Analisi dei vantaggi e degli svantaggi dei vari metodi di misurazione del punto di rugiada dell'umidità

principio di prova

Gli strumenti di misura dell'umidità possono essere suddivisi in strumenti a specchio freddo, strumenti a elettrolisi ad assorbimento completo, strumenti a capacità Al2O3, strumenti a film sottile, strumenti a resistenza, strumenti a sfera secco-umido e strumenti meccanici. Tra questi, il micrometro elettrolitico ad assorbimento completo e il misuratore del punto di rugiada capacitivo Al2O3 sono generalmente utilizzati per la misurazione di bassi intervalli di umidità, mentre l'igrometro meccanico a resistenza, a sfera secco-umido, può essere utilizzato solo per la misurazione dell'umidità relativa; l'igrometro a specchio freddo, strumenti a capacità a film sottile (brevetto Vaisala) può essere utilizzato non solo per la misurazione di bassi livelli di umidità, ma anche per la misurazione di umidità media e alta, ovvero l'umidità relativa. Gli strumenti sopra menzionati presentano vantaggi e svantaggi. Tra questi, il misuratore del punto di rugiada a specchio freddo è il metodo di misurazione più preciso, affidabile e basilare, ampiamente utilizzato nella trasmissione standard, ma ha lo svantaggio di essere relativamente costoso e di richiedere un utilizzo e una manutenzione accurati.

1.1

Misuratore del punto di rugiada a specchio freddo

1.1.1

Principio di misura

Quando l'umidità misurata entra nella camera di misurazione del punto di rugiada, la superficie fredda dello specchio viene spazzata via; quando la temperatura della superficie dello specchio è superiore alla temperatura del punto di rugiada dell'umidità, la superficie dello specchio è asciutta; in questo momento, la luce emessa dalla sorgente luminosa nel dispositivo di esposizione fotoelettrica viene quasi completamente riflessa sulla superficie dello specchio, il sensore fotoelettrico rileva e invia il segnale fotoelettrico, e il circuito di controllo confronta, amplifica e aziona la pompa termoelettrica per raffreddare la superficie dello specchio. Quando la temperatura della superficie dello specchio scende alla temperatura del punto di rugiada dell'umidità, la superficie inizia a condensarsi (brina), la luce appare come una riflessione diffusa sulla superficie dello specchio, il segnale di riflessione indotto dal sensore fotoelettrico viene indebolito, la variazione viene confrontata dal circuito di controllo e amplificata, la pompa termoelettrica viene regolata per ridurre adeguatamente la potenza di refrigerazione, infine, la temperatura della superficie dello specchio viene mantenuta alla temperatura del punto di rugiada del gas campione. La temperatura dello specchio viene indotta da un sensore di temperatura a resistenza di platino, situato vicino alla parte inferiore della superficie fredda dello specchio, e visualizzato sulla finestra del display.

Attualmente, le aziende mondiali che producono misuratori del punto di rugiada a specchio freddo, come GE, Edgetech, la svizzera MBW e così via, adottano tutte questo principio; la britannica MICHELL adotta un sistema di rilevamento del percorso ottico doppio, ovvero la luce riflessa e la luce diffusa vengono rilevate contemporaneamente; la finlandese Vaisala utilizza le onde acustiche come sistema di rilevamento.

Durante il processo di misurazione, il vapore acqueo nel gas misurato si avvicina allo stato di saturazione con la diminuzione della temperatura. A causa dell'effetto gravitazionale, le molecole d'acqua si adsorbono sulla superficie dello specchio formando un sottile film d'acqua. Questa è la prima fase della formazione della rugiada. Man mano che la temperatura dello specchio continua a diminuire, lo spessore del film d'acqua aumenta gradualmente, che rappresenta la seconda fase della formazione della rugiada. In questa fase, il contrasto di forza tra la forza gravitazionale delle molecole d'acqua e la tensione superficiale del film d'acqua cambia, e l'influenza di quest'ultima prevale gradualmente. In questa fase, qualsiasi fattore instabile sulla superficie di raffreddamento, come la piccola cicatrice sulla superficie dello specchio, causerà la condensazione del film d'acqua in goccioline. Con l'ulteriore diminuzione della temperatura dello specchio, iniziano ad apparire le gocce di rugiada. Al microscopio, possiamo osservare la crescita isolata e la distribuzione irregolare delle gocce di rugiada, e quindi lo strato di rugiada diffondersi sulla superficie a una velocità molto elevata. A questo punto, possiamo supporre che abbia inizio l'equilibrio liquido-vapore, ovvero il raggiungimento del punto di rugiada.

1.1.2

Struttura

1.1.2.1

Specchio

Lo specchio deve essere idrofobo, avere una buona conduttività termica, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e buone prestazioni ottiche. In passato, come specchio si utilizzava l'oro, ora si usa il rodio.

1.1.2.2

Raffreddamento a specchio

In passato sono stati utilizzati l'evaporazione dell'etere etilenico, la refrigerazione meccanica, la refrigerazione a gas liquefatto o ghiaccio secco e la refrigerazione ad aria compressa. La refrigerazione più comunemente utilizzata è quella termoelettrica o termoelettrica combinata con refrigerazione meccanica (punto di rugiada inferiore a -60 °C). In questo articolo, l'attenzione è rivolta alla refrigerazione termoelettrica.

La refrigerazione termoelettrica, nota anche come refrigerazione a semiconduttore, è la refrigerazione di Palput (dal nome inglese Peltier). Il principio è che quando una corrente continua attraversa un elemento NP composto da due metalli diversi, il calore viene trasferito da un metallo all'altro, il che è esattamente l'opposto della misurazione della temperatura tramite termocoppia. Pertanto, quando l'estremità fredda di Palter è collegata allo specchio e l'altra estremità viene utilizzata come estremità di dissipazione del calore, lo specchio può essere raffreddato. Per ottenere diverse basse temperature, è possibile adottare un metodo di sovrapposizione multilivello. I dati forniti dalla società statunitense GE mostrano che, in generale, se la temperatura ambiente è di 25 °C, la differenza di temperatura tra l'estremità fredda e quella fredda può raggiungere i 55 °C, la differenza di temperatura tra l'estremità fredda e quella fredda può raggiungere i 75 °C, la differenza di temperatura tra l'estremità fredda e quella fredda può raggiungere i 105 °C e la differenza di temperatura tra l'estremità fredda e quella fredda può raggiungere i 120 °C con la quinta refrigerazione. La capacità di raffreddamento delle diverse aziende varia leggermente. Maggiore è la temperatura all'estremità calda, maggiore è l'efficienza di raffreddamento e maggiore è la differenza di temperatura all'estremità calda. Per ridurre la temperatura dell'estremità fredda, si utilizzano solitamente il raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad acqua e la refrigerazione meccanica. Tuttavia, non è possibile ridurre la temperatura senza limiti. È importante notare che la sua capacità di refrigerazione non rappresenta l'intervallo di misura dell'igrometro a punto di rugiada. La definizione dell'intervallo di misura dell'igrometro a punto di rugiada è che la temperatura della superficie dello specchio può essere ottenuta sulla superficie dello specchio e la temperatura della superficie dello specchio può essere ottenuta quando lo strato di rugiada o brina ha un certo spessore. Pertanto, al di sotto del punto di rugiada/brina generale, l'intervallo di misura dell'igrometro a punto di rugiada è generalmente di 5 °C superiore alla sua capacità di raffreddamento, e al di sotto del punto di brina basso, è generalmente di 10 °C~12 °C superiore. Ad esempio, il misuratore del punto di rugiada DP19 prodotto dalla società svizzera MBW, a una temperatura ambiente di 10 °C, ha un intervallo di misura minimo di -60 °C, a una temperatura ambiente di 20 °C è di -55 °C e a una temperatura ambiente di 35 °C è di -45 °C. A causa dell'elevata conduttività termica dell'idrogeno e dell'elio, l'intervallo di misura si riduce di diversi gradi. All'aumentare della pressione del gas misurato, anche l'intervallo di misura si riduce. Per aria e azoto, in condizioni di pressione superiore al normale, per ogni ulteriore aumento della pressione atmosferica, l'intervallo di misura si riduce di circa 0,67 °C.

1.1.2.3

Dispositivo di misurazione della temperatura

Attualmente, la maggior parte delle resistenze al platino a quattro fili viene utilizzata per misurare la temperatura. Il valore di resistenza e la temperatura dell'elemento sensibile alla resistenza al platino sono prossimi alla relazione lineare in un intervallo di temperatura piuttosto ampio, la precisione è elevata, la stabilità è buona, il segnale di uscita è forte e il display digitale è pratico.

1.1.2.4

Sistema di rilevamento

Attualmente, ad eccezione del misuratore del punto di rugiada a specchio freddo sviluppato di recente dalla finlandese Vaisala Company, che adotta il principio delle onde sonore per la misurazione, tutti gli altri dispositivi utilizzano un rilevatore fotoelettrico per la misurazione e il controllo. La tecnologia di rilevamento fotoelettrico è utilizzata da diversi decenni ed è ormai consolidata. Tuttavia, il suo svantaggio è che non riesce a distinguere l'acqua surraffreddata dalla brina.

1.1.3

Precauzioni per l'uso

1.1.3.1

Acqua surraffreddata e gelo

Nell'intervallo 0-20 °C, l'acqua sopraffusa si forma facilmente sulla superficie dello specchio. Poiché la pressione del vapore saturo sulla superficie del ghiaccio e quella sulla superficie dell'acqua sono diverse, se si forma acqua sopraffusa sulla superficie dello specchio, il valore misurato è inferiore al punto di brina e la temperatura è diversa. Ad esempio, quando il punto di brina è -10 °C, la corrispondente temperatura dell'acqua sopraffusa è -11,23 °C. Quindi, prestare molta attenzione a questa temperatura. Se lo strumento è dotato di un endoscopio, è possibile osservarlo e distinguerlo tramite l'endoscopio. Attualmente, la maggior parte degli strumenti ha la funzione di test, ovvero di verificare la capacità minima di raffreddamento. Al momento, possiamo utilizzare la funzione di test per portare la temperatura dello specchio a un valore inferiore a -20 °C, verificare la brina sullo specchio e quindi effettuare una misurazione formale.

1.1.3.2

effetto Kelvin

La pressione del vapore acqueo saturo sulla superficie è diversa da quella sul piano. Quando esposto alla superficie metallica, la pressione del vapore acqueo all'equilibrio, ovvero la pressione del vapore acqueo saturo sulla superficie curva dell'acqua, aumenta a causa dell'effetto della tensione superficiale, noto come effetto Kelvin. A causa dell'effetto Kelvin, la temperatura del punto di rugiada ottenuta è inferiore alla temperatura del punto di rugiada del gas effettivamente misurato.

1.1.3.2

Effetto Raoul

Ciò significa che la pressione di vapore acqueo all'equilibrio del sistema è inferiore alla pressione di vapore acqueo saturo dell'acqua pura quando la sostanza idrosolubile è presente sullo specchio. Queste sostanze idrosolubili possono essere intrinseche allo specchio o contenute nel gas misurato. Secondo la legge di Raoul, la diminuzione della pressione di vapore acqueo all'equilibrio è proporzionale alla concentrazione della soluzione, motivo per cui si verificherà una condensazione precoce prima di raggiungere la temperatura di rugiada del gas misurato.

L'effetto Kelvin è esattamente l'opposto dell'effetto Raoul, quindi compenserà in parte. Tuttavia, nella misurazione del punto di rugiada, l'effetto Raoul è più significativo dell'effetto Kelvin, poiché le sostanze idrosolubili sono inevitabilmente presenti in quantità maggiore o minore nello specchio e nel gas misurato, e le impurità presenti nel gas possono talvolta reagire chimicamente o fotochimicamente con le sostanze insolubili in acqua presenti sullo specchio, convertendole in sostanze solubili. Questa situazione è più evidente nella misurazione dell'umidità dei gas di processo industriale. Pertanto, è necessario rimuovere le particelle solide presenti nel gas adottando un dispositivo di filtraggio adeguato e rimuovere ulteriormente le sostanze solubili rimaste sulla superficie dello specchio mediante ripetute operazioni di condensazione e deumidificazione; questo metodo è ampiamente utilizzato.

Nella pratica, spesso riscontriamo che la superficie dello specchio non è uniforme quando inizia a essere esposta; lo strato appare sempre in una certa area dello specchio. Il motivo è spesso causato da graffi sullo specchio, perché in queste aree difettose, da un lato, il materiale residuo non è facile da rimuovere, dall'altro, i difetti degli angoli svolgono il ruolo di "nucleo esposto", accelerando il processo di esposizione. Pertanto, nell'uso del misuratore del punto di rugiada, soprattutto durante la pulizia dello specchio, è necessario prestare attenzione a evitare danni meccanici allo specchio.

1.1.3.3

Contaminazione dello specchio

Uno è l'effetto Raoul, l'altro è la modifica del livello di diffusione speculare di fondo. L'effetto Raoul è causato principalmente da sostanze idrosolubili. Se la sostanza è presente nel gas misurato (generalmente sali solubili), lo specchio si condensa in anticipo, causando una deviazione positiva dei risultati di misura. Se gli inquinanti sono insolubili in particelle d'acqua, come polvere, ecc., il livello di diffusione dello sfondo aumenta, portando a zero la deriva del misuratore fotoelettrico del punto di rugiada.

1.1.3.4

Canale di campionamento

Poiché il contenuto d'acqua nell'atmosfera è molto elevato e le molecole d'acqua sono polari, è facile che vengano assorbite dalla parete interna della tubazione o attraverso la tubazione stessa. Pertanto, il sistema di percorso del gas deve essere ben sigillato durante la misurazione, con uno spessore della parete della tubazione di almeno 1 mm, in modo da impedire l'infiltrazione di acqua dall'ambiente esterno nella perdita. Se la temperatura dell'ambiente di misurazione varia notevolmente, è necessario verificare nuovamente la tenuta della tubazione.

Se il gas misurato viene scaricato direttamente in atmosfera, è necessario considerare il problema della diffusione dell'acqua nel sistema di misura. Il metodo più comunemente utilizzato consiste nel collegare un tubo di lunghezza adeguata alla porta di scarico. La lunghezza e il diametro del tubo si basano sul principio di non influenzare la pressione della camera di misura.

La tubazione di campionamento deve essere la più corta possibile, il numero di giunti deve essere ridotto ed è necessario evitare lo "spazio morto" in modo da ridurre l'interferenza dell'acqua di fondo.

La tubazione di campionamento e la parete della cavità di misura sono pulite, la superficie è buona e il materiale idrofobico è selezionato. La Figura 2-2 mostra la curva tempo-desorbimento di vari materiali quando vengono sottoposti a gas secco nello stato di adsorbimento saturo. Dai risultati sperimentali possiamo ricavare il seguente ordine di selezione dei materiali: tubi in acciaio inossidabile, PTFE, rame, polietilene e, peggio ancora, in nylon e gomma, non dovrebbero essere utilizzati nelle misurazioni a basso punto di gelo. Inoltre, il diametro esterno del tubo è di 6 mm o 1/4 di pollice, sebbene il tubo interno in acciaio inossidabile lucidato venga utilizzato nella misurazione a basso punto di gelo.

Quando si misura il punto di rugiada alto, bisogna fare attenzione che sia inferiore alla temperatura ambiente di 3°C per evitare la condensazione del vapore acqueo nella tubazione.

Quando l'igrometro a punto di rugiada misura l'umidità, l'intervallo di portata è compreso tra 0,25 l/min e 1 l/min. In questo intervallo, la variazione della velocità di flusso non influisce sui risultati della misurazione.

Il campionamento può essere suddiviso in due tipi: il primo è il campionamento a pressione, che, a seconda dei diversi metodi di campionamento, può essere suddiviso in misurazione della pressione e misurazione della pressione atmosferica. Vedere rispettivamente le figure 2-3 e 2-4. Il secondo tipo è quello a pressione atmosferica, ovvero il campione viene prelevato tramite pompa. In questo caso, spesso si generano pressioni artificiali positive e negative a causa dei diversi metodi di campionamento. Se si esegue il campionamento come mostrato nella Figura 2-5, il misuratore del punto di rugiada viene misurato in condizioni di pressione, ciò comporterà un errore positivo nei risultati di misurazione. Se la pompa e il misuratore di portata si scambiano di posizione, il misuratore del punto di rugiada si trova in condizioni di pressione negativa, ciò comporterà un errore negativo nella misurazione. Il metodo di campionamento corretto è mostrato nelle figure 2-6.

1.1.4

Applicazione

L'intervallo di misura dell'igrometro a punto di rugiada è ampio. Attualmente, l'intervallo di misura di una serie di igrometri a punto di rugiada sviluppati dalla società svizzera MBW raggiunge -95°C~70°C, soddisfacendo la maggior parte dei requisiti di misurazione.

1.1.5

Pro e contro

Vantaggi: si tratta di una misurazione di base, accurata e stabile, con uno strumento privo di deriva. Lo strumento con la massima precisione può raggiungere ±0,1 °C.

Svantaggi: prezzo elevato, elevati requisiti per gli operatori e necessità di manutenzione. Sensibile agli inquinanti. A volte l'acqua è sottoraffreddata nell'intervallo -20°C~0°C, quindi è necessario prestare particolare attenzione a distinguere l'acqua sottoraffreddata dal gelo.

1.2

Un micro contatore d'acqua per elettrolisi ad assorbimento completo

1.2.1

Principio di misura

Mediante campionamento continuo, il campione di gas fluisce attraverso una cella elettrolitica dalla struttura speciale, la cui umidità viene assorbita dallo strato di pentossido di fosforo come agente igroscopico e scaricata per elettrolisi in idrogeno e ossigeno, mentre il pentossido di fosforo viene rigenerato. Il processo di reazione può essere espresso come:

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

Combinando (1), (2), si otterrà:

2H2O=2H2+O2 

Quando l'assorbimento e l'elettrolisi sono bilanciati, l'acqua che entra nella cella elettrolitica viene assorbita dallo strato di film di pentossido di fosforo e viene elettrolizzata. Se sono noti la temperatura ambiente, la pressione ambiente e il flusso di gas, la relazione tra la corrente elettrolitica dell'acqua e il contenuto d'acqua del campione di gas può essere dedotta secondo la legge di Faraday sull'elettrolisi e la legge dei gas:

Nella formula:

Corrente elettrolitica dell'acqua, μΑ;

Contenuto di acqua nel campione di gas, μL/L (ovvero rapporto di volume)

Flusso di gas, ml/min

Pressione ambientale, Pa;

Temperatura assoluta dell'ambiente, k;

Come si può vedere dalla formula sopra, l'entità della corrente elettrolitica è proporzionale al contenuto d'acqua nel campione di gas, quindi il contenuto d'acqua nel campione di gas può essere misurato misurando la corrente elettrolitica dell'acqua. In condizioni di pressione atmosferica standard e temperatura di 20 °C, un gas ideale fluisce attraverso la cella elettrolitica a una portata di 100 ml/min. Quando il contenuto d'acqua nel campione di gas è 1 μL/L (ppmv), la corrente elettrolitica viene calcolata dalla formula come 13,4 μΑ. Questo tipo di strumento solitamente accetta ppmv come unità di misura e può leggere direttamente il valore ppmv del contenuto di umidità nel campione di gas.

Grazie all'effetto catalitico dell'elettrodo di platino, la reazione di elettrolisi dell'acqua è un processo reversibile, quindi quando il campione di gas misurato è idrogeno, ossigeno o contiene abbastanza idrogeno e ossigeno, l'equilibrio si sposta verso sinistra, l'idrogeno e l'ossigeno prodotti dall'elettrolisi si combinano per generare acqua, quindi viene eseguita l'elettrolisi secondaria, in modo che il valore totale della corrente di elettrolisi sia più alto, ovvero l'"effetto idrogeno" e l'"effetto ossigeno", o "effetto composito". L'esperimento mostra che la lettura di questo tipo di gas è più alta da diverse a decine di ppmv quando lo strumento viene utilizzato per misurare il contenuto d'acqua di questo tipo di gas, ma la deviazione della reazione di concentrazione è sul valore di fondo, quindi può essere dedotta.

1.2.2 

Struttura

Lo strumento è composto da due parti: un sistema di percorso del gas e un circuito; il sistema di percorso del gas comprende principalmente una cella elettrolitica e una parte di controllo del percorso del gas.

1.2.2.1

Batteria

Nel tubo di vetro, due elettrodi di platino sono avvolti a doppia spirale e un film di pentossido di fosforo è uniformemente rivestito tra gli elettrodi come agente igroscopico. Nelle condizioni di misura specificate, la struttura dell'avvolgimento interno può garantire l'assorbimento e l'elettrolisi di tutta l'acqua che entra nella piscina. La parete in vetro della piscina favorisce il rivestimento uniforme di pentossido di fosforo. Poiché il platino ha la funzione di generare idrogeno e ossigeno, in particolare gas ricchi di idrogeno, che reagiscono nuovamente per generare acqua, alcune aziende hanno adottato il rodio al posto del platino.

Per il rivestimento di pentossido di fosforo secco, quando si introduce un campione di gas "assolutamente secco" e si applica un'adeguata tensione continua all'elettrodo, nel circuito si genera un piccolo valore di corrente di fondo. Il valore di fondo è correlato solo alla struttura della cella, alle condizioni del rivestimento, alla temperatura e al tipo di campione, ma non al contenuto d'acqua del campione. Poiché il valore di fondo può sempre essere sommato alla corrente elettrolitica dell'umidità contenuta nel campione di gas, il contenuto di umidità reale del mezzo deve essere dedotto dalla lettura dello strumento durante la misurazione.

1.2.2.2

Sistema di controllo pneumatico

Il sistema pneumatico è composto da valvola di controllo, cella elettrolitica, valvola di regolazione del flusso, flussimetro ed essiccatore. Il controllo del flusso d'aria avviene tramite la valvola di controllo.

1.2.3 

Precauzioni per l'uso

Dalla formula, possiamo sapere che i risultati della misurazione, ovvero l'umidità del gas μL/L (ppmv), vengono calcolati in base al flusso di gas e alla corrente elettrolitica, quindi il flusso di gas deve essere controllato e misurato con precisione. Questo tipo di strumento utilizza generalmente un misuratore di portata a galleggiante, sotto i 20 °C, 1 atm, e utilizza l'aria per la calibrazione. Se le condizioni d'uso non sono standard, ad esempio a una temperatura e pressione diverse, o il gas misurato non è aria, il gas misurato deve essere nuovamente calibrato o corretto in base a un fattore di correzione.

1.2.4 

Applicazione

L'intervallo di misura va da diversi μL/L (ppmV) a 2000 μL/L (ppmV) e la precisione è del 5% della lettura o dell'1% dell'intero intervallo. L'invenzione può essere utilizzata per una pluralità di gas inerti, alcuni gas organici e inorganici che non reagiscono con P2O5. Tra gli esempi figurano aria, azoto, idrogeno, ossigeno, argon, elio, neon, monossido di carbonio, anidride carbonica, esafluoruro di zolfo, metano, etano, propano, butano, gas naturale e alcuni gas freon. Non può essere utilizzata per alcuni gas corrosivi e gas che possono reagire con P2O5, come l'etanolo, alcuni gas acidi e gas idrocarburici insaturi.

1.2.5 

Pro e contro

Vantaggi: misurazione assoluta, stabile, nessuna deriva.

Svantaggi: la durata della batteria è limitata e deve essere rigenerata. Sia l'umidità elevata che quella bassa (<1 ppmv) ne riducono la durata. Risposta lenta in condizioni di bassa umidità. La richiesta di portata del gas è elevata. Non può essere utilizzato in alcuni gas corrosivi e gas che reagiscono con P2O5. C'è un background.

1.3

Misuratore di umidità capacitivo all'ossido di alluminio

1.3.1

Principio di misura, struttura e campo di applicazione

Lo strumento è disponibile in diverse forme, come dispositivi portatili a batteria, dispositivi di elaborazione dati con microprocessore, display multiparametro e così via. Ma la sua essenza è un condensatore, ottenuto depositando un sottile strato di allumina porosa su un substrato conduttivo e quindi applicando un sottile strato d'oro al sottile strato di allumina. Il substrato conduttivo e il sottile strato d'oro formano l'elettrodo del condensatore. Il vapore acqueo viene assorbito dall'allumina porosa attraverso il sottile strato d'oro e l'impedenza del condensatore è proporzionale al numero di molecole d'acqua, ovvero alla pressione del vapore acqueo. La pressione parziale di umidità può essere ottenuta misurando l'impedenza o la capacità del condensatore, mentre il valore del punto di rugiada può essere ottenuto tramite conversione.

Il sottile strato di ossido di alluminio situato tra gli elettrodi di alluminio e oro è sensibile all'acqua in tutto l'intervallo di pressione di vapore saturo da 10-3 Pa (circa -110 °C di punto di rugiada). Grazie alla sua forte affinità per l'acqua, unita alla sua maggiore costante dielettrica, tali strumenti sono altamente selettivi per l'acqua, ma non sono sensibili ad altri gas comuni, gas e liquidi organici.

La precisione è di ±1~±2 °C nell'intervallo di umidità media e alta e di ±2~±3 °C nell'intervallo di umidità bassa, come -100 °C. Il sensore non reagisce con idrocarburi gassosi, CO, CO2 e gas contenenti HCFC, ma la deriva dei diversi gas è diversa. Alcuni gas corrosivi, come ammoniaca, SO3 e cloro, danneggiano il sensore e devono essere evitati il ​​più possibile.

1.3.2

Precauzioni per l'uso

L'intervallo di misura usuale di questo tipo di strumento è compreso tra -110°C e +20°C. Quando il punto di rugiada è più alto, lo strumento produrrà una deriva maggiore. Occorre prestare attenzione anche al coefficiente di temperatura. Data la sua risposta alla pressione parziale del vapore acqueo, è necessario prestare attenzione alla variazione della pressione totale del gas durante la misurazione.

Può evitare l'inquinamento da polvere e olio e la portata del gas è maggiore, ovvero 3~5 (L/min) o anche di più.

1.3.3

Pro e contro

Vantaggi: l'invenzione ha un ampio intervallo di risposta, da 1 μL/L (ppmv) all'80% RH, può essere installata in remoto, può essere utilizzata sul campo, ha una risposta relativamente stabile e rapida, un piccolo coefficiente di temperatura, non ha alcuna relazione con la variazione della portata, ha un'elevata selettività per l'acqua, può essere utilizzata in un'ampia gamma di temperature e pressioni, richiede una piccola manutenzione giornaliera e un piccolo volume.

Svantaggio: il metodo è una misura indiretta, che opera a temperature più elevate o con alcuni gas che causano deriva, influenzata da gas corrosivi, e deve essere calibrata periodicamente per superare invecchiamento, isteresi e contaminazione. Poiché il valore di risposta è non lineare, ogni sensore deve essere calibrato e non può essere utilizzato universalmente.

1.4

Misuratore di umidità capacitivo a film sottile

1.4.1

Principio di misura, struttura e campo di applicazione

Si utilizza un film polimerico di sale di poliammina o di acetato di cellulosa depositato su due elettrodi conduttivi. La costante dielettrica tra i due elettrodi può essere modificata quando il film assorbe o perde acqua. Esiste anche una tecnica che utilizza polimeri termoindurenti resistenti alle alte temperature, che consente a questi sensori di misurare in continuo a temperature superiori a 100 °C. Attualmente utilizzo film ad alto peso molecolare come Visala.

1. La funzione principale è quella di supportare altre parti del sensore.

2. Uno degli elettrodi è realizzato in materiale conduttivo

3. Strato di pellicola sottile. È il cuore del sensore; la quantità di assorbimento d'acqua della pellicola è correlata all'umidità relativa dell'ambiente circostante. Lo spessore della pellicola è compreso tra 1 e 10 (μm).

4. Anche l'elettrodo superiore svolge un ruolo importante nelle prestazioni del sensore. Per ottenere una risposta rapida, è necessario che abbia una maggiore permeabilità all'acqua. È anche un materiale conduttivo.

5. Una piazzola di contatto per un elettrodo superiore. Poiché ci sono molte restrizioni sulla progettazione dell'elettrodo superiore, è necessario un metallo separato per realizzare un buon contatto.

L'intervallo di misura è ampio, da -50°C a 100°C di punto di rugiada. Può essere utilizzato in un ampio intervallo di temperatura, talvolta senza compensazione di temperatura. Le resine termoindurenti resistenti alle alte temperature consentono misurazioni continue di questi sensori di umidità capacitivi a temperature di 185°C, con la temperatura massima utilizzata a seconda del materiale di imballaggio del sensore. Un altro vantaggio dei sensori in resina termoindurente è che il coefficiente di temperatura è basso nell'intervallo di temperatura da -50°C a 100°C, quindi può essere facilmente misurato in un ampio intervallo.

Tutti i sensori di umidità relativa sono sensibili alla temperatura e, se calibrati a una determinata temperatura, causeranno errori se utilizzati a una temperatura diversa. Un vantaggio dei sensori polimerici è la loro minore dipendenza dalla temperatura, ovvero coefficienti di temperatura più bassi. Pertanto, quando la temperatura di utilizzo è diversa dalla temperatura di calibrazione, l'errore è ridotto. La compensazione elettronica della temperatura è necessaria se utilizzati alla temperatura limite o se la precisione è elevata. Quando l'intervallo di temperatura è inferiore a 50 °C, è facile compensare la temperatura. Quando l'intervallo di temperatura è più ampio, è difficile compensare la temperatura. Tuttavia, la precisione dei moderni sensori polimerici può raggiungere ±1%UR in un intervallo ristretto e ±3%UR in un ampio intervallo di temperatura e umidità. Dopo un periodo di utilizzo o in caso di contaminazione, è necessaria una ricalibrazione.

1.4.2

Pro e contro

Vantaggi: il sistema presenta i seguenti vantaggi: risposta rapida, ampio intervallo di misurazione della temperatura e dell'umidità, buona linearità, bassa isteresi, buona stabilità e ripetibilità, basso coefficiente di temperatura e basso costo.

Svantaggio: quasi nulla.

1.5

Misuratore di umidità a resistenza

1.5.1

Principio di misura e struttura

Il materiale sensibile assume come matrice la soluzione polimerica di sale di ammonio quaternario e il gruppo funzionale viene fatto reagire con il polimero di resina per produrre una resina termoindurente tridimensionale e con buona stabilità. La variazione di umidità relativa può portare a una variazione di resistenza tra catodo e anodo.

1.5.2

Pro e contro

Non presenta isteresi e invecchiamento, ha un basso coefficiente di temperatura, è economico e consuma poca energia. L'intervallo di temperatura è compreso tra -10°C e 80°C, la ripetibilità è migliore dello 0,5% di umidità relativa, la precisione è maggiore, generalmente ±2% di umidità relativa, ma in un intervallo molto ristretto può raggiungere ±1% di umidità relativa.

Svantaggi: è uno strumento di misura indiretto, che deve essere calibrato periodicamente e non è adatto ad alcuni inquinanti. Se utilizzato in un ampio intervallo di temperatura, necessita di compensazione della temperatura. È più sensibile agli inquinanti rispetto al sensore capacitivo. Non è adatto a bassa umidità, perde sensibilità quando l'umidità relativa è inferiore al 15% di umidità relativa, ma offre comunque buone prestazioni quando l'umidità relativa è prossima al 100% di umidità relativa, sebbene la condensa a volte danneggi il sensore.

Alcuni inquinanti hanno una notevole influenza sul sensore di resistenza, mentre altri hanno una notevole influenza sul sensore di capacità. Pertanto, la scelta del sensore dipende principalmente dalla natura degli inquinanti.

1.6

Misuratore di umidità meccanico

1.6.1

Principio di misura e struttura

La lunghezza dei materiali polimerici organici come capelli, membrane intestinali, nylon e poliimmide varia con l'umidità relativa. L'igrometro meccanico sfrutta questa caratteristica per trasformare il materiale sopra descritto in un elemento di rilevamento dell'umidità lineare a forma di striscia o in un rivestimento di materiale elastico che si arrotola in un elemento di rilevamento dell'umidità a forma di filo libero. Successivamente, tramite il dispositivo di amplificazione meccanica, la variazione della quantità geometrica causata dalla variazione di umidità viene indicata da un puntatore o registrata da una penna di registrazione, indicando così direttamente l'umidità relativa. L'invenzione è adatta per misurare la temperatura e l'umidità in ambienti interni come laboratori, sale computer, magazzini e capannoni industriali.

1.6.2

Pro e contro

Vantaggi: economico, non sensibile alla maggior parte degli inquinanti, senza alimentazione e registrazione permanente

Svantaggi: deriva, se utilizzato a una certa umidità per un lungo periodo perderà la sua sensibilità, non può essere utilizzato al di sotto di 0°C, risposta lenta, oscillazione del trasporto o delle vibrazioni ne danneggeranno le prestazioni.

1.7

Misuratore di umidità a sfera asciutta-bagnata

1.7.1

Principio

L'igrometro a sfera asciutta-umida è composto da due termometri con specifiche identiche: uno è chiamato termometro a sfera asciutta, e la bolla di temperatura è esposta nel gas misurato per misurare la temperatura ambiente; il valore indicato è espresso da Ta (ta). L'altro è un termometro a sfera bagnata, che è avvolto in una speciale garza per mantenerlo umido. Quando l'aria attorno alla sfera bagnata è insatura, l'umidità sulla garza della sfera bagnata evapora continuamente, poiché l'umidità evaporando deve assorbire calore, quindi la temperatura della sfera bagnata diminuisce; il suo valore indicato è espresso da Tw (tw). La velocità di evaporazione dell'umidità della sfera bagnata è correlata al contenuto di umidità del gas circostante. Quando l'umidità del gas è inferiore, l'evaporazione dell'umidità è più rapida, la temperatura della sfera bagnata è inferiore e viceversa. Dopo aver ottenuto la temperatura accurata delle sfere asciutte e bagnate, il valore di umidità viene calcolato mediante l'equazione delle sfere bagnate.

Grazie alla loro semplicità e al basso costo, gli igrometri a sfera secco-umido sono stati per un considerevole periodo di tempo il tipo più utilizzato in passato.

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

Pro e contro

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.