تجزیه و تحلیل مزایا و معایب روش‌های مختلف اندازه‌گیری نقطه شبنم رطوبت

اصل آزمون

ابزار اندازه‌گیری رطوبت را می‌توان به انواع آینه سرد، الکترولیز کاملاً جذبی، خازنی Al2O3، خازنی لایه نازک، مقاومتی، توپ خشک و مرطوب و مکانیکی تقسیم کرد. در میان آنها، میکرومتر آب الکترولیتی کاملاً جذبی و رطوبت‌سنج خازنی Al2O3 عموماً برای اندازه‌گیری محدوده رطوبت پایین استفاده می‌شوند، در حالی که رطوبت‌سنج مقاومتی، توپ خشک و مرطوب و مکانیکی فقط برای اندازه‌گیری رطوبت نسبی قابل استفاده هستند، رطوبت‌سنج آینه سرد، خازنی لایه نازک (اختراع ویسالا) نه تنها برای اندازه‌گیری رطوبت پایین قابل استفاده است، بلکه می‌تواند برای اندازه‌گیری رطوبت متوسط ​​و بالا، یعنی رطوبت نسبی نیز استفاده شود. ابزارهای ذکر شده در بالا مزایا و معایب خاص خود را دارند. در میان آنها، رطوبت‌سنج آینه سرد دقیق‌ترین، قابل اعتمادترین و اساسی‌ترین روش اندازه‌گیری است که به طور گسترده در انتقال استاندارد استفاده می‌شود، اما عیب آن این است که قیمت نسبتاً بالایی دارد و نیاز به تجربه در کار و نگهداری دارد.

1.1

دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم آینه‌ای سرد

1.1.1

اصل اندازه‌گیری

وقتی رطوبت اندازه‌گیری شده وارد محفظه اندازه‌گیری نقطه شبنم می‌شود، سطح آینه سرد جارو می‌شود؛ وقتی دمای سطح آینه بالاتر از دمای نقطه شبنم رطوبت باشد، سطح آینه در حالت خشک قرار می‌گیرد؛ در این زمان، نور ساطع شده توسط منبع نور در دستگاه نوردهی فوتوالکتریک تقریباً روی سطح آینه منعکس می‌شود، حسگر فوتوالکتریک سیگنال فوتوالکتریک را حس کرده و خروجی می‌دهد و مدار کنترل، پمپ ترموالکتریک را مقایسه، تقویت و برای خنک کردن سطح آینه به کار می‌اندازد. وقتی دمای سطح آینه به دمای نقطه شبنم رطوبت کاهش می‌یابد، سطح شروع به شبنم (یخ‌زدگی) می‌کند، نور به صورت پراکنده روی سطح آینه منعکس می‌شود، سیگنال بازتاب القا شده توسط حسگر فوتوالکتریک ضعیف می‌شود، تغییر توسط حلقه کنترل مقایسه، تقویت و پمپ ترموالکتریک تنظیم می‌شود تا قدرت تبرید به درستی کاهش یابد، در نهایت، دمای سطح آینه در دمای نقطه شبنم گاز نمونه نگه داشته می‌شود. دمای آینه توسط یک حسگر دمای مقاومت پلاتینی که نزدیک به قسمت پایینی سطح آینه سرد قرار دارد، القا می‌شود و روی پنجره نمایشگر نمایش داده می‌شود.

در حال حاضر، شرکت‌های جهانی تولیدکننده‌ی دستگاه‌های اندازه‌گیری نقطه شبنم آینه‌ای سرد، مانند GE، Edgetech، Swiss MBW و غیره، همگی این اصل را اتخاذ می‌کنند. شرکت MICHELL بریتانیا از سیستم تشخیص مسیر نوری دوگانه استفاده می‌کند، یعنی نور بازتابی و نور پراکنده‌شده به‌طور همزمان تشخیص داده می‌شوند. شرکت Vaisala فنلاند از موج صوتی به‌عنوان سیستم تشخیص استفاده می‌کند.

در طول فرآیند اندازه‌گیری، بخار آب موجود در گاز اندازه‌گیری شده با کاهش دما به حالت اشباع نزدیک می‌شود. به دلیل اثر گرانشی، مولکول‌های آب روی سطح آینه جذب می‌شوند تا یک لایه نازک آب تشکیل دهند. این اولین مرحله تشکیل شبنم است. هنگامی که دمای آینه همچنان کاهش می‌یابد، ضخامت لایه آب به تدریج افزایش می‌یابد که دومین مرحله تشکیل شبنم است. در این مرحله، تضاد نیرو بین نیروی گرانش مولکول‌های آب و کشش سطحی لایه آب تغییر می‌کند و تأثیر دومی به تدریج غالب می‌شود. در این زمان، هرگونه عامل ناپایدار روی سطح خنک‌کننده، مانند جای زخم کوچک روی سطح آینه، باعث می‌شود لایه آب به قطرات متراکم شود. با کاهش بیشتر دمای آینه، قطرات شبنم شروع به ظاهر شدن می‌کنند. از طریق میکروسکوپ، می‌توانیم رشد ایزوله و توزیع نامنظم قطرات شبنم را ببینیم و سپس لایه شبنم با سرعت بسیار زیادی روی سطح پخش می‌شود. در این زمان، می‌توانیم تصور کنیم که تعادل مایع-بخار آغاز می‌شود، یعنی رسیدن به نقطه شبنم.

1.1.2

ساختار

1.1.2.1

آینه

آینه باید آبگریز باشد، رسانایی حرارتی خوبی داشته باشد، در برابر سایش مقاوم باشد، در برابر خوردگی مقاوم باشد و عملکرد نوری خوبی داشته باشد. در گذشته از طلا به عنوان آینه استفاده می‌شد، اکنون از رودیوم به عنوان آینه استفاده می‌شود.

1.1.2.2

خنک کننده آینه ای

در گذشته، از تبخیر اتیلن اتر، تبرید مکانیکی، تبرید گاز مایع یا یخ خشک، تبرید هوای فشرده استفاده شده است. رایج‌ترین مورد استفاده، تبرید ترموالکتریک یا ترموالکتریک همراه با تبرید مکانیکی (نقطه شبنم زیر -60 درجه سانتیگراد) است. در این مقاله، تبرید ترموالکتریک مورد تأکید قرار گرفته است.

تبرید ترموالکتریک، که به عنوان تبرید نیمه‌هادی نیز شناخته می‌شود، تبرید پالپوت (از نام انگلیسی آن Peltier) است. اصل این است که وقتی جریان DC از یک عنصر NP متشکل از دو فلز مختلف عبور می‌کند، گرما از یک فلز به فلز دیگر منتقل می‌شود که درست برعکس اندازه‌گیری دمای ترموکوپل است. بنابراین، هنگامی که انتهای سرد پالتر به آینه متصل می‌شود و انتهای دیگر به عنوان انتهای اتلاف گرما استفاده می‌شود، آینه می‌تواند خنک شود. برای به دست آوردن دمای پایین متفاوت، می‌توان از یک روش برهم‌نهی چند سطحی استفاده کرد. داده‌های ارائه شده توسط شرکت GE ایالات متحده نشان می‌دهد که به طور کلی، اگر دمای اتاق 25 درجه سانتیگراد باشد، اختلاف دما بین انتهای سرد و سرد می‌تواند به 55 درجه سانتیگراد برسد، اختلاف دما بین انتهای سرد و سرد می‌تواند به 75 درجه سانتیگراد برسد، اختلاف دما بین انتهای سرد و سرد می‌تواند به 105 درجه سانتیگراد برسد و اختلاف دما بین انتهای سرد و سرد می‌تواند در پنجمین تبرید به 120 درجه سانتیگراد برسد. ظرفیت خنک‌کننده شرکت‌های مختلف کمی متفاوت خواهد بود. هرچه دما در انتهای گرم بالاتر باشد، راندمان خنک‌کنندگی بیشتر و اختلاف دما در انتهای گرم بیشتر است. برای کاهش دمای انتهای سرد، معمولاً از خنک‌کننده هوا، خنک‌کننده آب و تبرید مکانیکی برای کاهش دمای انتهای گرم استفاده می‌شود. اما کاهش بدون محدودیت امکان‌پذیر نیست. توجه به این نکته مهم است که ظرفیت تبرید آن، محدوده اندازه‌گیری رطوبت‌سنج نقطه شبنم را نشان نمی‌دهد. تعریف محدوده اندازه‌گیری رطوبت‌سنج نقطه شبنم این است که دمای سطح آینه را می‌توان روی سطح آینه به دست آورد و دمای سطح آینه را می‌توان زمانی به دست آورد که لایه شبنم یا یخ‌زدگی ضخامت خاصی داشته باشد. بنابراین، تحت نقطه شبنم/یخ‌زدگی عمومی، محدوده اندازه‌گیری رطوبت‌سنج نقطه شبنم عموماً 5 درجه سانتیگراد بالاتر از توانایی خنک‌کنندگی آن است و در نقطه یخ‌زدگی پایین، عموماً 10 تا 12 درجه سانتیگراد بالاتر است. برای مثال، دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم DP19 تولید شرکت MBW در سوئیس، وقتی دمای اتاق 10 درجه سانتیگراد است، کمترین محدوده اندازه‌گیری آن -60 درجه سانتیگراد، وقتی دمای اتاق 20 درجه سانتیگراد است، کمترین محدوده اندازه‌گیری آن -55 درجه سانتیگراد و وقتی دمای اتاق 35 درجه سانتیگراد است، کمترین محدوده اندازه‌گیری آن -45 درجه سانتیگراد است. به دلیل رسانایی حرارتی بالای هیدروژن و هلیوم، محدوده اندازه‌گیری چندین درجه کاهش می‌یابد. وقتی فشار گاز اندازه‌گیری شده افزایش می‌یابد، محدوده اندازه‌گیری نیز کاهش می‌یابد. برای هوا و نیتروژن، در شرایط فشار بالاتر از حد معمول، به ازای هر فشار اتمسفری اضافی، محدوده اندازه‌گیری حدود 0.67 درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد.

1.1.2.3

دستگاه اندازه‌گیری دما

در حال حاضر، بیشتر از مقاومت پلاتین چهار سیمه برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. مقدار مقاومت و دمای عنصر حسگر دمای مقاومت پلاتین در یک محدوده دمایی نسبتاً وسیع، نزدیک به رابطه خطی هستند، دقت بالا، پایداری خوب، سیگنال خروجی قوی و نمایشگر دیجیتال مناسب است.

1.1.2.4

سیستم تشخیص

در حال حاضر، به جز دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم آینه‌ای سرد که اخیراً توسط شرکت وایسالا فنلاند توسعه داده شده و از اصل موج صوتی برای اندازه‌گیری استفاده می‌کند، بقیه دستگاه‌ها از آشکارساز فوتوالکتریک برای اندازه‌گیری و کنترل استفاده می‌کنند. فناوری آشکارساز فوتوالکتریک چندین دهه است که مورد استفاده قرار می‌گیرد و به بلوغ رسیده است. اما عیب آن این است که نمی‌تواند آب فوق سرد را از یخ‌زدگی تشخیص دهد.

1.1.3

اقدامات احتیاطی برای استفاده

1.1.3.1

آب فوق سرد و یخبندان

در محدوده دمایی 0 تا 20 درجه سانتیگراد، آب فوق سرد به راحتی روی سطح آینه تشکیل می‌شود. از آنجا که فشار بخار اشباع روی سطح یخ و سطح آب متفاوت است، اگر آب فوق سرد روی سطح آینه تشکیل شود، مقدار اندازه‌گیری شده کمتر از نقطه یخبندان است و دما نیز متفاوت است. به عنوان مثال، وقتی نقطه یخبندان -10 درجه سانتیگراد است، دمای آب فوق سرد مربوطه -11.23 درجه سانتیگراد است. بنابراین در این دما بسیار مراقب باشید. اگر دستگاه مجهز به آندوسکوپ باشد، می‌توان آن را توسط آندوسکوپ مشاهده و تشخیص داد. در حال حاضر، اکثر دستگاه‌ها عملکرد تست دارند، یعنی حداقل ظرفیت خنک‌کنندگی خود را آزمایش می‌کنند. در این زمان، می‌توانیم از عملکرد تست برای پایین آوردن دمای آینه از -20 درجه سانتیگراد، اطمینان از یخبندان روی آینه و سپس انجام اندازه‌گیری رسمی استفاده کنیم.

1.1.3.2

اثر کلوین

فشار بخار آب اشباع شده روی سطح با فشار بخار آب روی صفحه متفاوت است. هنگامی که در معرض سطح فلز قرار می‌گیرد، فشار بخار آب تعادلی، یعنی فشار بخار آب اشباع شده در سطح منحنی آب، به دلیل اثر کشش سطحی که به عنوان اثر کلوین شناخته می‌شود، افزایش می‌یابد. به دلیل اثر کلوین، دمای نقطه شبنم به دست آمده کمتر از دمای نقطه شبنم گاز واقعی اندازه‌گیری شده است.

1.1.3.2

اثر رائول

این بدان معناست که فشار بخار آب تعادلی سیستم، زمانی که ماده محلول در آب روی آینه وجود دارد، کمتر از فشار بخار آب اشباع آب خالص است. این مواد محلول در آب ممکن است ذاتی آینه باشند یا در گاز اندازه‌گیری شده وجود داشته باشند. طبق قانون رائول، کاهش فشار بخار آب تعادلی متناسب با غلظت محلول است، به همین دلیل است که قبل از رسیدن به دمای نقطه شبنم گاز اندازه‌گیری شده، میعان اولیه رخ خواهد داد.

اثر کلوین درست برعکس اثر رائول است، بنابراین مقداری از آن را جبران می‌کند. با این حال، در اندازه‌گیری نقطه شبنم، اثر رائول از اثر کلوین مهم‌تر است، زیرا مواد محلول در آب به ناچار کم و بیش در آینه و گاز اندازه‌گیری شده وجود دارند و ناخالصی‌های موجود در گاز ممکن است گاهی اوقات با مواد نامحلول در آب روی آینه واکنش شیمیایی یا واکنش فتوشیمیایی انجام دهند و به مواد محلول تبدیل شوند. این وضعیت در اندازه‌گیری رطوبت گازهای فرآیند صنعتی بیشتر مشهود است. بنابراین، لازم است ذرات جامد موجود در گاز با استفاده از دستگاه فیلتر مناسب حذف شوند و مواد محلول باقی مانده روی سطح آینه با تراکم مکرر شبنم و عملیات شبنم‌زدایی بیشتر حذف شوند، این روش به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در کار عملی، اغلب متوجه می‌شویم که سطح آینه وقتی شروع به نمایان شدن می‌کند، یکنواخت نیست، لایه همیشه در ناحیه خاصی از آینه ظاهر می‌شود، دلیل آن اغلب ناشی از خراش‌های روی آینه است، زیرا در این نواحی معیوب، از یک طرف، مواد باقیمانده به راحتی قابل حذف نیستند، از طرف دیگر، نقص‌های گوشه نقش "هسته نمایان" را ایفا می‌کنند و روند نمایان شدن را تسریع می‌کنند. بنابراین، در استفاده از دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم، به خصوص هنگام تمیز کردن آینه، لازم است مراقب باشید تا از آسیب مکانیکی به آینه جلوگیری شود.

1.1.3.3

آلودگی آینه

یکی اثر رائول است و دیگری تغییر سطح پراکندگی پس‌زمینه آینه‌ای. اثر رائول عمدتاً توسط مواد محلول در آب ایجاد می‌شود. اگر ماده موجود در گاز اندازه‌گیری شده (عموماً نمک‌های محلول) باشد، آینه از قبل شبنم می‌زند که باعث انحراف مثبت در نتایج اندازه‌گیری می‌شود. اگر آلاینده‌ها در ذرات آب نامحلول باشند، مانند گرد و غبار و غیره، سطح پراکندگی پس‌زمینه افزایش می‌یابد، به طوری که رانش نقطه شبنم سنج فوتوالکتریک صفر می‌شود.

1.1.3.4

کانال نمونه‌برداری

از آنجا که میزان آب موجود در جو بسیار زیاد است و مولکول آب قطبی است، به راحتی توسط دیواره داخلی خط لوله یا از طریق خط لوله جذب می‌شود. بنابراین، سیستم مسیر گاز باید در اندازه‌گیری به خوبی آب‌بندی شود، ضخامت دیواره لوله حداقل ۱ میلی‌متر باشد تا از نفوذ آب محیط بیرون به داخل نشت جلوگیری شود. اگر دمای محیط اندازه‌گیری به شدت تغییر کند، آب‌بندی خط لوله باید دوباره بررسی شود.

اگر گاز اندازه‌گیری شده مستقیماً به جو تخلیه شود، باید مشکل نفوذ آب به سیستم اندازه‌گیری در نظر گرفته شود. رایج‌ترین روش، اتصال لوله‌ای با طول مناسب در دریچه خروجی است. طول و قطر لوله بر اساس اصل عدم تأثیر بر فشار محفظه اندازه‌گیری تعیین می‌شود.

خط لوله نمونه‌برداری باید تا حد امکان کوتاه باشد، تعداد اتصالات باید کاهش یابد و از "فضای مرده" اجتناب شود تا تداخل آب پس‌زمینه کاهش یابد.

خط لوله نمونه‌برداری و دیواره حفره اندازه‌گیری تمیز، صافی خوب و ماده آبگریز انتخاب شده است. شکل 2-2 منحنی زمان واجذب مواد مختلف را هنگامی که در حالت جذب اشباع در معرض گاز خشک قرار می‌گیرند، نشان می‌دهد. از نتایج آزمایش می‌توانیم ترتیب انتخاب مواد زیر را بدست آوریم: لوله‌های فولادی ضد زنگ، PTFE، مس، پلی اتیلن و در بدترین حالت، لوله‌های نایلونی و لاستیکی، نباید در اندازه‌گیری‌های نقطه انجماد پایین استفاده شوند. علاوه بر این، قطر خارجی لوله 6 میلی‌متر یا 1/4 اینچ است، اگرچه لوله فولادی ضد زنگ صیقلی داخلی در اندازه‌گیری نقطه انجماد پایین استفاده می‌شود.

هنگام اندازه‌گیری نقطه شبنم بالا، باید توجه داشته باشیم که نقطه شبنم پایین‌تر از دمای محیط ۳ درجه سانتیگراد باشد تا از تراکم بخار آب در خط لوله جلوگیری شود.

وقتی رطوبت‌سنج نقطه شبنم، رطوبت را اندازه‌گیری می‌کند، محدوده جریان بین 0.25 لیتر در دقیقه تا 1 لیتر در دقیقه است. در این محدوده، تغییر سرعت جریان تاثیری بر نتایج اندازه‌گیری ندارد.

نمونه‌برداری را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد، یکی نمونه‌برداری فشار است که با توجه به روش‌های مختلف نمونه‌برداری، می‌توان آن را به اندازه‌گیری فشار و اندازه‌گیری فشار اتمسفر تقسیم کرد. به ترتیب به شکل‌های ۲-۳ و ۲-۴ مراجعه کنید. نوع دیگر در فشار اتمسفر اندازه‌گیری می‌شود، یعنی نمونه توسط پمپ گرفته می‌شود. در این حالت، به دلیل روش‌های مختلف نمونه‌برداری، اغلب فشار مثبت و فشار منفی مصنوعی ایجاد می‌شود. اگر نمونه‌برداری به روشی که در شکل ۲-۵ نشان داده شده است انجام شود، دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم تحت شرایط فشار اندازه‌گیری شود، خطای مثبت در نتایج اندازه‌گیری ایجاد می‌شود. اگر پمپ و جریان‌سنج موقعیت خود را عوض کنند، دستگاه اندازه‌گیری نقطه شبنم تحت شرایط فشار منفی قرار گیرد، خطای منفی در اندازه‌گیری ایجاد می‌شود. روش صحیح نمونه‌برداری در شکل‌های ۲-۶ نشان داده شده است.

1.1.4

کاربرد

محدوده اندازه‌گیری رطوبت‌سنج نقطه شبنم وسیع است. در حال حاضر، محدوده اندازه‌گیری سری رطوبت‌سنج‌های نقطه شبنم که توسط شرکت MBW سوئیس توسعه یافته‌اند، به -95°C~70°C رسیده است که می‌تواند اکثر نیازهای اندازه‌گیری را برآورده کند.

1.1.5

مزایا و معایب

مزایا: این یک اندازه‌گیری پایه، اندازه‌گیری دقیق، و دستگاه پایدار و بدون رانش است. دستگاه با بالاترین دقت می‌تواند به ±0.1 درجه سانتیگراد برسد.

معایب: قیمت بالا، الزامات بالا برای اپراتورها و نیاز به نگهداری. حساس به آلاینده‌ها. گاهی اوقات آب فوق سرد در محدوده دمایی -20°C~0°C وجود دارد، بنابراین به ویژه مراقب باشید که آب فوق سرد را از یخ زدگی تشخیص دهید.

1.2

یک میکرو کنتور آب برای الکترولیز جذبی کامل

1.2.1

اصل اندازه‌گیری

با استفاده از نمونه‌برداری پیوسته، نمونه گاز از یک سلول الکترولیتی با ساختار خاص عبور می‌کند که رطوبت آن توسط لایه پنتوکسید فسفر به عنوان یک عامل جاذب رطوبت جذب شده و با الکترولیز به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می‌شود و پنتوکسید فسفر احیا می‌گردد. فرآیند واکنش را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

ترکیب (1) و (2) به صورت زیر خواهد بود:

2H2O=2H2+O2 

وقتی جذب و الکترولیز متعادل باشند، آب ورودی به سلول الکترولیز توسط لایه فیلم پنتوکسید فسفر جذب شده و الکترولیز می‌شود. اگر دمای محیط، فشار محیط و جریان گاز مشخص باشد، رابطه بین جریان الکترولیتی آب و محتوای آب نمونه گاز را می‌توان طبق قانون الکترولیز فارادی و قانون گازها استنباط کرد:

در فرمول:

جریان الکترولیتی آب، μΑ؛

مقدار آب نمونه گاز، μL/L (یعنی نسبت حجمی)

جریان گاز، میلی‌لیتر در دقیقه

فشار محیطی، پاسکال؛

دمای مطلق محیط، k؛

همانطور که از فرمول بالا مشخص است، مقدار جریان الکترولیتی متناسب با مقدار آب موجود در نمونه گاز است، بنابراین می‌توان مقدار آب موجود در نمونه گاز را با اندازه‌گیری جریان الکترولیتی آب اندازه‌گیری کرد. تحت شرایط فشار اتمسفر استاندارد و دمای 20 درجه سانتیگراد، یک گاز ایده‌آل با سرعت جریان 100 میلی‌لیتر در دقیقه از سلول الکترولیتی عبور می‌کند. هنگامی که مقدار آب نمونه گاز 1 میکرولیتر در لیتر (ppmv) باشد، جریان الکترولیتی از فرمول 13.4 میکروآمپر محاسبه می‌شود. این نوع دستگاه معمولاً ppmv را به عنوان واحد در نظر می‌گیرد و می‌تواند مستقیماً مقدار ppmv رطوبت موجود در نمونه گاز را بخواند.

به دلیل اثر کاتالیزوری الکترود پلاتین، واکنش الکترولیز آب یک فرآیند برگشت‌پذیر است، بنابراین وقتی نمونه گاز اندازه‌گیری شده هیدروژن، اکسیژن یا حاوی هیدروژن و اکسیژن کافی باشد، تعادل به سمت چپ حرکت می‌کند، هیدروژن و اکسیژن تولید شده توسط الکترولیز برای تولید آب ترکیب می‌شوند و سپس الکترولیز ثانویه انجام می‌شود، به طوری که مقدار کل جریان الکترولیز بالاتر است، یعنی "اثر هیدروژن" و "اثر اکسیژن" یا "اثر کامپوزیت". آزمایش نشان می‌دهد که مقدار خوانده شده این نوع گاز هنگام استفاده از دستگاه برای اندازه‌گیری محتوای آب این نوع گاز، چند تا ده ppmv بیشتر است، اما واکنش غلظت انحرافی روی مقدار پس‌زمینه است، بنابراین می‌توان آن را کسر کرد.

1.2.2 

ساختار

این دستگاه از دو بخش سیستم مسیر گاز و مدار تشکیل شده است، سیستم مسیر گاز عمدتاً شامل یک سلول الکترولیتی و یک بخش کنترل مسیر گاز است.

1.2.2.1

باتری

در لوله شیشه‌ای، دو الکترود پلاتین به شکل مارپیچ دوتایی پیچیده شده‌اند و فیلم پنتوکسید فسفر به عنوان یک عامل جاذب رطوبت به طور یکنواخت بین الکترودها پوشش داده شده است. تحت شرایط اندازه‌گیری مشخص شده، ساختار سیم‌پیچ داخلی می‌تواند جذب و الکترولیز تمام آب ورودی به استخر را تضمین کند. دیواره شیشه‌ای استخر برای پوشش یکنواخت پنتوکسید فسفر مطلوب است. از آنجایی که پلاتین وظیفه تولید هیدروژن و اکسیژن، به ویژه گاز غنی از هیدروژن، برای واکنش مجدد و تولید آب را بر عهده دارد، برخی از شرکت‌ها به جای پلاتین، رودیوم را انتخاب کرده‌اند.

برای پوشش پنتوکسید فسفر خشک، هنگامی که یک نمونه گاز "کاملاً خشک" وارد می‌شود و یک ولتاژ DC مناسب به الکترود اعمال می‌شود، یک مقدار جریان-زمینه کوچک در مدار ایجاد می‌شود. مقدار جریان-زمینه فقط به ساختار سلول، وضعیت پوشش، دما و نوع نمونه مربوط می‌شود، اما به محتوای آب نمونه ارتباطی ندارد. از آنجا که مقدار جریان-زمینه همیشه می‌تواند به جریان الکترولیتی رطوبت موجود در نمونه گاز اضافه شود، مقدار رطوبت واقعی محیط باید هنگام اندازه‌گیری از مقدار خوانده شده توسط دستگاه کسر شود.

1.2.2.2

سیستم کنترل پنوماتیک

سیستم پنوماتیک از شیر کنترل، سلول الکترولیتی، شیر تنظیم جریان، جریان سنج و خشک کن تشکیل شده است. کنترل مسیر جریان هوا توسط شیر کنترل انجام می شود.

1.2.3 

اقدامات احتیاطی برای استفاده

از فرمول می‌توان فهمید که نتایج اندازه‌گیری، یعنی رطوبت گاز μL/L (ppmv) بر اساس جریان گاز و جریان الکترولیتی محاسبه می‌شود، بنابراین جریان گاز باید به طور دقیق کنترل و اندازه‌گیری شود. این نوع ابزار معمولاً از فلومتر فلوتر استفاده می‌کند، در دمای زیر 20 درجه سانتیگراد و فشار 1 اتمسفر، از هوا برای کالیبراسیون استفاده می‌کند. اگر شرایط مورد استفاده، شرایط استاندارد نباشد، به عنوان مثال در دما و فشار متفاوت، یا گاز اندازه‌گیری شده هوا نباشد، گاز اندازه‌گیری شده نیاز به کالیبراسیون مجدد یا اصلاح با توجه به ضریب تصحیح دارد.

1.2.4 

کاربرد

محدوده اندازه‌گیری از چندین میکرولیتر بر لیتر (ppmV) تا 2000 میکرولیتر بر لیتر (ppmV) است و دقت آن 5٪ از مقدار خوانده شده یا 1٪ از کل محدوده است. این اختراع می‌تواند برای طیف وسیعی از گازهای بی‌اثر، برخی از گازهای آلی و معدنی که با P2O5 واکنش نمی‌دهند، استفاده شود. نمونه‌هایی از این گازها عبارتند از هوا، نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن، آرگون، هلیوم، نئون، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، هگزافلورید گوگرد، متان، اتان، پروپان، بوتان، گاز طبیعی و برخی از گازهای فرئون. این اختراع را نمی‌توان برای برخی از گازهای خورنده و گازهایی که می‌توانند با P2O5 واکنش دهند، مانند اتانول، برخی از گازهای اسیدی، گازهای هیدروکربنی غیراشباع، استفاده کرد.

1.2.5 

مزایا و معایب

مزایا: اندازه‌گیری مطلق، پایدار، بدون رانش.

عیب: عمر باتری محدود است و نیاز به احیا دارد. رطوبت بالا و پایین (کمتر از ۱ppmv) عمر آنها را کوتاه می‌کند. پاسخ کند در رطوبت پایین. نیاز به سرعت جریان گاز زیاد است. در برخی از گازهای خورنده و گازهایی که با P2O5 واکنش می‌دهند، نمی‌توان از آن استفاده کرد. زمینه‌ای وجود دارد.

1.3

رطوبت سنج خازنی اکسید آلومینیوم

1.3.1

اصل اندازه‌گیری، ساختار و محدوده کاربرد

این دستگاه اشکال مختلفی دارد، مانند باتری قابل حمل، پردازش داده با ریزپردازنده، نمایشگر چند پارامتری و غیره. اما جوهر آن یک خازن است، با رسوب یک لایه نازک از آلومینای متخلخل روی یک زیرلایه رسانا و سپس اعمال یک لایه نازک از طلا به لایه نازک آلومینا. زیرلایه رسانا و لایه نازک طلا، الکترود خازن را تشکیل می‌دهند. بخار آب توسط آلومینای متخلخل از طریق لایه نازک طلا جذب می‌شود و امپدانس خازن متناسب با تعداد مولکول‌های آب، یعنی فشار بخار آب، است. فشار جزئی رطوبت را می‌توان با اندازه‌گیری امپدانس یا ظرفیت خازن بدست آورد و مقدار نقطه شبنم را می‌توان با تبدیل بدست آورد.

لایه نازک اکسید آلومینیوم که بین الکترودهای آلومینیوم و طلا قرار دارد، در سراسر محدوده فشار بخار اشباع از 10 تا 3 پاسکال (تقریباً نقطه شبنم -110 درجه سانتیگراد) نسبت به آب حساس است. به دلیل میل ترکیبی قوی آن با آب، همراه با ثابت دی الکتریک بزرگتر آب، چنین ابزارهایی برای آب بسیار گزینشی هستند، اما نسبت به سایر گازهای رایج و گازها و مایعات آلی حساس نیستند.

دقت در محدوده رطوبت متوسط ​​و بالا، ±1 تا ±2 درجه سانتیگراد و در محدوده رطوبت پایین، مانند -100 درجه سانتیگراد، ±2 تا ±3 درجه سانتیگراد است. این سنسور با گاز هیدروکربن، CO، CO2 و گازهای حاوی HCFC واکنش نشان نمی‌دهد، اما میزان رانش گازهای مختلف متفاوت است. برخی از گازهای خورنده مانند آمونیاک، SO3 و کلر به سنسور آسیب می‌رسانند و باید تا حد امکان از آنها اجتناب شود.

1.3.2

اقدامات احتیاطی برای استفاده

محدوده اندازه‌گیری معمول این نوع دستگاه بین -110°C تا +20°C است. وقتی نقطه شبنم بالاتر باشد، دستگاه رانش بیشتری ایجاد می‌کند. همچنین باید به ضریب دما توجه شود. به دلیل پاسخ آن به فشار جزئی بخار آب، باید به تغییر فشار کل گاز در اندازه‌گیری توجه کنیم.

می‌تواند از آلودگی گرد و غبار و روغن جلوگیری کند و سرعت جریان گاز بیشتر است که 3 تا 5 (لیتر در دقیقه) یا حتی بیشتر است.

1.3.3

مزایا و معایب

مزایا: این اختراع دارای محدوده پاسخ‌دهی وسیعی از ۱ میکرولیتر بر لیتر (ppmv) تا ۸۰٪ RH است، قابلیت نصب از راه دور را دارد، قابلیت استفاده در مزرعه را دارد، پاسخ‌دهی نسبتاً پایدار و سریعی دارد، ضریب دمایی کمی دارد، هیچ ارتباطی با تغییر سرعت جریان ندارد، گزینش‌پذیری بالایی نسبت به آب دارد، می‌تواند در طیف وسیعی از دما و فشار استفاده شود، نیاز به نگهداری روزانه کمی دارد و حجم کمی دارد.

عیب: این روش یک اندازه‌گیری غیرمستقیم است، در دماهای بالاتر یا برخی از گازهایی که باعث رانش می‌شوند، کار می‌کند، تحت تأثیر گازهای خورنده قرار می‌گیرد، که باید به صورت دوره‌ای کالیبره شود تا بر فرسودگی، هیسترزیس و آلودگی غلبه شود. از آنجایی که مقدار پاسخ غیرخطی است، هر سنسور نیاز به کالیبره شدن دارد و نمی‌توان آن را به صورت جهانی استفاده کرد.

1.4

رطوبت سنج خازنی لایه نازک

1.4.1

اصل اندازه‌گیری، ساختار و محدوده کاربرد

یک نمک پلی‌آمین یا فیلم پلیمری استات سلولز که روی دو الکترود رسانا قرار گرفته است، استفاده می‌شود. ثابت دی‌الکتریک بین دو الکترود می‌تواند زمانی که فیلم آب جذب می‌کند یا آب از دست می‌دهد، تغییر کند. همچنین تکنیکی برای استفاده از پلیمرهای ترموست که در برابر دماهای بالا مقاوم هستند، وجود دارد که امکان اندازه‌گیری مداوم چنین حسگرهایی را در دماهای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد فراهم می‌کند. اکنون من از فیلم‌های مولکولی بالا مانند Visala استفاده می‌کنم.

۱. وظیفه اصلی پشتیبانی از سایر قسمت‌های حسگر است.

۲. یکی از الکترودها از ماده رسانا ساخته شده است

۳. لایه نازک فیلم. این لایه قلب حسگر است، میزان جذب آب فیلم به رطوبت نسبی محیط اطراف مربوط می‌شود. ضخامت فیلم ۱-۱۰ (میکرومتر) است.

۴. الکترود بالایی نیز نقش مهمی در عملکرد حسگر ایفا می‌کند. برای دریافت پاسخ سریع، لازم است که نفوذپذیری آب بالاتری داشته باشد. همچنین این ماده رسانا است.

۵. یک پد تماس برای الکترود بالایی. از آنجایی که محدودیت‌های زیادی در طراحی الکترود بالایی وجود دارد، برای ایجاد تماس خوب به یک فلز جداگانه نیاز است.

محدوده اندازه‌گیری وسیع است، از نقطه شبنم -50°C تا 100°C. می‌توان از آن در طیف وسیعی از دما، گاهی اوقات بدون جبران دما، استفاده کرد. رزین‌های ترموست مقاوم در برابر دمای بالا، امکان اندازه‌گیری مداوم چنین حسگرهای رطوبت خازنی را در دماهای 185°C فراهم می‌کنند، و بالاترین دما بسته به جنس بسته‌بندی حسگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت دیگر حسگرهای رزین ترموست این است که ضریب دما در محدوده دمایی -50°C تا 100°C کوچک است، بنابراین می‌توان آن را به راحتی در طیف وسیعی اندازه‌گیری کرد.

همه حسگرهای رطوبت نسبی به دما حساس هستند و اگر در یک دما کالیبره شوند، هنگام استفاده در دمای دیگر خطا ایجاد می‌کنند. یکی از مزایای حسگرهای پلیمری این است که وابستگی دمایی کمتری دارند، یعنی ضرایب دمایی کوچکتری دارند. بنابراین، وقتی دمای استفاده با دمای کالیبراسیون متفاوت باشد، خطا کم است. در صورت استفاده در دمای حد یا اگر دقت بالا باشد، جبران دمای الکترونیکی مورد نیاز است. وقتی بازه دمایی کمتر از 50 درجه سانتیگراد باشد، جبران دما آسان است. وقتی محدوده دما وسیع‌تر باشد، جبران دما دشوار است. با این حال، دقت حسگر پلیمری مدرن می‌تواند در یک محدوده باریک به ±1%RH و در طیف وسیعی از دما و رطوبت به ±3%RH برسد. پس از یک دوره استفاده یا پس از آلودگی، کالیبراسیون مجدد لازم است.

1.4.2

مزایا و معایب

مزایا: این سیستم دارای مزایای پاسخ سریع، محدوده اندازه‌گیری دما و رطوبت گسترده، خطی بودن خوب، هیسترزیس کم، پایداری و تکرارپذیری خوب، ضریب دمایی پایین و هزینه کم است.

نقطه ضعف: تقریباً هیچ چیز.

1.5

رطوبت سنج مقاومتی

1.5.1

اصل و ساختار اندازه‌گیری

ماده حساس، محلول پلیمری نمک آمونیوم چهارتایی را به عنوان ماتریس می‌گیرد و گروه عاملی با پلیمر رزین واکنش می‌دهد تا رزین ترموست با خواص سه بعدی و سه بعدی تولید کند و پایداری خوبی داشته باشد. تغییر رطوبت نسبی می‌تواند منجر به تغییر مقاومت بین کاتد و آند شود.

1.5.2

مزایا و معایب

بدون پسماند و فرسودگی، ضریب دمایی پایین، هزینه کم و مصرف انرژی پایین. محدوده دمایی -10°C ~ 80°C است، تکرارپذیری بهتر از 0.5%RH است، دقت بالاتر است، به طور کلی ±2%RH، در یک محدوده بسیار باریک می‌تواند به ±1%RH برسد.

عیب: این یک ابزار اندازه‌گیری غیرمستقیم است که نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای دارد و برای برخی از آلاینده‌ها مناسب نیست. اگر در طیف وسیعی از دما استفاده شود، نیاز به جبران دما دارد. نسبت به حسگر خازنی به آلاینده‌ها حساس‌تر است. برای رطوبت کم مناسب نیست و وقتی رطوبت نسبی کمتر از ۱۵٪ RH باشد، حساسیت خود را از دست می‌دهد، اما وقتی رطوبت نسبی نزدیک به ۱۰۰٪ RH باشد، همچنان عملکرد خوبی دارد، اما گاهی اوقات میعان به حسگر آسیب می‌رساند.

برخی از آلاینده‌ها تأثیر زیادی بر حسگر مقاومتی دارند، در حالی که برخی دیگر تأثیر زیادی بر حسگر خازنی دارند. بنابراین، هنگام انتخاب حسگر، عمدتاً به ماهیت آلاینده‌ها بستگی دارد.

1.6

رطوبت سنج مکانیکی

1.6.1

اصل و ساختار اندازه‌گیری

طول مواد پلیمری آلی مانند مو، غشای روده، نایلون و پلی‌آمید با رطوبت نسبی تغییر می‌کند. رطوبت‌سنج مکانیکی از این ویژگی برای ساخت عنصر حسگر رطوبت خطی و نواری شکل یا پوشاندن ماده الاستیک به شکل یک عنصر حسگر رطوبت سیمی شکل استفاده می‌کند و سپس از طریق دستگاه تقویت‌کننده مکانیکی، تغییر مقدار هندسی ناشی از تغییر رطوبت توسط یک نشانگر نشان داده می‌شود یا توسط یک قلم ضبط ثبت می‌شود و در نتیجه مستقیماً رطوبت نسبی را نشان می‌دهد. این اختراع برای اندازه‌گیری دما و رطوبت محیط داخلی مانند آزمایشگاه، اتاق کامپیوتر، انبار و ساختمان کارخانه مناسب است.

1.6.2

مزایا و معایب

مزایا: ارزان، غیر حساس به اکثر آلاینده‌ها، بدون نیاز به برق و ضبط دائمی

معایب: رانش، اگر استفاده از رطوبت خاصی برای مدت طولانی حساسیت خود را از دست بدهد، نمی‌تواند در دمای زیر 0 درجه سانتیگراد استفاده شود، پاسخ کند، حمل و نقل یا نوسان لرزش به عملکرد آن آسیب می‌رساند.

1.7

رطوبت سنج توپی خشک-مرطوب

1.7.1

اصل

رطوبت‌سنج گوی خشک-مرطوب از دو دماسنج با مشخصات یکسان تشکیل شده است، یکی دماسنج گوی خشک نام دارد و حباب دما در گاز اندازه‌گیری شده قرار می‌گیرد تا دمای محیط را اندازه‌گیری کند و مقدار نشانگر با Ta (ta) بیان می‌شود. دیگری دماسنج گوی مرطوب است که با یک پوشش گاز مخصوص پیچیده شده تا مرطوب بماند. هنگامی که هوای اطراف گوی مرطوب در حالت غیراشباع باشد، رطوبت روی پوشش گاز گوی مرطوب به طور مداوم تبخیر می‌شود، زیرا رطوبت تبخیر شده نیاز به جذب گرما دارد، بنابراین دمای گوی مرطوب کاهش می‌یابد، مقدار نشانگر آن با Tw(tw) بیان می‌شود. سرعت تبخیر رطوبت گوی مرطوب به میزان رطوبت گاز اطراف مربوط می‌شود. هنگامی که رطوبت گاز کمتر باشد، تبخیر رطوبت سریع‌تر است، دمای گوی مرطوب کمتر است و برعکس. پس از به دست آوردن دمای دقیق گوی‌های خشک و مرطوب، مقدار رطوبت با استفاده از معادله گوی‌های مرطوب محاسبه می‌شود.

به دلیل سادگی و هزینه کم، رطوبت سنج های توپی خشک-مرطوب برای مدت زمان قابل توجهی در گذشته پرکاربردترین نوع رطوبت سنج ها بوده اند.

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

Pros and cons

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.