Plačiai naudojamas prietaisas oro (ir kitų dujų) drėgmei matuoti yra kondensacinis higrometras. Jo veikimo principas – matuoti temperatūrą, vadinamą rasos tašku, nuo kurios prasideda drėgmės kondensacija iš oro.
Kas yra oro drėgmė
Higrometras matuoja oro drėgmės kiekį, kurį galima pateikti kaip absoliučią arba santykinę vertę. Pirmasis iš jų tiesiog pateikia vandens garų masę 1 kubiniame metre. m oro tam tikroje temperatūroje. Bet antrasis parodo, kaip arti vandens garai ore yra prisotinimo būsenai, t.y. dinaminei pusiausvyrai su savo skystąja faze – kai nėra nei garavimo, nei kondensacijos. Jis lygus išmatuotos absoliučios oro drėgmės ir jo absoliučios drėgmės soties būsenoje santykiui. Kai vandens garai ore yra prisotinti (vėl tam tikroje temperatūroje), santykinė to oro drėgmė yra 100%. Ore, kuriame yra nesočiųjų vandens garų, atitinkamai yra mažiau.
Kaip veikia kondensacijos higrometras
Bet kurio oro drėgmės nustatymo prietaiso veikimo principas, kaip taisyklė, yra matuoti kokį nors kitą kiekį, pvz., temperatūrą, slėgį, masę ar mechaninius bei elektrinius drėgmę sugeriančios medžiagos pokyčius.. Tinkamai kalibruojant ir skaičiuojant, šios išmatuotos vertės gali padėti nustatyti absoliučią arba santykinę drėgmę. Labai svarbų vaidmenį šiame procese atlieka temperatūra, kurioje vyksta garų prisotinimas, vadinamas rasos tašku. Paprastai šiuolaikiniai elektroniniai prietaisai oro drėgmei nustatyti matuoja šią temperatūrą arba įvairių sugeriančių medžiagų elektrinės talpos ar varžos pokyčius, kurie vėliau (automatiškai) paverčiami drėgmės indikatoriais.
Kondensato higrometro įtaisas
Jo darbas pagrįstas būtent vandens garų ore matavimu rasos taško metodu. Šis metodas apima paviršiaus, paprastai metalinio veidrodžio, aušinimą iki temperatūros, kuriai esant veidrodžio paviršiuje esantis vanduo yra pusiausvyroje su vandens garų slėgiu, esančiu mėginio dujose virš paviršiaus. Esant tokiai temperatūrai, vandens masė ant veidrodžio paviršiaus nei didėja (jei paviršius per š altas), nei mažėja (jei paviršius per šiltas), t.y. garai virš veidrodžio yra dinaminėje pusiausvyroje su vandens kondensatu. veidrodis (prisotintas garų).
Šis veidrodis pagamintas iš gero šilumos laidumo medžiagos (pvz., sidabro ar vario) irpadengtas inertiniu metalu, tokiu kaip iridis, rubidis, nikelis arba auksas, kad būtų išvengta nešvarumų ir oksidacijos. Veidrodis aušinamas termoelektriniu aušintuvu (Peltier efektas), kol susidaro kondensatas. Šviesos spindulys, dažniausiai iš kietojo plačiajuosčio šviesos diodo, nukreipiamas į veidrodžio paviršių, o fotodetektorius stebi atspindėtą šviesą, kurios srautas yra didžiausias, kai ant veidrodžio nėra kondensacijos.
Vaiko veidrodėlio higrometro veikimo būdas
Kai ant veidrodinio veidrodžio paviršiaus susidaro rasos lašeliai, atsispindėjusi šviesa išsisklaido. Tokiu atveju sumažėja jo srautas, patenkantis į fotodetektorių, o tai lemia pastarojo išėjimo signalo pasikeitimą. Tai savo ruožtu valdoma analogine arba skaitmenine termoelektrinio aušintuvo valdymo sistema, kuri palaiko stabilią veidrodžio temperatūrą rasos taške. Naudojant tinkamai suprojektuotą sistemą, veidrodyje palaikoma tokia temperatūra, kurioje kondensacijos greitis yra tiksliai lygus rasos sluoksnio išgaravimo greičiui. Tikslus miniatiūrinis platinos atsparumo termometras (PRT), sumontuotas veidrodyje, matuoja jo temperatūrą toje vietoje, kuri automatiškai paverčiama drėgmės rodmeniu.
Nagrinėjamos konstrukcijos higrometras, skirtas oro drėgmei matuoti, taip pat apima vakuuminį siurblį, kuris siurbia analizuojamą dujų dalį, ir papildomus filtravimo elementus nešvariomis sąlygomis.
Aptariamų higrometrų privalumai
Tokie prietaisai, pagrįsti paprastu veikimo principu, pasižymintys plačiu matavimo diapazonu, dideliu tikslumu ir stabiliais rodmenimis, plačiai naudojami pramonėje ir moksliniuose tyrimuose. Įprastas rasos taško higrometras, priešingai nei daugelis kitų drėgmės jutiklių, gali būti labai stabilus, praktiškai atsparus dilimui, sumažinant pakartotinio kalibravimo poreikį. Rasos taško drėgmės higrometras gali išmatuoti rasos tašką temperatūros diapazone nuo 100 °C iki mažiausiai -70 °C. Šiuo atveju matavimo tikslumas yra dešimtosios laipsnio.
Daugelis nagrinėjamos konstrukcijos higrometrų turi mikroprocesorinį valdymą ir kartu su varžiniu temperatūros jutikliu gali apskaičiuoti ir išoriniame indikatoriuje rodyti bet kokius norimus drėgmės parametrus be rasos taško arba vietoj jo. Be to, šie įrenginiai leidžia perduoti rezultatus naudojant belaidę technologiją. Natūralu, kad tokie įrenginiai plačiai naudojami kaip įvairių pramoninių sistemų dalis, skirta automatizuotam duomenų rinkimui ir atitinkamų techninių procesų valdymui.
Kiek kainuotų toks higrometras? Jo kainą, žinoma, daugiausia lemia įdiegtų funkcijų rinkinys, priklausomai nuo įrenginio elektroninės valdymo sistemos prieinamumo ir sudėtingumo. Taigi, stacionarus kondensacinis higrometras, kuris atrodo kaip skaitmeninis osciloskopas, kainuoja mažiausiai 4000 USD. Ypač „pažangūs“modeliai gali kainuoti daugiau nei 10 000 USD. RinkojeTaip pat galite rasti visiškai funkcionalų nešiojamąjį higrometrą. Jo kaina yra nuo 1 iki 2 tūkstančių dolerių.
Kondensacinių higrometrų trūkumai
Nors ši higrometrų sistema laikoma efektyviausia matavimo procese, jos trūkumas yra neišvengiamas matavimo tako dalių užteršimas veikimo metu.
Higrometrai su atšaldytais veidrodžiais dažniausiai padidina matavimo netikslumus dėl ant veidrodžio nusėdusių tirpių ir netirpių teršalų. Netirpios dalelės turi įtakos optinėms veidrodžio savybėms. Vidutinis dulkėtumas arba netirpių dalelių atsiradimas ant veidrodžio sukuria koncentracijos centrus, ant kurių gali susidaryti rasa arba šerkšnas, taip padidinant prietaiso reakcijos laiką. Tirpios priemaišos turi įtakos garų slėgiui dėl kondensuotos drėgmės ant veidrodžio, o tai keičia rasos tašką. Šiuolaikiniai matavimo higrometrai (bent jau sudėtingesni jų modeliai) turi „savitikros“funkcijas, leidžiančias įrenginiui aptikti užterštumą ir reaguoti į jį, atitinkamai pakoreguojant drėgmės skaičiavimo algoritmus.
Neatsižvelgiant į šias galimybes, beveik visus atitinkamus higrometrus reikia periodiškai tikrinti ir valyti.
Atšaldytų veidrodinių higrometrų priežiūra
Ką šiuo požiūriu įrenginio naudotojui rekomenduoja naudojimo instrukcija. Higrometras turi būti jautrus nešvarumamsperiodiškai valomas, kad būtų užtikrintas matavimo rezultatų stabilumas, nors tai gali padidinti jo priežiūros išlaidas. Prietaiso veidrodžio apžiūra dažniausiai atliekama naudojant įmontuotą mikroskopą, o jo priežiūra atliekama rankiniu būdu atidarius matavimo skyrių.
Jei veidrodžio paviršiaus valymas atliekamas jo veikimo instrukcijoje nurodytu dažnumu, tai tokiu būdu galima išlaikyti matavimų tikslumą. Patogų priėjimą prie veidrodžio paviršiaus valymui dažniausiai užtikrina vyriai tarp optinių komponentų ir veidrodžio. Dabar rinkoje galite rasti bet kokį vartotojui reikalingą kondensato higrometrą. Žemiau esančioje nuotraukoje parodytas jo vykdymo pavyzdys.
Higrometrų naudojimas metrologijoje
Tinkamai suprojektuotas ir prižiūrimas vėsinamasis veidrodinis higrometras leidžia matuoti drėgmę daug didesniu tikslumu nei kiti populiarūs drėgmės matuokliai. Jam būdingas matavimo tikslumas, ypač kai yra platininis atsparumo termometras temperatūrai matuoti, veidrodis ir vidutinio galingumo mikroskopas veidrodžiui stebėti, todėl idealiai tinka metrologiniams matavimams. Informacijos perdavimo belaidžiais skaitmeniniais ryšio kanalais galimybės atveria plačias galimybes naudoti tokius higrometrus pasaulinėse meteorologinės informacijos rinkimo ir apdorojimo sistemose.
Naudoti gamyklose laboratorijose ir užterštoje aplinkoje
Šis oro drėgmės matuoklis idealiai tinka jo absoliučiai vertei matuoti gamyklinėse klimato laboratorijose. Jie dažnai naudojami kaip nuorodos kitų prietaisų, pvz., santykinės drėgmės jutiklių, naudojamų aplinkos bandymo kameroms valdyti, tikslumui valdyti.
Dėl šių higrometrų konstrukcijoje naudojamų medžiagų stabilumo, taip pat galimybės pakartotinai juos valyti, prietaisai tinka labai ilgai tarnauti aplinkoje, kurioje yra daugiausia teršalų, neprarandant kalibravimo. Dėl tokio veikimo stabilumo jie tinkami naudoti dujų srautuose, kur didelis teršalų kiekis dujų mėginiuose negrįžtamai kenkia mažiau stabiliems drėgmės jutiklių tipams. Pavyzdžiui, tokio tipo higrometrai plačiai naudojami rasos taškui kontroliuoti metalo gaminių paviršių šiluminio grūdinimo metu oro aplinkoje su specialiomis priemaišomis. Tokiais atvejais ypač pageidautina lengvai prieiti prie veidrodžio valymui.
Drėgmei jautri gamyba
Specialūs pakavimo procesai, reikalingi vaistų, plėvelių, dangų ir kitų produktų gamyboje, dažnai stebimi atšaldytais veidrodiniais higrometrais. Vėlgi, jų pasirinkimui šiuo atveju įtakos turi matavimo tikslumo stabilumas ir ilgas tarnavimo laikas. Be to, kadangi šie procesai yra mažiau jautrūsprietaiso sąnaudos, didelė šių higrometrų kaina nėra lemiamas veiksnys renkantis drėgmės stebėjimo schemą.
Aukštos temperatūros dujos ir jų rasos taškai
Šis higrometro tipas dažnai pasirenkamas rasos taško temperatūrai, aukštesnei už aplinkos temperatūrą, matuoti. Atšaldyti veidrodiniai instrumentai buvo naudojami jau 1966 m., siekiant stebėti Apollo raketų vandenilio kuro elementus, veikiančius 250 °C temperatūroje ir 700 psi. Naudojant šiuolaikines termoelektrinio veidrodžio aušinimo technologijas, rasos taškai iki 100 °C (ir aukštesni, darant prielaidą, kad slėgis viršija atmosferos slėgį) yra lengvai išmatuojami. Tokiais atvejais visų higrometro matavimo kameros paviršių, kurie liečiasi su dujų mėginiu, temperatūra turi būti aukštesnė už didžiausią numatomą rasos tašką, kitaip ant šių paviršių susidarys kondensatas ir matavimas bus klaidingas.
Higrometruose, skirtuose matuoti aukštos temperatūros dujų rasos tašką, įprasta naudoti termostatu valdomus elektrinius šildytuvus, kad matavimo kameros sienelės būtų virš didžiausių numatomų rasos taškų. Kietojo kūno optiniai komponentai, tokie kaip šviesos diodai ir detektoriai, palaikomi jų vardinėje darbinėje temperatūroje (paprastai 85 °C), kad būtų išvengta drėgmės matuoklio degradacijos ir sugadinimo. Tai galima pasiekti termiškai izoliuojant šiuos komponentus nuo šildomos matavimo kameros.
