Široce používaným přístrojem pro měření vlhkosti vzduchu (a jiných plynů) je kondenzační vlhkoměr. Jeho principem činnosti je měření teploty, nazývané rosný bod, při které začíná kondenzace vlhkosti ze vzduchu.
Co je vlhkost vzduchu
Vlhkoměr měří obsah vlhkosti vzduchu, který může být reprezentován jako absolutní nebo relativní hodnota. První z nich udává jednoduše hmotnost vodní páry v 1 krychlovém metru. m vzduchu při dané teplotě. Ale druhý ukazuje, jak blízko je vodní pára ve vzduchu stavu nasycení, tedy dynamické rovnováze s její kapalnou fází – kdy nedochází ani k vypařování, ani ke kondenzaci. Je rovna poměru naměřené absolutní vlhkosti vzduchu k jeho absolutní vlhkosti ve stavu nasycení. Když je vodní pára ve vzduchu nasycená (opět při dané teplotě), relativní vlhkost tohoto vzduchu je 100 %. Ve vzduchu s nenasycenou vodní párou je jí tedy méně.
Jak funguje kondenzační vlhkoměr
Principem činnosti jakéhokoli zařízení pro stanovení vlhkosti vzduchu je zpravidla měření jiné veličiny, jako je teplota, tlak, hmotnost nebo mechanické a elektrické změny v látce pohlcující vlhkost. Vhodnou kalibrací a výpočtem mohou tyto naměřené hodnoty vést ke stanovení absolutní nebo relativní vlhkosti. Velmi důležitou roli v tomto procesu hraje teplota, při které dochází k nasycení par, zvaná rosný bod. Moderní elektronická zařízení pro zjišťování vlhkosti vzduchu zpravidla měří tuto teplotu nebo změny elektrické kapacity či odporu různých absorbujících látek, které se pak (automaticky) převádějí na indikátory vlhkosti.
Kondenzační vlhkoměr
Jeho práce je založena právě na měření vodní páry ve vzduchu metodou rosného bodu. Tato metoda zahrnuje ochlazení povrchu, obvykle kovového zrcadla, na teplotu, při které je voda na povrchu zrcadla v rovnováze s tlakem par vody ve vzorku plynu nad povrchem. Při této teplotě se hmotnost vody na povrchu zrcadla ani nezvětšuje (je-li povrch příliš studený), ani neklesá (je-li povrch příliš teplý), tj. pára nad zrcadlem je v dynamické rovnováze s vodním kondenzátem na zrcadlo (pára je nasycená).
Toto zrcadlo je vyrobeno z materiálu s dobrou tepelnou vodivostí (jako stříbro nebo měď) apokovené inertním kovem, jako je iridium, rubidium, nikl nebo zlato, aby se zabránilo ztmavnutí a oxidaci. Zrcadlo je chlazeno termoelektrickým chladičem (Peltierův efekt) až do vzniku kondenzátu. Paprsek světla, obvykle z polovodičové širokopásmové diody emitující světlo, je nasměrován na povrch zrcadla a fotodetektor monitoruje odražené světlo, jehož tok je maximální, když na zrcadle nedochází ke kondenzaci.
Způsob ovládání vlhkoměru dětského zrcátka
Když se na zrcadlovém povrchu zrcadla vytvoří kapky rosy, odražené světlo se rozptýlí. V tomto případě se jeho tok vstupující do fotodetektoru snižuje, což vede ke změně výstupního signálu fotodetektoru. To je zase řízeno analogovým nebo digitálním termoelektrickým řídicím systémem chladiče, který udržuje stabilní teplotu zrcadla na rosném bodu. Při správně navrženém systému je zrcadlo udržováno na teplotě, kdy je rychlost kondenzace přesně rovna rychlosti odpařování rosné vrstvy. Přesný miniaturní platinový odporový teploměr (PRT) namontovaný v zrcadle měří jeho teplotu v tomto bodě, která je automaticky převedena na hodnotu vlhkosti.
Vlhkoměr pro měření vlhkosti vzduchu uvažovaného provedení obsahuje také vývěvu pro čerpání analyzované části plynu a další filtrační prvky ve znečištěných podmínkách.
Výhody uvažovaných vlhkoměrů
Takové přístroje, založené na jednoduchém principu činnosti, se širokým rozsahem měření, vysokou přesností a stabilními hodnotami, jsou široce používány v průmyslu a vědeckém výzkumu. Typický vlhkoměr rosného bodu, na rozdíl od mnoha jiných snímačů vlhkosti, může být vyroben jako velmi stabilní, prakticky odolný proti opotřebení, což minimalizuje potřebu rekalibrace. Vlhkoměr rosného bodu je schopen měřit rosný bod v rozsahu teplot od 100 °C do minimálně -70 °C. V tomto případě je přesnost měření v desetinách stupně.
Mnoho vlhkoměrů uvažovaného provedení je vybaveno mikroprocesorovým řízením a v kombinaci s odporovým teplotním senzorem je schopno vypočítat a zobrazit na externím indikátoru libovolné požadované parametry vlhkosti kromě nebo místo rosného bodu. Tato zařízení navíc umožňují přenos výsledků pomocí bezdrátové technologie. Taková zařízení jsou přirozeně široce používána jako součást různých průmyslových systémů pro automatizovaný sběr dat a řízení příslušných technických procesů.
Kolik by takový vlhkoměr stál? Jeho cena je samozřejmě dána především sadou implementovaných funkcí v závislosti na dostupnosti a složitosti elektronického řídicího systému zařízení. Takže stacionární kondenzační vlhkoměr, který vypadá jako digitální osciloskop, stojí nejméně 4 000 $. Zvláště "pokročilé" modely mohou stát více než 10 000 $. Na trhuNajdete u nás i plně funkční přenosný vlhkoměr. Jeho cena je od 1 do 2 tisíc dolarů.
Nevýhody kondenzačních vlhkoměrů
Uvažovaný systém vlhkoměrů je sice považován za nejúčinnější v procesu měření, jeho nevýhodou je však nevyhnutelná kontaminace částí měřicí dráhy během provozu.
Vlhkoměry vybavené chlazenými zrcátky mají tendenci zvyšovat nepřesnosti měření kvůli přítomnosti rozpustných a nerozpustných nečistot usazených na zrcátku. Nerozpustné částice ovlivňují optické vlastnosti zrcadla. Mírná prašnost nebo výskyt nerozpustných částic na zrcadle vytváří koncentrační centra, na kterých se může tvořit rosa nebo námraza, čímž se prodlužuje doba odezvy zařízení. Rozpustné nečistoty ovlivňují velikost tlaku par z kondenzované vlhkosti na zrcadle, což posouvá rosný bod. Moderní měřicí vlhkoměry (alespoň jejich sofistikovanější modely) obsahují funkce „samotestu“, které umožňují zařízení detekovat kontaminaci a reagovat na ni vhodným nastavením algoritmů výpočtu vlhkosti.
Bez ohledu na tyto schopnosti je třeba prakticky všechny dotyčné vlhkoměry pravidelně kontrolovat a čistit.
Údržba chlazených zrcadlových vlhkoměrů
Co v tomto smyslu doporučuje uživatelská příručka pro uživatele zařízení. Vlhkoměr citlivý na nečistoty musí býtpravidelně čistit, aby byla zajištěna stabilita výsledků měření, i když to může zvýšit náklady na jeho údržbu. Kontrola zrcadla přístroje se obvykle provádí pomocí vestavěného mikroskopu a jeho údržba se provádí ručně po otevření měřícího prostoru.
Pokud je čištění povrchu zrcadla prováděno s frekvencí požadovanou v návodu k jeho obsluze, pak je tímto způsobem možné zachovat přesnost měření. Pohodlný přístup k zrcadlové ploše za účelem čištění obvykle zajišťuje pant mezi optickými součástmi a zrcadlem. Nyní můžete na trhu najít jakýkoli kondenzační vlhkoměr, který spotřebitel potřebuje. Níže uvedená fotografie ukazuje příklad jeho provedení.
Použití vlhkoměrů v metrologii
Správně navržený a udržovaný vlhkoměr s chlazeným zrcadlem poskytuje měření vlhkosti s řádově větší přesností než jiné oblíbené vlhkoměry. Jeho vlastní přesnost měření, zvláště když je vybavena platinovým odporovým teploměrem pro měření teploty, zrcadlem a středně výkonným mikroskopem pro sledování zrcadel, je ideální pro metrologická měření. Možnosti přenosu informací prostřednictvím bezdrátových digitálních komunikačních kanálů otevírají široké možnosti použití takových vlhkoměrů v globálních systémech pro sběr a zpracování meteorologických informací.
Použití v továrních laboratořích a kontaminovaných prostředích
Tento měřič vlhkosti vzduchu je ideální pro měření její absolutní hodnoty v továrních klimatických laboratořích. Často se používají jako reference pro kontrolu přesnosti jiných přístrojů, jako jsou senzory relativní vlhkosti používané k ovládání testovacích komor v prostředí.
Stabilita materiálů použitých při konstrukci těchto vlhkoměrů, stejně jako možnost jejich opakovaného čištění, činí přístroje vhodnými pro velmi dlouhou životnost v prostředí s většinou nečistot bez ztráty kalibrace. Tato stabilita výkonu je činí vhodnými pro použití v proudech plynů, kde vysoké hladiny kontaminantů ve vzorcích plynu nevratně poškozují méně stabilní typy snímačů vlhkosti. Tento typ vlhkoměru je například široce používán pro kontrolu rosného bodu při tepelném tvrzení povrchů kovových výrobků ve vzdušném prostředí se speciálními nečistotami. V takových případech je zvláště žádoucí poskytnout snadný přístup k zrcadlu za účelem čištění.
Výroba citlivá na vlhkost
Specializované balicí procesy požadované při výrobě léčiv, fólií, povlaků a dalších produktů jsou často monitorovány vlhkoměry s chlazeným zrcadlem. Jejich výběr je v tomto případě opět ovlivněn stabilitou přesnosti měření a dlouhou životností. Navíc, protože tyto procesy mají tendenci být méně citlivénáklady na přístroje, vysoká cena těchto vlhkoměrů není určujícím faktorem při výběru schématu monitorování vlhkosti.
Vysokoteplotní plyny a jejich rosné body
Tento typ vlhkoměru se často volí pro měření teplot rosného bodu nad okolní teplotou. Chlazené zrcadlové přístroje byly používány již v roce 1966 k monitorování vodíkových palivových článků rakety Apollo pracujících při 250 °C a 700 psi. S dnešními termoelektrickými technologiemi chlazení zrcadel lze snadno měřit rosné body až do 100 °C (a vyšší, za předpokladu tlaku nad atmosférickým tlakem). V takových případech musí mít všechny povrchy měřicí komory vlhkoměru, které jsou v kontaktu se vzorkem plynu, teplotu nad nejvyšším očekávaným rosným bodem, jinak na těchto površích dojde ke kondenzaci a měření bude chybné.
Ve vlhkoměrech určených k měření rosného bodu vysokoteplotních plynů je běžnou praxí používat termostaticky řízené elektrické ohřívače, aby se stěny měřicí komory udržely nad nejvyššími očekávanými rosnými body. Polovodičové optické komponenty, jako jsou LED diody a detektory, jsou udržovány na své nominální provozní teplotě (obvykle 85 °C), aby se zabránilo degradaci a poškození vlhkoměru. Toho lze dosáhnout tepelnou izolací těchto součástí od vyhřívané měřicí komory.
