تحليل مزايا وعيوب طرق قياس نقطة الندى المختلفة للرطوبة

مبدأ الاختبار

يمكن تقسيم أجهزة قياس الرطوبة إلى أنواع متعددة، منها: جهاز قياس الرطوبة بالمرآة الباردة، وجهاز قياس الرطوبة بالتحليل الكهربائي، وجهاز قياس الرطوبة بالسعة الكهربائية (Al2O3)، وجهاز قياس الرطوبة بالغشاء الرقيق، وجهاز قياس الرطوبة بالمقاومة الكهربائية، وجهاز قياس الرطوبة بالكرة الجافة والرطبة، والجهاز الميكانيكي. يُستخدم جهاز قياس الرطوبة بالتحليل الكهربائي الدقيق وجهاز قياس الرطوبة بالسعة الكهربائية (Al2O3) لقياس الرطوبة المنخفضة، بينما يُستخدم جهاز قياس الرطوبة بالمقاومة الكهربائية، وجهاز قياس الرطوبة بالغشاء الرقيق، والجهاز الميكانيكي لقياس الرطوبة النسبية فقط. أما جهاز قياس الرطوبة بالمرآة الباردة وجهاز قياس الرطوبة بالغشاء الرقيق (براءة اختراع فايسالا)، فيُستخدم لقياس الرطوبة المنخفضة والمتوسطة والعالية، أي الرطوبة النسبية. لكل نوع من هذه الأجهزة مزايا وعيوب. يُعد جهاز قياس الرطوبة بالمرآة الباردة الأكثر دقة وموثوقية، وهو أبسط طرق القياس وأكثرها استخدامًا في أنظمة النقل القياسية، إلا أن عيبه ارتفاع سعره نسبيًا، وحاجته إلى خبرة في التشغيل والصيانة.

1.1

مقياس نقطة الندى ذو المرآة الباردة

1.1.1

مبدأ القياس

عند دخول الرطوبة المقاسة إلى حجرة قياس نقطة الندى، يتم مسح سطح المرآة البارد. عندما تتجاوز درجة حرارة سطح المرآة درجة حرارة نقطة ندى الرطوبة، يكون سطح المرآة جافًا. في هذه الحالة، ينعكس الضوء المنبعث من مصدر الضوء في جهاز التعريض الكهروضوئي تقريبًا على سطح المرآة، فيستشعر المستشعر الكهروضوئي الإشارة ويرسلها، ثم تقوم دائرة التحكم بمقارنة الإشارة وتضخيمها وتشغيل المضخة الكهروحرارية لتبريد سطح المرآة. عندما تنخفض درجة حرارة سطح المرآة إلى درجة حرارة نقطة ندى الرطوبة، يبدأ السطح بالتكثف (الصقيع)، ويظهر انعكاس الضوء بشكل منتشر على سطح المرآة، فتضعف إشارة الانعكاس الناتجة عن المستشعر الكهروضوئي، وتقوم دائرة التحكم بمقارنة هذا التغير وتضخيمه، ثم يتم ضبط المضخة الكهروحرارية لتقليل طاقة التبريد بشكل مناسب، وأخيرًا، يتم الحفاظ على درجة حرارة سطح المرآة عند درجة حرارة نقطة ندى غاز العينة. يتم قياس درجة حرارة المرآة بواسطة مستشعر درجة حرارة مقاوم للبلاتين موجود بالقرب من الجزء السفلي من سطح المرآة الباردة ويتم عرضه على نافذة العرض.

في الوقت الحاضر، تعتمد جميع الشركات العالمية التي تنتج مقياس نقطة الندى بالمرآة الباردة، مثل GE و Edgetech و MBW السويسرية وغيرها، على هذا المبدأ، وتعتمد شركة MICHELL البريطانية نظام الكشف ذي المسار البصري المزدوج، أي يتم الكشف عن الضوء المنعكس والضوء المتناثر في نفس الوقت، وتستخدم شركة Vaisala الفنلندية الموجات الصوتية كنظام للكشف.

أثناء عملية القياس، يقترب بخار الماء في الغاز المقاس من حالة التشبع مع انخفاض درجة الحرارة. وبسبب تأثير الجاذبية، تلتصق جزيئات الماء بسطح المرآة لتشكل طبقة رقيقة من الماء. هذه هي المرحلة الأولى من تكوّن الندى. ومع استمرار انخفاض درجة حرارة المرآة، يزداد سمك طبقة الماء تدريجيًا، وهي المرحلة الثانية من تكوّن الندى. في هذه المرحلة، يتغير تباين القوى بين قوة جاذبية جزيئات الماء والتوتر السطحي لطبقة الماء، ويطغى تأثير الأخير تدريجيًا. في هذه المرحلة، أي عوامل غير مستقرة على سطح التبريد، مثل ندبة صغيرة على سطح المرآة، ستؤدي إلى تكثف طبقة الماء إلى قطرات. ومع استمرار انخفاض درجة حرارة المرآة، تبدأ قطرات الندى بالظهور. ومن خلال المجهر، يمكننا رؤية نمو قطرات الندى بشكل منفصل وتوزيعها غير المنتظم، ثم تنتشر طبقة الندى على السطح بسرعة كبيرة. في هذا الوقت، يمكننا أن نعتقد أن التوازن بين السائل والبخار يبدأ، أي الوصول إلى نقطة الندى.

1.1.2

بناء

1.1.2.1

مرآة

يجب أن تكون المرآة طاردة للماء، وذات موصلية حرارية جيدة، ومقاومة للتآكل، ومقاومة للصدأ، وذات أداء بصري ممتاز. في الماضي، كان الذهب يُستخدم كمرآة، أما الآن فيُستخدم الروديوم.

1.1.2.2

تبريد المرآة

في الماضي، استُخدمت تقنيات تبريد متنوعة، منها تبخير الإيثر الإيثيليني، والتبريد الميكانيكي، والتبريد بالغاز المسال أو الثلج الجاف، والتبريد بالهواء المضغوط. أما التقنية الأكثر شيوعًا فهي التبريد الكهروحراري، أو التبريد الكهروحراري المدمج مع التبريد الميكانيكي (نقطة الندى أقل من -60 درجة مئوية). في هذه الورقة، سنركز على التبريد الكهروحراري.

التبريد الكهروحراري، المعروف أيضًا باسم تبريد أشباه الموصلات، هو نوع من أنواع تبريد بلتييه (Peltier). يعتمد مبدأ عمله على انتقال الحرارة من معدن إلى آخر عند مرور تيار مستمر عبر عنصر بلتييه، وهو عكس قياس درجة الحرارة باستخدام المزدوجة الحرارية. لذا، عند توصيل الطرف البارد للعنصر بالمرآة واستخدام الطرف الآخر لتبديد الحرارة، يمكن تبريد المرآة. وللحصول على درجات حرارة منخفضة مختلفة، يمكن استخدام طريقة التراكب متعدد المستويات. وتشير بيانات شركة جنرال إلكتريك الأمريكية إلى أنه، بشكل عام، عند درجة حرارة الغرفة 25 درجة مئوية، يمكن أن يصل فرق درجة الحرارة بين طرفي العنصر البارد إلى 55 درجة مئوية، و75 درجة مئوية، و105 درجة مئوية، و120 درجة مئوية عند استخدام التبريد الخامس. تختلف قدرة التبريد بين الشركات اختلافًا طفيفًا. فكلما ارتفعت درجة الحرارة عند الطرف الساخن، زادت كفاءة التبريد، وازداد فرق درجة الحرارة عند هذا الطرف. ولخفض درجة حرارة الطرف البارد، تُستخدم عادةً وسائل التبريد الهوائي والمائي والميكانيكي. إلا أنه لا يمكن خفض درجة الحرارة إلى ما لا نهاية. ومن المهم ملاحظة أن قدرة التبريد لا تمثل نطاق قياس مقياس الرطوبة بنقطة الندى. يُعرَّف نطاق قياس مقياس الرطوبة بنقطة الندى بأنه النطاق الذي يمكن فيه قياس درجة حرارة سطح المرآة، وذلك عندما يكون لطبقة الندى أو الصقيع سمك معين. لذا، في ظل نقطة الندى/الصقيع العادية، يكون نطاق قياس مقياس الرطوبة بنقطة الندى أعلى من قدرته على التبريد بمقدار 5 درجات مئوية، بينما يكون أعلى بمقدار 10 إلى 12 درجة مئوية في ظل نقطة الصقيع المنخفضة. على سبيل المثال، جهاز قياس نقطة الندى DP19، من إنتاج شركة MBW السويسرية، يصل أدنى نطاق قياس له إلى -60 درجة مئوية عند درجة حرارة الغرفة 10 درجات مئوية، وإلى -55 درجة مئوية عند 20 درجة مئوية، وإلى -45 درجة مئوية عند 35 درجة مئوية. ونظرًا للتوصيل الحراري العالي للهيدروجين والهيليوم، ينخفض ​​نطاق القياس عدة درجات. كما ينخفض ​​نطاق القياس أيضًا مع ازدياد ضغط الغاز المقاس. أما بالنسبة للهواء والنيتروجين، ففي ظل ضغط أعلى من الضغط الجوي الطبيعي، ينخفض ​​نطاق القياس بمقدار 0.67 درجة مئوية لكل زيادة في الضغط الجوي.

1.1.2.3

جهاز قياس درجة الحرارة

تُستخدم حاليًا معظم مقاومات البلاتين ذات الأربعة أسلاك لقياس درجة الحرارة. وتقترب قيمة المقاومة ودرجة حرارة عنصر استشعار درجة الحرارة المصنوع من مقاومة البلاتين من العلاقة الخطية ضمن نطاق واسع نسبيًا من درجات الحرارة، كما يتميز بدقة عالية، واستقرار جيد، وإشارة خرج قوية، وعرض رقمي سهل الاستخدام.

1.1.2.4

نظام الكشف

في الوقت الحالي، باستثناء مقياس نقطة الندى ذي المرآة الباردة الذي طورته مؤخرًا شركة فايسالا الفنلندية، والذي يعتمد على مبدأ الموجات الصوتية للقياس، تستخدم جميع المقاييس الأخرى كاشفًا كهروضوئيًا للقياس والتحكم. وقد استُخدمت تقنية الكشف الكهروضوئي لعقود عديدة، وهي تقنية ناضجة. لكن عيبها يكمن في عدم قدرتها على التمييز بين الماء فائق التبريد والصقيع.

1.1.3

احتياطات الاستخدام

1.1.3.1

الماء فائق التبريد والصقيع

في نطاق درجات الحرارة من 0 إلى 20 درجة مئوية، يتشكل الماء فائق التبريد بسهولة على سطح المرآة. ونظرًا لاختلاف ضغط بخار الماء المشبع على سطح الجليد عن ضغطه على سطح الماء، فإن قيمة الماء فائق التبريد المتشكل على سطح المرآة تكون أقل من نقطة التجمد، وبالتالي تختلف درجة الحرارة. على سبيل المثال، عندما تكون نقطة التجمد -10 درجات مئوية، تكون درجة حرارة الماء فائق التبريد المقابلة -11.23 درجة مئوية. لذا، يجب توخي الحذر الشديد عند هذه الدرجة. إذا كان الجهاز مزودًا بمنظار داخلي، فيمكن ملاحظة ذلك وتمييزه. حاليًا، تحتوي معظم الأجهزة على وظيفة اختبار، أي اختبار الحد الأدنى لقدرتها على التبريد. في هذه الحالة، يمكننا استخدام وظيفة الاختبار لخفض درجة حرارة المرآة إلى أقل من -20 درجة مئوية، والتأكد من تشكل الصقيع عليها، ثم إجراء القياس الرسمي.

1.1.3.2

تأثير كلفن

يختلف ضغط بخار الماء المشبع على السطح عن ضغطه على السطح المستوي. عند تعريض الماء لسطح معدني، يزداد ضغط بخار الماء المتوازن، أي ضغط بخار الماء المشبع على سطح الماء المنحني، نتيجةً لتأثير التوتر السطحي، المعروف بتأثير كلفن. وبسبب تأثير كلفن، تكون درجة حرارة نقطة الندى المُقاسة أقل من درجة حرارة نقطة الندى للغاز الحقيقي المقاس.

1.1.3.2

تأثير راؤول

يعني هذا أن ضغط بخار الماء عند الاتزان في النظام يكون أقل من ضغط بخار الماء المشبع للماء النقي عند وجود مادة قابلة للذوبان في الماء على سطح المرآة. قد تكون هذه المواد القابلة للذوبان في الماء جزءًا لا يتجزأ من المرآة أو موجودة في الغاز المقاس. ووفقًا لقانون راؤول، فإن انخفاض ضغط بخار الماء عند الاتزان يتناسب طرديًا مع تركيز المحلول، وهو ما يفسر حدوث التكثيف مبكرًا قبل الوصول إلى درجة حرارة نقطة الندى للغاز المقاس.

يُعد تأثير كلفن عكس تأثير راؤول، لذا فهو يُقلل من تأثير كلفن جزئيًا. مع ذلك، في قياس نقطة الندى، يكون تأثير راؤول أكثر أهمية من تأثير كلفن، نظرًا لوجود مواد قابلة للذوبان في الماء حتمًا بدرجات متفاوتة في المرآة والغاز المقاس، وقد تتفاعل الشوائب الموجودة في الغاز أحيانًا كيميائيًا أو ضوئيًا مع المواد غير القابلة للذوبان في الماء على المرآة، مُحوّلةً إياها إلى مواد قابلة للذوبان. يبرز هذا الأمر بشكل أوضح في قياس رطوبة غازات العمليات الصناعية. لذلك، من الضروري إزالة الجسيمات الصلبة من الغاز باستخدام جهاز ترشيح مناسب، ثم إزالة المواد القابلة للذوبان المتبقية على سطح المرآة من خلال عمليات تكثيف وإزالة الندى المتكررة، وهذه الطريقة شائعة الاستخدام.

في العمل العملي، نلاحظ غالبًا عدم انتظام سطح المرآة عند بدء تعرضها للرطوبة، حيث تظهر طبقة من الرطوبة في مناطق محددة. ويعود السبب في ذلك غالبًا إلى الخدوش الموجودة على المرآة، ففي هذه المناطق المعيبة، يصعب إزالة بقايا المادة، كما أن عيوب الزوايا تُشكل "مركزًا مكشوفًا" يُسرّع عملية التعرض للرطوبة. لذا، عند استخدام مقياس نقطة الندى، وخاصة عند تنظيف المرآة، يجب توخي الحذر لتجنب أي تلف ميكانيكي لها.

1.1.3.3

تلوث المرآة

أحدها هو تأثير راؤول، والآخر هو تغيير مستوى تشتت الخلفية المرآوية. ينتج تأثير راؤول بشكل رئيسي عن المواد القابلة للذوبان في الماء. إذا كانت المادة الموجودة في الغاز المقاس (عادةً أملاح قابلة للذوبان)، فإن المرآة ستتكثف عليها الرطوبة مسبقًا، مما يؤدي إلى انحراف موجب في نتائج القياس. أما إذا كانت الملوثات غير قابلة للذوبان في جزيئات الماء، مثل الغبار، فسيزداد مستوى تشتت الخلفية، وبالتالي ينحرف مقياس نقطة الندى الكهروضوئي عن الصفر.

1.1.3.4

قناة أخذ العينات

نظراً لارتفاع نسبة الرطوبة في الغلاف الجوي، وكون جزيئات الماء قطبية، يسهل امتصاصها على الجدار الداخلي للأنبوب أو عبره. لذا، يجب إحكام إغلاق نظام مسار الغاز جيداً أثناء القياس، بحيث لا يقل سمك جدار الأنبوب عن 1 مم، لمنع تسرب الماء من البيئة الخارجية. وفي حال حدوث تغيرات كبيرة في درجة حرارة بيئة القياس، يجب إعادة فحص إحكام إغلاق الأنبوب.

إذا تم تصريف الغاز المقاس مباشرةً إلى الغلاف الجوي، فيجب مراعاة مشكلة تسرب الماء إلى نظام القياس. الطريقة الأكثر شيوعًا هي توصيل أنبوب بطول مناسب بمنفذ العادم. ويُحدد طول الأنبوب وقطره بناءً على مبدأ عدم التأثير على ضغط حجرة القياس.

ينبغي أن يكون خط أنابيب أخذ العينات قصيرًا قدر الإمكان، وينبغي تقليل عدد الوصلات وتجنب "المساحة الميتة" لتقليل تداخل المياه الخلفية.

خط أنابيب أخذ العينات وجدار تجويف القياس نظيفان، وسطحهما أملس، وقد تم اختيار مادة كارهة للماء. يوضح الشكل 2-2 منحنى زمن الإزالة لمواد مختلفة عند تعريضها لغاز جاف في حالة التشبع بالامتزاز. من النتائج التجريبية، يمكننا استنتاج الترتيب التالي لاختيار المواد: الفولاذ المقاوم للصدأ، والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، والنحاس، والبولي إيثيلين، والأسوأ من ذلك، أنابيب النايلون والمطاط، والتي لا يُنصح باستخدامها في قياسات نقطة التجمد المنخفضة. إضافةً إلى ذلك، يبلغ القطر الخارجي للأنبوب 6 مم أو 1/4 بوصة، على الرغم من استخدام أنبوب داخلي مصقول من الفولاذ المقاوم للصدأ في قياس نقطة التجمد المنخفضة.

عند قياس نقطة الندى العالية، يجب أن ننتبه إلى أن نقطة الندى أقل من درجة الحرارة المحيطة البالغة 3 درجات مئوية لتجنب تكثف بخار الماء في الأنابيب.

عند قياس الرطوبة باستخدام مقياس الرطوبة بنقطة الندى، يتراوح معدل التدفق بين 0.25 لتر/دقيقة و1 لتر/دقيقة. وفي هذا النطاق، لا يؤثر تغير سرعة التدفق على نتائج القياس.

يمكن تقسيم عملية أخذ العينات إلى نوعين: الأول هو أخذ العينات بالضغط، والذي ينقسم بدوره، وفقًا لطرق أخذ العينات المختلفة، إلى قياس الضغط وقياس الضغط الجوي. انظر الشكلين 2-3 و2-4 على التوالي. أما النوع الثاني فهو القياس عند الضغط الجوي، أي أخذ العينة بواسطة مضخة. في هذه الحالة، غالبًا ما ينتج عن اختلاف طرق أخذ العينات ضغط موجب أو سالب اصطناعي. فإذا تم أخذ العينات بالطريقة الموضحة في الشكل 2-5، وقيس مقياس نقطة الندى تحت ضغط، فسيؤدي ذلك إلى خطأ موجب في نتائج القياس. أما إذا تم تبديل موضع المضخة ومقياس التدفق، وأصبح مقياس نقطة الندى تحت ضغط سالب، فسيؤدي ذلك إلى خطأ سالب في القياس. يوضح الشكل 2-6 طريقة أخذ العينات الصحيحة.

1.1.4

طلب

يتميز مقياس الرطوبة بنقطة الندى بنطاق قياس واسع. حاليًا، يصل نطاق قياس سلسلة من مقاييس الرطوبة بنقطة الندى التي طورتها شركة MBW السويسرية إلى -95 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية، مما يلبي معظم متطلبات القياس.

1.1.5

الإيجابيات والسلبيات

المزايا: قياس أساسي ودقيق، والجهاز مستقر وخالٍ من الانحراف. تصل دقة الجهاز إلى ±0.1 درجة مئوية.

العيوب: سعر مرتفع، متطلبات عالية للمشغلين، وحاجة إلى صيانة دورية. حساس للملوثات. قد توجد أحيانًا مياه فائقة التبريد في نطاق -20 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية، لذا يجب توخي الحذر الشديد للتمييز بين المياه فائقة التبريد والصقيع.

1.2

مقياس مياه دقيق للتحليل الكهربائي للامتصاص الكامل

1.2.1

مبدأ القياس

عن طريق أخذ عينات مستمرة، تتدفق عينة الغاز عبر خلية تحليل كهربائي ذات بنية خاصة، حيث تمتص طبقة خماسي أكسيد الفوسفور الرطوبة كعامل مسترطب، ثم تُفرغ بالتحليل الكهربائي إلى هيدروجين وأكسجين، ويُعاد توليد خماسي أكسيد الفوسفور. ويمكن التعبير عن عملية التفاعل كما يلي:

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

بدمج (1) و(2)، نحصل على:

2H2O=2H2+O2 

عندما يتوازن الامتصاص والتحليل الكهربائي، يمتص غشاء خماسي أكسيد الفوسفور الماء الداخل إلى خلية التحليل الكهربائي، ويخضع للتحليل الكهربائي. إذا عُرفت درجة الحرارة المحيطة والضغط المحيط ومعدل تدفق الغاز، يُمكن استنتاج العلاقة بين تيار التحليل الكهربائي للماء ومحتوى الماء في عينة الغاز وفقًا لقانون فاراداي للتحليل الكهربائي وقانون الغازات.

في الصيغة:

التيار الإلكتروليتي للماء، ميكرو أمبير؛

محتوى الماء في عينة الغاز، ميكرولتر/لتر (أي نسبة الحجم)

معدل تدفق الغاز، مل/دقيقة

الضغط البيئي، باسكال؛

درجة الحرارة المطلقة للبيئة، k؛

كما يتضح من الصيغة أعلاه، تتناسب شدة التيار الكهربائي طرديًا مع محتوى الماء في عينة الغاز، لذا يمكن قياس محتوى الماء في عينة الغاز بقياس التيار الكهربائي للماء. في ظل ظروف الضغط الجوي القياسي ودرجة حرارة 20 درجة مئوية، يتدفق غاز مثالي عبر الخلية الإلكتروليتية بمعدل تدفق 100 مل/دقيقة. عندما يكون محتوى الماء في عينة الغاز 1 ميكرولتر/لتر (جزء في المليون حجميًا)، يُحسب التيار الكهربائي من الصيغة بقيمة 13.4 ميكروأمبير. عادةً ما تستخدم هذه الأجهزة وحدة جزء في المليون حجميًا، ويمكنها قراءة قيمة جزء في المليون حجميًا لمحتوى الرطوبة في عينة الغاز مباشرةً.

بسبب التأثير التحفيزي لقطب البلاتين، يُعد تفاعل التحليل الكهربائي للماء عمليةً عكسية. لذا، عندما تكون عينة الغاز المقاسة هيدروجينًا أو أكسجينًا أو تحتوي على كمية كافية من كليهما، يميل التوازن نحو اليسار، حيث يتحد الهيدروجين والأكسجين الناتجين عن التحليل الكهربائي لتكوين الماء، ثم يحدث تحليل كهربائي ثانوي، مما يؤدي إلى ارتفاع قيمة تيار التحليل الكهربائي الكلي، أي "تأثير الهيدروجين" و"تأثير الأكسجين"، أو "التأثير المركب". تُظهر التجربة أن قراءة هذا النوع من الغاز تكون أعلى بمقدار يتراوح بين بضعة أجزاء في المليون (ppmv) عند استخدام الجهاز لقياس محتوى الماء فيه، إلا أن انحراف تركيز التفاعل يقع ضمن القيمة الأساسية، لذا يمكن استبعاده.

1.2.2 

بناء

يتكون الجهاز من جزأين: نظام مسار الغاز والدائرة الكهربائية، ويشمل نظام مسار الغاز بشكل أساسي خلية التحليل الكهربائي وجزء التحكم في مسار الغاز.

1.2.2.1

بطارية

في الأنبوب الزجاجي، يُلف قطبان كهربائيان من البلاتين بشكل حلزوني مزدوج، ويُغطى ما بينهما بطبقة متجانسة من خامس أكسيد الفوسفور كمادة ماصة للرطوبة. في ظل ظروف القياس المحددة، يضمن الهيكل الحلزوني الداخلي امتصاص وتحليل جميع المياه الداخلة إلى الحوض. يُساعد جدار الحوض الزجاجي على تغطية السطح بطبقة متجانسة من خامس أكسيد الفوسفور. ولأن البلاتين قادر على توليد الهيدروجين والأكسجين، وخاصة الغازات الغنية بالهيدروجين، التي تتفاعل بدورها لتوليد الماء، فقد لجأت بعض الشركات إلى استخدام الروديوم بدلاً من البلاتين.

بالنسبة لطلاء خماسي أكسيد الفوسفور الجاف، عند إدخال عينة غاز "جافة تمامًا" وتطبيق جهد تيار مستمر مناسب على القطب، يتولد تيار خلفي صغير في الدائرة. يرتبط هذا التيار الخلفي فقط ببنية الخلية، وحالة الطلاء، ودرجة الحرارة، ونوع العينة، وليس بمحتوى الماء فيها. ولأن قيمة التيار الخلفي تُضاف دائمًا إلى التيار التحليلي للرطوبة الموجودة في عينة الغاز، يجب طرح محتوى الرطوبة الحقيقي للوسط من قراءة الجهاز عند القياس.

1.2.2.2

نظام التحكم الهوائي

يتكون النظام الهوائي من صمام تحكم، وخلايا إلكتروليتية، وصمام تنظيم التدفق، ومقياس التدفق، ومجفف. ويتم التحكم في مسار تدفق الهواء بواسطة صمام التحكم.

1.2.3 

احتياطات الاستخدام

من خلال الصيغة، نستنتج أن نتائج القياس، أي رطوبة الغاز (ميكرولتر/لتر أو جزء في المليون)، تُحسب بناءً على تدفق الغاز والتيار الكهربائي، لذا يجب التحكم بدقة في تدفق الغاز وقياسه. يستخدم هذا النوع من الأجهزة عادةً مقياس التدفق العائم، ويتم معايرته عند درجة حرارة 20 درجة مئوية وضغط جوي واحد. إذا لم تكن ظروف الاستخدام قياسية، كأن تكون درجة الحرارة والضغط مختلفين، أو إذا لم يكن الغاز المقاس هو الهواء، فيجب إعادة معايرة الغاز المقاس أو تصحيحه باستخدام معامل تصحيح.

1.2.4 

طلب

يتراوح نطاق القياس من عدة ميكرولتر/لتر (جزء في المليون) إلى 2000 ميكرولتر/لتر (جزء في المليون)، وتبلغ الدقة 5% من القراءة أو 1% من النطاق الكامل. يمكن استخدام هذا الجهاز مع مجموعة متنوعة من الغازات الخاملة، وبعض الغازات العضوية وغير العضوية التي لا تتفاعل مع خامس أكسيد الفوسفور (P2O5). ومن الأمثلة على ذلك: الهواء، والنيتروجين، والهيدروجين، والأكسجين، والأرجون، والهيليوم، والنيون، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وسادس فلوريد الكبريت، والميثان، والإيثان، والبروبان، والبيوتان، والغاز الطبيعي، وبعض غازات الفريون. لا يمكن استخدامه مع بعض الغازات المسببة للتآكل والغازات التي تتفاعل مع خامس أكسيد الفوسفور، مثل الإيثانول، وبعض الغازات الحمضية، وغازات الهيدروكربونات غير المشبعة.

1.2.5 

الإيجابيات والسلبيات

المزايا: قياس مطلق، ثابت، بدون انحراف.

العيوب: عمر البطارية محدود وتحتاج إلى إعادة شحن. يؤدي كل من ارتفاع الرطوبة وانخفاضها (أقل من 1 جزء في المليون) إلى تقصير عمرها. استجابة بطيئة في الرطوبة المنخفضة. يتطلب معدل تدفق غاز عالٍ. لا يمكن استخدامها مع بعض الغازات المسببة للتآكل والغازات التي تتفاعل مع خامس أكسيد الفوسفور (P2O5). (هناك معلومات أساسية).

1.3

مقياس رطوبة سعوي من أكسيد الألومنيوم

1.3.1

مبدأ القياس، والبنية، ونطاق التطبيق

يأتي هذا الجهاز بأشكال متنوعة، منها المحمول الذي يعمل بالبطارية، والذي يُعالج البيانات بواسطة معالج دقيق، والذي يعرض بيانات متعددة، وغيرها. لكن جوهره يكمن في المكثف، حيث تُرسّب طبقة رقيقة من الألومينا المسامية على ركيزة موصلة، ثم تُغطى بطبقة رقيقة من الذهب. تُشكّل الركيزة الموصلة وطبقة الذهب قطبًا كهربائيًا للمكثف. يمتص بخار الماء بواسطة الألومينا المسامية عبر طبقة الذهب، وتتناسب مقاومة المكثف طرديًا مع عدد جزيئات الماء، أي ضغط بخار الماء. يُمكن الحصول على الضغط الجزئي للرطوبة بقياس مقاومة أو سعة المكثف، ومن ثمّ يُمكن حساب قيمة نقطة الندى بتحويل هذه القيمة.

تستجيب طبقة أكسيد الألومنيوم الرقيقة الموجودة بين قطبي الألومنيوم والذهب للماء ضمن نطاق ضغط البخار المشبع من 10⁻³ باسكال (نقطة ندى تقارب -110 درجة مئوية). ونظرًا لشدة انجذابها للماء، بالإضافة إلى ثابت العزل الكهربائي العالي للماء، فإن هذه الأجهزة تتميز بانتقائية عالية للماء، ولكنها لا تستجيب للغازات الشائعة الأخرى والغازات والسوائل العضوية.

تبلغ دقة القياس ±1 إلى ±2 درجة مئوية في نطاق الرطوبة المتوسطة والعالية، و±2 إلى ±3 درجة مئوية في نطاق الرطوبة المنخفضة، مثل -100 درجة مئوية. لا يتفاعل المستشعر مع غازات الهيدروكربون، أو أول أكسيد الكربون، أو ثاني أكسيد الكربون، أو الغازات المحتوية على مركبات الهيدروكلوروفلوروكربون، ولكن يختلف انحراف القياس باختلاف نوع الغاز. بعض الغازات المسببة للتآكل، مثل الأمونيا، وثالث أكسيد الكبريت، والكلور، قد تُلحق الضرر بالمستشعر، لذا يُنصح بتجنبها قدر الإمكان.

1.3.2

احتياطات الاستخدام

يتراوح نطاق القياس المعتاد لهذا النوع من الأجهزة بين -110 درجة مئوية و+20 درجة مئوية. كلما ارتفعت درجة التكثف، زاد انحراف الجهاز. يجب الانتباه أيضًا إلى معامل درجة الحرارة. ونظرًا لتأثره بالضغط الجزئي لبخار الماء، ينبغي مراعاة تغير الضغط الكلي للغاز أثناء القياس.

يمكنه تجنب التلوث بالغبار والزيت، ومعدل تدفق الغاز أكبر، وهو 3 إلى 5 (لتر/دقيقة) أو حتى أكبر.

1.3.3

الإيجابيات والسلبيات

المزايا: يتميز هذا الاختراع بنطاق استجابة واسع، من 1 ميكرولتر/لتر (جزء في المليون) إلى 80% رطوبة نسبية، ويمكن تركيبه عن بعد، ويمكن استخدامه في الميدان، ويتميز باستجابة سريعة ومستقرة نسبياً، ومعامل درجة حرارة صغير، ولا علاقة له بتغير معدل التدفق، ويتميز بانتقائية عالية للماء، ويمكن استخدامه في نطاق واسع من درجات الحرارة والضغط، ويتميز بكمية صيانة يومية صغيرة وحجم صغير.

العيوب: هذه الطريقة تعتمد على القياس غير المباشر، وتعمل في درجات حرارة مرتفعة أو بوجود بعض الغازات التي تُسبب انحرافًا في القراءة، كما تتأثر بالغازات المُسببة للتآكل، مما يستلزم معايرتها دوريًا للتغلب على آثار التقادم والتخلف المغناطيسي والتلوث. ونظرًا لأن قيمة الاستجابة غير خطية، فإن كل مستشعر يحتاج إلى معايرة خاصة به، ولا يمكن استخدامه بشكل عام.

1.4

مقياس رطوبة سعوي ذو غشاء رقيق

1.4.1

مبدأ القياس، والبنية، ونطاق التطبيق

يُستخدم غشاء بوليمري من ملح البولي أمين أو أسيتات السليلوز، مُرسب على قطبين كهربائيين موصلين. يمكن تغيير ثابت العزل الكهربائي بين القطبين عند امتصاص الغشاء للماء أو فقدانه له. كما توجد تقنية أخرى تستخدم بوليمرات متصلبة حراريًا مقاومة لدرجات الحرارة العالية، مما يسمح بقياس هذه المجسات باستمرار عند درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية. أستخدم حاليًا أغشية ذات وزن جزيئي عالٍ مثل Visala.

1. تتمثل الوظيفة الرئيسية في دعم الأجزاء الأخرى من المستشعر.

2. أحد الأقطاب الكهربائية مصنوع من مادة موصلة

3. طبقة رقيقة. تُعدّ هذه الطبقة جوهر المستشعر، وتعتمد كمية امتصاص الماء فيها على الرطوبة النسبية للبيئة المحيطة. يتراوح سمك هذه الطبقة بين 1 و10 ميكرومترات.

4. يلعب القطب العلوي دورًا هامًا في أداء المستشعر. وللحصول على استجابة سريعة، من الضروري أن يتمتع بنفاذية عالية للماء، كما أنه مادة موصلة.

5. وسادة تلامس للقطب العلوي. نظراً لوجود العديد من القيود على تصميم القطب العلوي، يلزم وجود معدن منفصل لتحقيق تلامس جيد.

يتميز نطاق القياس باتساعه، من -50 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية لنقطة الندى. ويمكن استخدامه في نطاق واسع من درجات الحرارة، أحيانًا دون الحاجة إلى تعويض درجة الحرارة. تسمح الراتنجات المتصلبة حراريًا المقاومة لدرجات الحرارة العالية بإجراء قياسات مستمرة لمستشعرات الرطوبة السعوية هذه عند درجات حرارة تصل إلى 185 درجة مئوية، وتعتمد أعلى درجة حرارة مستخدمة على مادة تغليف المستشعر. ومن المزايا الأخرى لمستشعرات الراتنج المتصلب حراريًا انخفاض معامل درجة الحرارة في نطاق درجات الحرارة من -50 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية، مما يسهل قياسها في نطاق واسع.

جميع مستشعرات الرطوبة النسبية حساسة لدرجة الحرارة، وإذا تمت معايرتها عند درجة حرارة معينة، فستحدث أخطاء عند استخدامها عند درجة حرارة أخرى. من مزايا مستشعرات البوليمر أنها أقل تأثراً بدرجة الحرارة، أي ذات معاملات حرارية أصغر. لذلك، عندما تختلف درجة حرارة الاستخدام عن درجة حرارة المعايرة، يكون الخطأ ضئيلاً. يلزم التعويض الإلكتروني لدرجة الحرارة عند الاستخدام عند درجة الحرارة القصوى أو عند الحاجة إلى دقة عالية. يسهل التعويض عندما يكون نطاق درجة الحرارة أقل من 50 درجة مئوية. أما عندما يكون نطاق درجة الحرارة أوسع، فيصعب التعويض. مع ذلك، تصل دقة مستشعرات البوليمر الحديثة إلى ±1% رطوبة نسبية في نطاق ضيق، و±3% رطوبة نسبية في نطاق واسع من درجات الحرارة والرطوبة. بعد فترة من الاستخدام، أو بعد التلوث، يلزم إعادة المعايرة.

1.4.2

الإيجابيات والسلبيات

المزايا: يتميز النظام بمزايا الاستجابة السريعة، ونطاق قياس واسع لدرجة الحرارة والرطوبة، والخطية الجيدة، والتخلف الهستيري القليل، والاستقرار الجيد والتكرارية، ومعامل درجة الحرارة المنخفض والتكلفة المنخفضة.

العيوب: لا شيء تقريباً.

1.5

مقياس رطوبة من نوع المقاومة

1.5.1

مبدأ القياس وبنيته

تعتمد المادة الحساسة على محلول بوليمر ملح الأمونيوم الرباعي كمادة أساسية، حيث تتفاعل المجموعة الوظيفية مع بوليمر الراتنج لإنتاج راتنج حراري ثلاثي الأبعاد، يتميز بثبات جيد. ويؤدي تغير الرطوبة النسبية إلى تغير المقاومة بين المهبط والمصعد.

1.5.2

الإيجابيات والسلبيات

لا يعاني من التخلف المغناطيسي أو التقادم، ويتميز بمعامل حراري منخفض، وتكلفة منخفضة، واستهلاك منخفض للطاقة. يتراوح نطاق درجة الحرارة من -10 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية، وتكون قابلية التكرار أفضل من 0.5% رطوبة نسبية، والدقة أعلى، حيث تبلغ عمومًا ±2% رطوبة نسبية، وفي نطاق ضيق جدًا يمكن أن تصل إلى ±1% رطوبة نسبية.

العيوب: هو جهاز قياس غير مباشر، يحتاج إلى معايرة دورية، وغير مناسب لبعض الملوثات. عند استخدامه في نطاق واسع من درجات الحرارة، يحتاج إلى تعويض حراري. وهو أكثر حساسية للملوثات من المستشعر السعوي. لا يُناسب الرطوبة المنخفضة، حيث يفقد حساسيته عندما تقل الرطوبة النسبية عن 15%، ولكنه يحافظ على أداء جيد عندما تقترب الرطوبة النسبية من 100%، إلا أن التكثف قد يُتلف المستشعر أحيانًا.

تؤثر بعض الملوثات بشكل كبير على مستشعر المقاومة، بينما تؤثر أخرى بشكل كبير على مستشعر السعة. لذا، عند اختيار المستشعر، يعتمد الأمر بشكل أساسي على طبيعة الملوثات.

1.6

مقياس الرطوبة الميكانيكي

1.6.1

مبدأ القياس وبنيته

يتغير طول المواد البوليمرية العضوية، كالشعر والغشاء المعوي والنايلون والبوليميد، بتغير الرطوبة النسبية. يستغل مقياس الرطوبة الميكانيكي هذه الخاصية، حيث يُصنع من هذه المواد عنصر استشعار رطوبة خطي شريطي، أو يُغطى بمادة مرنة ليُلف على شكل سلك مرن. بعد ذلك، ومن خلال جهاز تضخيم ميكانيكي، يُشير مؤشر إلى التغير الهندسي الناتج عن تغير الرطوبة، أو يُسجل بواسطة قلم تسجيل، مما يُعطي قراءة مباشرة للرطوبة النسبية. يُناسب هذا الاختراع قياس درجة الحرارة والرطوبة في البيئات الداخلية، كالمختبرات وغرف الحاسوب والمستودعات والمباني الصناعية.

1.6.2

الإيجابيات والسلبيات

المزايا: رخيص الثمن، غير حساس لمعظم الملوثات، لا يحتاج إلى طاقة، وتسجيل دائم

العيوب: الانحراف، إذا تم استخدام رطوبة معينة لفترة طويلة فسوف يفقد حساسيته، ولا يمكن استخدامه تحت درجة حرارة 0 مئوية، وبطء الاستجابة، والنقل أو التأرجح الناتج عن الاهتزاز سيؤثر على أدائه.

1.7

مقياس الرطوبة الكروي الجاف والرطب

1.7.1

مبدأ

يتكون مقياس الرطوبة الكروي الجاف-الرطب من ترمومترين متطابقين في المواصفات، أحدهما يُسمى ترمومتر الكرة الجافة، حيث تُعرَّض فقاعة قياس درجة الحرارة للغاز المراد قياسه لقياس درجة الحرارة المحيطة، ويُعبَّر عن القيمة المُشار إليها بـ Ta (ta). أما الآخر فهو ترمومتر الكرة الرطبة، وهو مُغلَّف بغطاء شاش مُصمَّم خصيصًا للحفاظ على رطوبته. عندما يكون الهواء المحيط بالكرة الرطبة في حالة غير مشبعة، يتبخر الماء الموجود على غطاء الشاش باستمرار، ولأن تبخر الرطوبة يتطلب امتصاص الحرارة، فإن درجة حرارة الكرة الرطبة تنخفض، ويُعبَّر عن قيمتها المُشار إليها بـ Tw (tw). ترتبط سرعة تبخر الرطوبة من الكرة الرطبة بمحتوى الرطوبة في الغاز المحيط. فكلما انخفضت رطوبة الغاز، زادت سرعة تبخر الرطوبة، وانخفضت درجة حرارة الكرة الرطبة، والعكس صحيح. بعد الحصول على درجة الحرارة الدقيقة للكرتين الجافة والرطبة، تُحسب قيمة الرطوبة باستخدام معادلة الكرات الرطبة.

نظراً لبساطتها وانخفاض تكلفتها، كانت مقاييس الرطوبة الكروية الجافة والرطبة هي النوع الأكثر استخداماً لفترة طويلة في الماضي.

A humidity meter with good design and maintenance, in the temperature range of 5°C~80°C, if the temperature accuracy is ±0.2°C, the relative humidity accuracy is about ±3%RH. The accuracy of this principle is dependent on the accuracy of the thermometer. Platinum resistance thermometers are often used for some precise measurements. In general, the dry-wet ball hygrometer is a basic measurement method. If the calibrated thermometer is used and the operation is correct, such as the Assmann hygrometer, accurate, reliable and repeatable measurement results can be obtained. So in the past, this hygrometer was often used as a standard. However, many operators, especially in the industrial field, do not have enough energy and time, so the results are not accurate and unreliable. At present, the wet and dry spherical hygrometer is gradually replaced by modern instruments.

1.7.2

الإيجابيات والسلبيات

Benefits: When the relative humidity is close to 100%RH, a higher accuracy can be obtained. Although there will be errors if the wet ball thermometer is polluted or used improperly, the maintenance cost is very low because of the simple device. The invention can be used in the situation that the room temperature is higher than 100°C, which is the basic measurement, the stability is good, the stability is simple, the cost is low.

Disadvantage: Some techniques are needed to obtain accurate measurements and calculations are needed to obtain the final results. A large number of gas samples are required, and the gas samples may be humidified by a wet gauze. When the relative humidity of the measured gas is lower than 15%RH, it is very difficult to reduce the temperature of the wet ball. When the temperature of wet ball is lower than 0°C, it is difficult to obtain reliable results. The volume cannot be too small because water is constantly supplied to the wet ball thermometer. Because dust, oil or other pollutants can pollute the gauze, or the water flow is insufficient, the temperature of the wet ball is higher, and the result of relative humidity is higher. In addition, the factors that affect the results are temperature measurement error, wind speed, radiation error and so on. When the temperature difference of dry and wet ball is 0.1°C at 20°C, the relative humidity error is 1%RH.