Een veelgebruikt instrument voor het meten van de luchtvochtigheid (en andere gassen) is een condensatiehygrometer. Het werkingsprincipe is het meten van de temperatuur, het dauwpunt genoemd, waarop condensatie van vocht uit de lucht begint.
Wat is luchtvochtigheid
Een hygrometer meet het vochtgeh alte van de lucht, dat kan worden weergegeven als een absolute of relatieve waarde. De eerste geeft eenvoudig de massa waterdamp in 1 kubieke meter. m lucht bij een bepaalde temperatuur. Maar de tweede laat zien hoe dicht de waterdamp in de lucht bij een staat van verzadiging is, d.w.z. bij dynamisch evenwicht met zijn vloeibare fase - wanneer er geen verdamping of condensatie is. Het is gelijk aan de verhouding van de gemeten absolute vochtigheid van de lucht tot zijn absolute vochtigheid in de verzadigingstoestand. Wanneer de waterdamp in de lucht verzadigd is (wederom bij een bepaalde temperatuur), is de relatieve vochtigheid van die lucht 100%. In lucht met onverzadigde waterdamp is het dus minder.
Hoe een condensatiehygrometer werkt
Het werkingsprincipe van elk apparaat voor het bepalen van de vochtigheid van de lucht is in de regel het meten van een andere grootheid, zoals temperatuur, druk, massa of mechanische en elektrische veranderingen in een stof die vocht absorbeert. Door juiste kalibratie en berekening kunnen deze meetwaarden leiden tot de bepaling van absolute of relatieve vochtigheid. Een zeer belangrijke rol in dit proces wordt gespeeld door de temperatuur waarbij dampverzadiging optreedt, het zogenaamde dauwpunt. Moderne elektronische apparaten voor het bepalen van de luchtvochtigheid meten in de regel deze temperatuur of veranderingen in de elektrische capaciteit of weerstand van verschillende absorberende stoffen, die vervolgens (automatisch) worden omgezet in vochtigheidsindicatoren.
Condensatie hygrometer apparaat
Zijn werk is precies gebaseerd op de meting van waterdamp in de lucht door middel van de dauwpuntmethode. Deze methode omvat het afkoelen van een oppervlak, typisch een metalen spiegel, tot een temperatuur waarbij het water op het oppervlak van de spiegel in evenwicht is met de dampdruk van het water in het monstergas boven het oppervlak. Bij deze temperatuur neemt de watermassa op het oppervlak van de spiegel niet toe (als het oppervlak te koud is) en ook niet kleiner (als het oppervlak te warm is), d.w.z. de damp boven de spiegel is in dynamisch evenwicht met het watercondensaat op de spiegel (stoom is verzadigd).
Deze spiegel is gemaakt van een materiaal met een goede thermische geleidbaarheid (zoals zilver of koper) engeplateerd met een inert metaal zoals iridium, rubidium, nikkel of goud om aanslag en oxidatie te voorkomen. De spiegel wordt gekoeld door een thermo-elektrische koeler (Peltier-effect) tot condensaatvorming. Een lichtstraal, meestal van een solid-state breedband lichtgevende diode, wordt op een spiegeloppervlak gericht en een fotodetector bewaakt het gereflecteerde licht, waarvan de stroom maximaal is als er geen condensatie op de spiegel is.
Bedieningsmethode kinderspiegelhygrometer
Wanneer zich dauwdruppels vormen op het spiegeloppervlak van de spiegel, wordt het gereflecteerde licht verstrooid. In dit geval neemt de flux die de fotodetector binnenkomt af, wat leidt tot een verandering in het uitgangssignaal van de laatste. Dit wordt op zijn beurt geregeld door een analoog of digitaal thermo-elektrisch koelerregelsysteem dat een stabiele spiegeltemperatuur bij het dauwpunt handhaaft. Met een goed ontworpen systeem wordt de spiegel op een temperatuur gehouden waarbij de condensatiesnelheid exact gelijk is aan de verdampingssnelheid van de dauwlaag. Een nauwkeurige miniatuur platina weerstandsthermometer (PRT) gemonteerd in de spiegel meet de temperatuur op dat punt, die automatisch wordt omgezet in een vochtigheidsmeting.
De hygrometer voor het meten van de luchtvochtigheid van het overwogen ontwerp omvat ook een vacuümpomp om het geanalyseerde deel van het gas in te pompen, en extra filterelementen in vuile omstandigheden.
Voordelen van de overwogen hygrometers
Dergelijke instrumenten, gebaseerd op een eenvoudig werkingsprincipe, met een breed meetbereik, hoge nauwkeurigheid en stabiele meetwaarden, worden veel gebruikt in de industrie en in wetenschappelijk onderzoek. Een typische dauwpunthygrometer kan, in tegenstelling tot veel andere vochtigheidssensoren, zeer stabiel en vrijwel slijtvast worden gemaakt, waardoor herkalibratie tot een minimum wordt beperkt. De dauwpunt-vochtigheidshygrometer kan het dauwpunt meten in het temperatuurbereik van 100 °C tot minimaal -70 °C. In dit geval is de meetnauwkeurigheid tienden van een graad.
Veel hygrometers van het doordachte ontwerp zijn uitgerust met microprocessorbesturing en kunnen, in combinatie met een resistieve temperatuursensor, alle gewenste vochtigheidsparameters naast of in plaats van het dauwpunt berekenen en weergeven op een externe indicator. Bovendien maken deze apparaten de overdracht van resultaten mogelijk met behulp van draadloze technologie. Uiteraard worden dergelijke apparaten veel gebruikt als onderdeel van verschillende industriële systemen voor geautomatiseerde gegevensverzameling en controle van relevante technische processen.
Hoeveel zou zo'n hygrometer kosten? De prijs wordt natuurlijk voornamelijk bepaald door de reeks geïmplementeerde functies, afhankelijk van de beschikbaarheid en complexiteit van het elektronische besturingssysteem van het apparaat. Dus een stationaire condensatie-hygrometer die eruitziet als een digitale oscilloscoop kost minstens $ 4.000. Vooral "geavanceerde" modellen kunnen meer dan $ 10.000 kosten. Op de marktU kunt ook een volledig functionele draagbare hygrometer vinden. De prijs is van 1 tot 2 duizend dollar.
Nadelen van condensatie-hygrometers
Hoewel het weloverwogen systeem van hygrometers als het meest efficiënt in het meetproces wordt beschouwd, is het nadeel ervan de onvermijdelijke vervuiling van de delen van het meetpad tijdens bedrijf.
Hygrometers die zijn uitgerust met gekoelde spiegels hebben de neiging de meetonnauwkeurigheden te vergroten vanwege de aanwezigheid van oplosbare en onoplosbare verontreinigingen die op de spiegel worden afgezet. Onoplosbare deeltjes beïnvloeden de optische eigenschappen van de spiegel. Matige stoffigheid of het verschijnen van onoplosbare deeltjes op de spiegel zorgt voor concentratiecentra waarop dauw of rijp kan worden gevormd, waardoor de responstijd van het apparaat wordt verlengd. Oplosbare onzuiverheden beïnvloeden de hoeveelheid dampdruk van gecondenseerd vocht op de spiegel, waardoor het dauwpunt verschuift. Moderne hygrometers meten (althans hun meer geavanceerde modellen) bevatten "zelftest"-functies waarmee het apparaat verontreiniging kan detecteren en erop kan reageren door de juiste aanpassingen te maken aan de algoritmen voor het berekenen van de vochtigheid.
Ongeacht deze mogelijkheden, moeten vrijwel alle hygrometers in kwestie periodiek worden gecontroleerd en schoongemaakt.
Onderhoud van gekoelde spiegelhygrometers
Wat beveelt de gebruiksaanwijzing de gebruiker van het apparaat in deze zin aan. Een hygrometer die gevoelig is voor vuil moetregelmatig worden schoongemaakt om de stabiliteit van de meetresultaten te garanderen, hoewel dit de onderhoudskosten kan verhogen. Inspectie van de spiegel van het instrument wordt meestal uitgevoerd met behulp van de ingebouwde microscoop en het onderhoud wordt handmatig uitgevoerd na het openen van het meetcompartiment.
Als het reinigen van het spiegeloppervlak wordt uitgevoerd met de frequentie die is vereist in de instructies voor de werking ervan, is het op deze manier mogelijk om de nauwkeurigheid van de metingen te behouden. Gemakkelijke toegang tot het spiegeloppervlak voor reiniging wordt gewoonlijk verschaft door een scharnier tussen de optische componenten en de spiegel. U kunt nu elke condensatie-hygrometer die de consument nodig heeft op de markt vinden. De onderstaande foto toont een voorbeeld van de uitvoering ervan.
Gebruik van hygrometers in metrologie
Een goed ontworpen en onderhouden hygrometer voor gekoelde spiegels biedt vochtigheidsmetingen met een grotere nauwkeurigheid dan andere populaire vochtmeters. De inherente meetnauwkeurigheid, vooral wanneer uitgerust met een platina weerstandsthermometer voor temperatuurmeting, een spiegel en een microscoop met gemiddeld vermogen voor spiegelbewaking, maakt het ideaal voor metrologische metingen. De mogelijkheden voor het verzenden van informatie via draadloze digitale communicatiekanalen openen brede mogelijkheden voor het gebruik van dergelijke hygrometers in wereldwijde systemen voor het verzamelen en verwerken van meteorologische informatie.
Gebruik in fabriekslaboratoria en besmette omgevingen
Deze luchtvochtigheidsmeter is ideaal voor het meten van de absolute waarde in fabrieksklimaatlaboratoria. Ze worden vaak gebruikt als referentie om de nauwkeurigheid van andere instrumenten te controleren, zoals relatieve vochtigheidssensoren die worden gebruikt om omgevingstestkamers te regelen.
De stabiliteit van de materialen die zijn gebruikt bij de constructie van deze hygrometers, evenals de mogelijkheid om ze herhaaldelijk te reinigen, maken de instrumenten geschikt voor een zeer lange levensduur in omgevingen met de meeste verontreinigingen zonder verlies van kalibratie. Deze stabiliteit van prestaties maakt ze geschikt voor gebruik in gasstromen waar hoge niveaus van verontreinigingen in gasmonsters onomkeerbaar schadelijk zijn voor minder stabiele typen vochtigheidssensoren. Dit type hygrometer wordt bijvoorbeeld veel gebruikt om het dauwpunt te regelen tijdens warmteharding van de oppervlakken van metalen producten in een luchtomgeving met speciale onzuiverheden. In dergelijke gevallen is het bijzonder wenselijk om de spiegel gemakkelijk te kunnen reinigen.
Vochtgevoelige productie
Gespecialiseerde verpakkingsprocessen die nodig zijn bij de productie van geneesmiddelen, films, coatings en andere producten worden vaak gecontroleerd door hygrometers met gekoelde spiegels. Nogmaals, hun keuze wordt in dit geval beïnvloed door de stabiliteit van de meetnauwkeurigheid en de lange levensduur. Bovendien zijn deze processen doorgaans minder gevoelig voor:instrumentkosten, de hoge kosten van deze hygrometers zijn geen bepalende factor bij het kiezen van een vochtigheidsbewakingsschema.
Hoge temperatuurgassen en hun dauwpunten
Dit type hygrometer wordt vaak gekozen om dauwpunttemperaturen boven de omgevingstemperatuur te meten. Instrumenten met gekoelde spiegels werden al in 1966 gebruikt om waterstofbrandstofcellen van Apollo-raketten te monitoren die werkten bij 250 ° C en 700 psi. Met de huidige thermo-elektrische spiegelkoelingstechnologieën kunnen dauwpunten tot 100 °C (en hoger, uitgaande van drukken boven atmosferische druk) gemakkelijk worden gemeten. In dergelijke gevallen moeten alle oppervlakken van de meetkamer van de hygrometer die in contact komen met het gasmonster een temperatuur hebben die hoger is dan het hoogst verwachte dauwpunt, anders zal condensatie optreden op deze oppervlakken en zal de meting foutief zijn.
In hygrometers die zijn ontworpen om het dauwpunt van gassen met een hoge temperatuur te meten, is het gebruikelijk om thermostatisch geregelde elektrische verwarmingen te gebruiken om de wanden van de meetkamer boven de hoogst verwachte dauwpunten te houden. Optische componenten in vaste toestand, zoals LED's en detectoren, worden op hun nominale bedrijfstemperatuur (meestal 85°C) gehouden om degradatie en beschadiging van de hygrometer te voorkomen. Dit kan worden bereikt door deze componenten thermisch te isoleren van de verwarmde meetkamer.
