dess flöde som kommer in i fotodetektorn, vilket leder till en förändring i utsignalen från den senare. Detta i sin tur styrs av ett analogt eller digit alt termoelektriskt kylsystem som håller en stabil spegeltemperatur vid daggpunkten. Med ett korrekt designat system hålls spegeln vid en temperatur där kondenshastigheten är exakt lika med dagglagrets avdunstning. En exakt miniatyr platina motståndstermometer (PRT) monterad i spegeln mäter dess temperatur vid den punkten, som automatiskt omvandlas till en fuktighetsavläsning.
Hygrometern för mätning av luftfuktighet av den övervägda designen inkluderar också en vakuumpump för att pumpa in den analyserade delen av gasen och ytterligare filtreringselement under smutsiga förhållanden.
Fördelar med de övervägda hygrometrarna
Sådana instrument, baserade på en enkel funktionsprincip, med ett brett mätområde, hög noggrannhet och stabila avläsningar, används i stor utsträckning inom industri och vetenskaplig forskning. En typisk daggpunktshygrometer kan, till skillnad från många andra fuktsensorer, göras mycket stabil, praktiskt taget slitstark, vilket minimerar behovet av omkalibrering. Daggpunktsfuktighetshygrometern kan mäta daggpunkt i temperaturområdet från 100 °C till ett minimum av -70 °C. I det här fallet är mätnoggrannheten tiondelar av en grad.
Många hygrometrar av den övervägda designen är utrustade med mikroprocessorkontroll och kan i kombination med en resistiv temperatursensor beräkna och visa på en extern indikator alla önskade luftfuktighetsparametrar utöver eller istället för daggpunkten. Dessutom tillåter dessa enheter överföring av resultat med hjälp av trådlös teknik. Naturligtvis används sådana enheter i stor utsträckning som en del av olika industriella system för automatiserad datainsamling och kontroll av relevanta tekniska processer.
Hur mycket skulle en sådan här hygrometer kosta? Dess pris bestäms naturligtvis huvudsakligen av uppsättningen av implementerade funktioner, beroende på tillgängligheten och komplexiteten hos enhetens elektroniska kontrollsystem. Så en stationär kondenshygrometer som ser ut som ett digit alt oscilloskop kostar minst $4 000. Särskilt "avancerade" modeller kan kosta mer än $10 000. På marknadenDu kan också hitta en fullt fungerande bärbar hygrometer. Dess pris är från 1 till 2 tusen dollar.
Nackdelar med kondenshygrometrar
Medan det övervägda systemet med hygrometrar anses vara det mest effektiva i mätprocessen, är dess nackdel den oundvikliga kontamineringen av delarna av mätbanan under drift.
Hygrometrar utrustade med kylda speglar tenderar att öka mätonoggrannheterna på grund av närvaron av lösliga och olösliga föroreningar avsatta på spegeln. Olösliga partiklar påverkar spegelns optiska egenskaper. Måttlig dammighet eller uppkomsten av olösliga partiklar på spegeln ger koncentrationscentra där dagg eller frost kan bildas, vilket ökar anordningens svarstid. Lösliga föroreningar påverkar mängden ångtryck från kondenserad fukt på spegeln, vilket förskjuter daggpunkten. Moderna mäthygrometrar (åtminstone deras mer sofistikerade modeller) inkluderar "självtest"-funktioner som gör att enheten kan upptäcka och reagera på kontaminering genom att göra lämpliga justeringar av fuktighetsberäkningsalgoritmerna.
Oavsett dessa möjligheter måste praktiskt taget alla hygrometrar i fråga kontrolleras och rengöras med jämna mellanrum.
Underhåll av hygrometrar för kylda spegel
Vad rekommenderar bruksanvisningen till användaren av enheten i denna mening. En hygrometer som är känslig för smuts måste vararengöras regelbundet för att säkerställa stabiliteten hos mätresultaten, även om detta kan öka kostnaderna för dess underhåll. Inspektion av instrumentets spegel utförs vanligtvis med hjälp av det inbyggda mikroskopet, och dess underhåll utförs manuellt efter att mätfacket har öppnats.
Om rengöringen av spegelytan utförs med den frekvens som krävs i instruktionerna för dess användning, så är det på detta sätt möjligt att bibehålla mätnoggrannheten. Bekväm åtkomst till spegelytan för rengöring tillhandahålls vanligtvis av ett gångjärn mellan de optiska komponenterna och spegeln. Du kan nu hitta vilken kondenshygrometer som konsumenten behöver på marknaden. Bilden nedan visar ett exempel på dess utförande.
Användning av hygrometrar i metrologi
En korrekt designad och underhållen hygrometer för kyld spegel ger fuktmätningar med storleksordningar större noggrannhet än andra populära fuktmätare. Dess inneboende mätnoggrannhet, speciellt när den är utrustad med en platina-resistanstermometer för temperaturmätning, en spegel och ett medelstort mikroskop för spegelövervakning, gör den idealisk för metrologiska mätningar. Möjligheterna att överföra information via trådlösa digitala kommunikationskanaler öppnar stora möjligheter att använda sådana hygrometrar i globala system för insamling och bearbetning av meteorologisk information.
Användning i fabrikslaboratorier och förorenade miljöer
Denna luftfuktighetsmätare är idealisk för att mäta dess absoluta värde i fabrikens klimatlaboratorier. De används ofta som referenser för att kontrollera noggrannheten hos andra instrument, till exempel sensorer för relativ luftfuktighet som används för att kontrollera miljötestkammare.
Stabiliteten hos materialen som används i konstruktionen av dessa hygrometrar, liksom förmågan att rengöra dem upprepade gånger, gör instrumenten lämpliga för mycket lång livslängd i miljöer med de flesta föroreningar utan att kalibreringen går förlorad. Denna prestandastabilitet gör dem lämpliga för användning i gasströmmar där höga nivåer av föroreningar i gasprover är irreversibelt skadliga för mindre stabila typer av fuktsensorer. Till exempel används denna typ av hygrometer i stor utsträckning för att kontrollera daggpunkten under värmehärdning av ytorna på metallprodukter i en luftmiljö med speciella föroreningar. I sådana fall är det särskilt önskvärt att ge enkel åtkomst till spegeln för rengöring.
Fuktkänslig produktion
Specialiserade förpackningsprocesser som krävs vid tillverkning av läkemedel, filmer, beläggningar och andra produkter övervakas ofta av kylda spegelhygrometrar. Återigen, deras val i detta fall påverkas av stabiliteten i mätnoggrannheten och lång livslängd. Dessutom, eftersom dessa processer tenderar att vara mindre känsliga förinstrumentkostnader, är den höga kostnaden för dessa hygrometrar inte en avgörande faktor vid val av ett system för fuktövervakning.
Högtemperaturgaser och deras daggpunkter
Den här typen av hygrometer väljs ofta för att mäta daggpunktstemperaturer över omgivningstemperaturen. Kylda spegelinstrument användes så tidigt som 1966 för att övervaka Apollo-raketvätebränsleceller som arbetar vid 250°C och 700 psi. Med dagens termoelektriska spegelkylningstekniker kan daggpunkter upp till 100 °C (och högre, under antagande av tryck över atmosfärstryck) enkelt mätas. I sådana fall måste alla ytor på hygrometerns mätkammare som är i kontakt med gasprovet ha en temperatur över högsta förväntade daggpunkt, annars uppstår kondens på dessa ytor och mätningen blir felaktig.
I hygrometrar utformade för att mäta daggpunkten för högtemperaturgaser är det vanligt att använda termostatstyrda elektriska värmare för att hålla mätkammarens väggar över de högsta förväntade daggpunkterna. Solid-state optiska komponenter såsom lysdioder och detektorer hålls vid sin nominella driftstemperatur (vanligtvis 85°C) för att förhindra nedbrytning och skada på hygrometern. Detta kan uppnås genom att termiskt isolera dessa komponenter från den uppvärmda mätkammaren.
