ניתוח היתרונות והחסרונות של שיטות שונות למדידת נקודת טל של לחות

עקרון הבדיקה

ניתן לחלק את מכשירי מדידת הלחות לסוגים שונים: מראה קרה, אלקטרוליזה בעלת ספיגה מלאה, קיבול Al2O3, קיבול שכבה דקה, התנגדות, כדור יבש-רטוב וסוג מכני. ביניהם, מד מים מיקרו-אלקטרוליזה בעלת ספיגה מלאה ומד נקודת טל קיבולי Al2O3 משמשים בדרך כלל למדידת טווח לחות נמוך, בעוד שסוגי התנגדות, כדור יבש-רטוב ומד לחות מכני יכולים לשמש רק למדידת לחות יחסית. מד לחות מסוג מראה קרה ומד קיבול שכבה דקה (פטנט של Vaisala) יכול לשמש לא רק למדידת לחות נמוכה, אלא גם למדידת לחות בינונית וגבוהה, כלומר לחות יחסית. למכשירים שהוזכרו לעיל יתרונות וחסרונות משלהם. ביניהם, מד נקודת טל במראה קרה הוא המדויק ביותר, האמין ביותר והבסיסי ביותר, והוא נמצא בשימוש נרחב בתיבת הילוכים סטנדרטית, אך חסרונו הוא מחירו היקר יחסית ודורש תפעול ותחזוקה מנוסים.

1.1

מד נקודת טל במראה קרה

1.1.1

עקרון המדידה

כאשר הלחות הנמדדת נכנסת לתא מדידת נקודת הטל, משטח המראה הקר נסחף; כאשר טמפרטורת משטח המראה גבוהה מטמפרטורת נקודת הטל של הלחות, משטח המראה במצב יבש; בשלב זה, האור הנפלט ממקור האור במכשיר החשיפה הפוטואלקטרית כמעט מוחזר על משטח המראה, החיישן הפוטואלקטרי חש ומוציא את האות הפוטואלקטרי, ומעגל הבקרה משווה, מגביר ומניע את המשאבה התרמואלקטרית לקרר את משטח המראה. כאשר טמפרטורת משטח המראה יורדת לטמפרטורת נקודת הטל של הלחות, המשטח מתחיל להטל (כפור), האור מופיע כהשתקפות מפושטת על משטח המראה, אות ההשתקפות המושרה על ידי החיישן הפוטואלקטרי נחלש, השינוי מושווה על ידי לולאת הבקרה, מוגבר, המשאבה התרמואלקטרית מותאמת כדי להפחית את עוצמת הקירור כראוי, ולבסוף, טמפרטורת משטח המראה נשמרת בטמפרטורת נקודת הטל של גז הדגימה. טמפרטורת המראה נגרמת על ידי חיישן טמפרטורה התנגדות פלטינה הקרוב לחלק התחתון של משטח המראה הקר ומוצגת בחלון התצוגה.

כיום, חברות העולם המייצרות מד נקודת טל במראה קרה, כמו GE, Edgetech, MBW משוויץ וכן הלאה, כולן מאמצות עיקרון זה. MICHELL הבריטית מאמצת מערכת גילוי נתיב אופטי כפול, כלומר, אור ההחזרה ואור הפיזור מזוהים בו זמנית. Vaisala הפינלנדית משתמשת בגלים אקוסטיים כמערכת גילוי.

במהלך תהליך המדידה, אדי המים בגז הנמדד קרובים למצב הרוויה עם ירידת הטמפרטורה. עקב השפעת הכבידה, מולקולות המים נספגות על פני המראה ויוצרות שכבת מים דקה. זהו השלב הראשון של היווצרות טל. כאשר טמפרטורת המראה ממשיכה לרדת, עובי שכבת המים עולה בהדרגה, וזהו השלב השני של היווצרות הטל. בשלב זה, ניגוד הכוחות בין כוח הכבידה של מולקולות המים לבין מתח הפנים של שכבת המים משתנה, והשפעתה של האחרונה גוברת בהדרגה. בשלב זה, כל גורם לא יציב על פני השטח הקירור, כגון צלקת זעירה על פני המראה, יגרום לשכבת המים להתעבות לטיפות. עם ירידה נוספת בטמפרטורת המראה, טיפות הטל מתחילות להופיע. דרך המיקרוסקופ, אנו יכולים לראות את הצמיחה המבודדת ואת ההתפלגות הלא סדירה של טיפות הטל, ולאחר מכן שכבת הטל מתפזרת על פני השטח במהירות גבוהה מאוד. בשלב זה, אנו יכולים לחשוב שמתחיל שיווי משקל נוזל-אדים, כלומר הגעה לנקודת הטל.

1.1.2

מִבְנֶה

1.1.2.1

מַרְאָה

המראה צריכה להיות הידרופובית, בעלת מוליכות תרמית טובה, עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני קורוזיה וביצועים אופטיים טובים. בעבר, זהב שימש כמראה, כיום רודיום משמש כמראה.

1.1.2.2

קירור מראה

בעבר נעשה שימוש באידוי אתילן אתר, קירור מכני, קירור בגז נוזלי או בקרח יבש, וקירור באוויר דחוס. הנפוץ ביותר הוא קירור תרמואלקטרי או קירור תרמואלקטרי בשילוב עם קירור מכני (נקודת טל מתחת ל-60°C-). במאמר זה, דגש הוא על קירור תרמואלקטרי.

קירור תרמואלקטרי, הידוע גם כקירור מוליך למחצה, הוא קירור Palput (משמו האנגלי Peltier). העיקרון הוא שכאשר זרם ישר עובר דרך אלמנט NP המורכב משתי מתכות שונות, החום יועבר ממתכת אחת לאחרת, בניגוד למדידת הטמפרטורה של הצמד התרמי. לכן, כאשר הקצה הקר של Palter מחובר למראה והקצה השני משמש כקצה פיזור חום, ניתן לקרר את המראה. על מנת להשיג טמפרטורות נמוכות שונות, ניתן לאמץ שיטת סופרפוזיציה רב-מפלסתית. הנתונים שניתנו על ידי חברת GE מארצות הברית מראים שבאופן כללי, אם טמפרטורת החדר היא 25 מעלות צלזיוס, הפרש הטמפרטורות בין הקצה הקר לקצה הקר יכול להגיע ל-55 מעלות צלזיוס, הפרש הטמפרטורות בין הקצה הקר לקצה הקר יכול להגיע ל-75 מעלות צלזיוס, הפרש הטמפרטורות בין הקצה הקר לקצה הקר יכול להגיע ל-105 מעלות צלזיוס, והפרש הטמפרטורות בין הקצה הקר לקצה הקר יכול להגיע ל-120 מעלות צלזיוס בעת קירור חמישי. קיבולת הקירור של חברות שונות תשתנה מעט. ככל שהטמפרטורה בקצה החם גבוהה יותר, כך יעילות הקירור גבוהה יותר, והפרש הטמפרטורה בקצה החם גדול יותר. על מנת להפחית את הטמפרטורה בקצה הקר, בדרך כלל משתמשים בקירור אוויר, קירור מים וקירור מכני כדי להפחית את הטמפרטורה בקצה החם. אך לא ניתן להפחית ללא גבולות. חשוב לציין כי קיבולת הקירור שלו אינה מייצגת את טווח המדידה של היגרומטר נקודת הטל. הגדרת טווח המדידה של היגרומטר נקודת הטל היא שניתן לקבל את טמפרטורת פני המראה על פני המראה, וניתן לקבל את טמפרטורת פני המראה כאשר שכבת הטל או הכפור היא בעובי מסוים. לכן, תחת נקודת הטל/כפור הכללית, טווח המדידה של היגרומטר נקודת הטל בדרך כלל גבוה ב-5 מעלות צלזיוס מיכולת הקירור שלו, ובנקודת כפור נמוכה, הוא בדרך כלל גבוה ב-10 מעלות צלזיוס ~ 12 מעלות צלזיוס. לדוגמה, מד נקודת הטל DP19 המיוצר על ידי חברת MBW בשוויץ, כאשר טמפרטורת החדר היא 10°C, טווח המדידה הנמוך ביותר שלו הוא -60°C, כאשר טמפרטורת החדר היא 20°C, טווח המדידה הנמוך ביותר שלו הוא -55°C, וכאשר טמפרטורת החדר היא 35°C, טווח המדידה הנמוך ביותר שלו הוא -45°C. בגלל המוליכות התרמית הגבוהה של מימן והליום, טווח המדידה יקטן בכמה מעלות. כאשר לחץ הגז הנמדד עולה, גם טווח המדידה יקטן. עבור אוויר וחנקן, בתנאים של לחץ גבוה מהרגיל, עם כל לחץ אטמוספרי נוסף, טווח המדידה יקטן בכ-0.67°C.

1.1.2.3

מכשיר למדידת טמפרטורה

כיום, רוב התנגדות הפלטינה בעלת ארבעת החוטים משמשת למדידת טמפרטורה. ערך ההתנגדות והטמפרטורה של רכיב החישה של התנגדות הפלטינה קרובים ליחס ליניארי בטווח טמפרטורות רחב למדי, הדיוק גבוה, היציבות טובה, אות הפלט חזק והתצוגה הדיגיטלית נוחה.

1.1.2.4

מערכת גילוי

כיום, מלבד מד נקודת הטל במראה קרה שפותח לאחרונה על ידי חברת Vaisala מפינלנד, המאמץ את עקרון גלי הקול למדידה, כל שאר המכשירים משמשים כגלאים פוטואלקטריים למדידה ובקרה. טכנולוגיית הגילוי הפוטואלקטרי נמצאת בשימוש כבר כמה עשורים, והיא בוגרת. אך חסרונה הוא שהיא אינה יכולה להבחין בין מים מקוררים במיוחד לבין מים כפור.

1.1.3

אמצעי זהירות לשימוש

1.1.3.1

מים מקוררים מאוד וכפור

בטווח של 0-20°C, נוצרים בקלות מים מקוררים במיוחד על פני המראה. מכיוון שלחץ האדים הרווי על פני הקרח ועל פני המים שונה, אם נוצרים מים מקוררים במיוחד על פני המראה, הערך הנמדד נמוך מנקודת הקיפאון, והטמפרטורה שונה. לדוגמה, כאשר נקודת הקיפאון היא -10°C, טמפרטורת המים המקוררים במיוחד המתאימה היא -11.23°C. לכן יש להיזהר מאוד בטמפרטורה זו. אם המכשיר מצויד באנדוסקופ, ניתן לצפות בו ולהבחין בו באמצעות האנדוסקופ. כיום, לרוב המכשירים יש פונקציית בדיקה, כלומר, לבדוק את קיבולת הקירור המינימלית שלהם. בשלב זה, אנו יכולים להשתמש בפונקציית הבדיקה כדי לוודא שטמפרטורת המראה נמוכה מ-20°C-, לוודא שהקיפאון על המראה ולאחר מכן לבצע מדידה רשמית.

1.1.3.2

אפקט קלווין

לחץ אדי המים הרווי על פני השטח שונה מזה שעל המישור. כאשר נחשפים למשטח המתכת, לחץ אדי המים בשיווי משקל, כלומר לחץ אדי המים הרווי על פני המים המעוקלים, עולה עקב השפעת מתח הפנים, המכונה אפקט קלווין. בגלל אפקט קלווין, טמפרטורת נקודת הטל המתקבלת נמוכה מטמפרטורת נקודת הטל של הגז הנמדד בפועל.

1.1.3.2

אפקט ראול

משמעות הדבר היא שלחץ אדי המים בשיווי משקל של המערכת נמוך מלחץ אדי המים הרווי של המים הטהורים כאשר החומר המסיס במים קיים על המראה. חומרים מסיסים במים אלה עשויים להיות מהותיים למראה או כלולים בגז הנמדד. על פי חוק ראול, הירידה בלחץ אדי המים בשיווי משקל היא פרופורציונלית לריכוז התמיסה, וזו הסיבה שתהיה עיבוי מוקדם לפני שתגיע לטמפרטורת נקודת הטל של הגז הנמדד.

אפקט קלווין הוא בדיוק ההפך מאפקט ראול, ולכן הוא יקזז במידה מסוימת. עם זאת, במדידת נקודת הטל, אפקט ראול משמעותי יותר מאפקט קלווין, מכיוון שחומרים מסיסים במים נוכחים באופן בלתי נמנע פחות או יותר במראה ובגז הנמדד, וזיהומים בגז עשויים לעיתים להתרחש תגובה כימית או תגובה פוטוכימית עם החומרים הבלתי מסיסים במים על המראה כדי להפוך לחומרים מסיסים. מצב זה בולט יותר במדידת לחות של גזי תהליכים תעשייתיים. לכן, יש צורך להסיר את החלקיקים המוצקים בגז על ידי אימוץ התקן סינון מתאים, ולהסיר עוד יותר את החומרים המסיסים שנותרו על פני המראה על ידי עיבוי טל חוזר ונשנה ופעולת הסרת טל, שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב.

בעבודה מעשית, אנו מגלים לעתים קרובות שפני המראה אינם אחידים כאשר המשטח מתחיל להיחשף, השכבה תמיד מופיעה באזור מסוים של המראה, הסיבה לכך היא לרוב שריטות על המראה, מכיוון שבאזורים פגומים אלה, מצד אחד, חומר שאריות אינו קל להסרה, ומצד שני, פגמים בפינה משחקים תפקיד של "ליבה חשופה", מה שמאיץ את תהליך החשיפה. לכן, בשימוש במד נקודת הטל, במיוחד בעת ניקוי המראה, יש להיזהר כדי למנוע נזק מכני למראה.

1.1.3.3

זיהום מראה

אחת מהן היא אפקט ראול, השנייה היא שינוי רמת פיזור הרקע הספקולרי. אפקט הראול נגרם בעיקר מחומרים מסיסים במים. אם החומר בגז הנמדד (בדרך כלל מלחים מסיסים), המראה תתקלף מראש, מה שיגרום לסטייה חיובית של תוצאות המדידה. אם המזהמים אינם מסיסים במים, חלקיקים כמו אבק וכו', רמת הפיזור של הרקע תגדל, כך שמד נקודת הטל הפוטואלקטרי יסחף לאפס.

1.1.3.4

ערוץ דגימה

מכיוון שתכולת המים באטמוספירה גבוהה מאוד, ומולקולת המים היא מולקולה קוטבית, קל להספג בדופן הפנימית של הצינור או דרכו. לכן, מערכת נתיב הגז חייבת להיות אטומה היטב במהלך המדידה, ועובי דופן הצינור הוא לפחות 1 מ"מ, על מנת למנוע חדירת מים מהסביבה החיצונית לדליפה. אם טמפרטורת סביבת המדידה משתנה באופן משמעותי, יש לבדוק שוב את איטום הצינור.

אם הגז הנמדד משוחרר ישירות לאטמוספירה, יש לקחת בחשבון את בעיית דיפוזיה של מים לתוך מערכת המדידה. השיטה הנפוצה ביותר היא חיבור צינור באורך מתאים לפתח הפליטה. אורך וקוטר הצינור מבוססים על העיקרון של אי-השפעה על לחץ תא המדידה.

יש לצמצם את צינור הדגימה ככל האפשר, להפחית את מספר החיבורים ולהימנע מ"שטחים מתים" כדי להפחית את ההפרעה של מי הרקע.

צינור הדגימה ודופן חלל המדידה נקיים, החלקות טובה, והחומר ההידרופובי נבחר. איור 2-2 מציג עקומת זמן הספיחה של חומרים שונים כאשר הם נחשפים לגז יבש במצב ספיחה רווי. מתוצאות הניסוי ניתן לקבל את סדר בחירת החומרים הבא: אין להשתמש בצינורות נירוסטה, PTFE, נחושת, פוליאתילן, וגרוע מכך, ניילון וגומי, במדידות בנקודת כפור נמוכה. בנוסף, הקוטר החיצוני של הצינור הוא 6 מ"מ או 1/4 אינץ', אם כי צינור נירוסטה מלוטשת פנימי משמש במדידת נקודת כפור נמוכה.

בעת מדידת נקודת הטל הגבוהה, עלינו לשים לב שנקודת הטל נמוכה מטמפרטורת הסביבה של 3 מעלות צלזיוס כדי למנוע עיבוי של אדי מים בצנרת.

כאשר מד נקודת הטל מודד את הלחות, טווח הזרימה הוא 0.25 ליטר/דקה ~ 1 ליטר/דקה. בטווח זה, שינוי מהירות הזרימה אינו משפיע על תוצאות המדידה.

ניתן לחלק את הדגימה לשני סוגים, האחד הוא דגימת לחץ, בהתאם לשיטות הדגימה השונות, ניתן לחלק אותה למדידת לחץ ומדידת לחץ אטמוספרי. ראה איורים 2-3 ו-2-4, בהתאמה. השני נמדד בלחץ אטמוספרי, כלומר, הדגימה נלקחת באמצעות משאבה. במקרה זה, לעתים קרובות יביא לחץ חיובי ולחץ שלילי מלאכותי בגלל שיטות הדגימה השונות. אם דוגמים באופן המוצג באיור 2-5, מד נקודת הטל נמדד בתנאי לחץ, הדבר יביא לשגיאה חיובית לתוצאות המדידה. אם המשאבה ומד הזרימה מחליפים עמדות, מד נקודת הטל נמצא בתנאי לחץ שלילי, הדבר יביא לשגיאה שלילית למדידה. שיטת הדגימה הנכונה מוצגת באיורים 2-6.

1.1.4

בַּקָשָׁה

טווח המדידה של היגרומטר נקודת הטל הוא רחב. נכון לעכשיו, טווח המדידה של סדרת היגרומטרים שפותחו על ידי חברת MBW משוויץ הגיע ל-95°C-~70°C, דבר שיכול לעמוד ברוב דרישות המדידה.

1.1.5

יתרונות וחסרונות

יתרונות: זוהי מדידה בסיסית, מדידה מדויקת, והמכשיר יציב וללא סחיפה. המכשיר בעל הדיוק הגבוה ביותר יכול להגיע ל-±0.1°C.

חיסרון: מחיר גבוה, דרישות גבוהות למפעילים וצורך בתחזוקה. רגיש למזהמים. לעיתים ישנם מים מקוררים במיוחד בטווח של -20°C~0°C, לכן יש להיזהר במיוחד להבחין בין מים מקוררים במיוחד לבין מים כפור.

1.2

מד מים מיקרו לאלקטרוליזה מלאה של ספיגה

1.2.1

עקרון המדידה

באמצעות דגימה רציפה, דגימת הגז זורמת דרך תא אלקטרוליטי בעל מבנה מיוחד, אשר הלחות שלו נספגת על ידי שכבת הזרחן החנוכי כחומר היגרוסקופי ומופרשת על ידי אלקטרוליזה למימן וחמצן, והזרחן החנוכי מתחדש. תהליך התגובה יכול לבוא לידי ביטוי כך:

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

בשילוב (1), (2), נקבל:

2H2O=2H2+O2 

כאשר הספיגה והאלקטרוליזה מאוזנות, המים הנכנסים לתא האלקטרוליזה נספגים על ידי שכבת הסרט של זרחן פנטוקסיד ועוברים אלקטרוליזה. אם ידועים טמפרטורת הסביבה, לחץ הסביבה וזרימת הגז, ניתן להסיק את הקשר בין זרם האלקטרוליטי של המים לבין תכולת המים בדגימת הגז לפי חוק פאראדיי לאלקטרוליזה וחוק הגזים:

בנוסחה:

זרם אלקטרוליטי של מים, μΑ;

תכולת המים של דגימת הגז, μL/L (כלומר יחס נפח)

זרימת גז, מ"ל/דקה

לחץ סביבתי, פנסילבניה;

טמפרטורה מוחלטת של הסביבה, k;

כפי שניתן לראות מהנוסחה לעיל, גודל הזרם האלקטרוליטי הוא פרופורציונלי לתכולת המים בדגימת הגז, כך שניתן למדוד את תכולת המים בדגימת הגז על ידי מדידת זרם האלקטרוליטי של המים. בתנאי לחץ אטמוספרי סטנדרטי ו-20 מעלות צלזיוס, גז אידיאלי זורם דרך התא האלקטרוליטי בקצב זרימה של 100 מ"ל/דקה. כאשר תכולת המים בדגימת הגז היא 1 מיקרוליטר/ליטר (ppmv), זרם האלקטרוליטי מחושב מהנוסחה כ-13.4 מיקרואלטר. מכשיר מסוג זה בדרך כלל מקבל ppmv כיחידה, ויכול לקרוא ישירות את ערך ppmv של תכולת הלחות בדגימת הגז.

בגלל ההשפעה הקטליטית של אלקטרודת הפלטינה, תגובת האלקטרוליזה במים היא תהליך הפיך, כך שכאשר דגימת הגז הנמדדת היא מימן, חמצן או מכילה מספיק מימן וחמצן, האיזון נע שמאלה, המימן והחמצן שנוצרו על ידי האלקטרוליזה משולבים ליצירת מים, ולאחר מכן מתבצעת האלקטרוליזה המשנית, כך שערך זרם האלקטרוליזה הכולל גבוה יותר, כלומר, "אפקט המימן" ו"אפקט החמצן", או "אפקט המרוכב". הניסוי מראה שקריאת סוג זה של גז גבוהה יותר בכמה עד עשרה ppmv כאשר המכשיר משמש למדידת תכולת המים של סוג זה של גז, אך תגובת הריכוז הסטייה היא על ערך הרקע, כך שניתן להגזים אותה.

1.2.2 

מִבְנֶה

המכשיר מורכב משני חלקים של מערכת נתיב גז ומעגל, מערכת נתיב הגז כוללת בעיקר תא אלקטרוליטי וחלק בקרת נתיב גז.

1.2.2.1

סוֹלְלָה

בתוך צינור הזכוכית, שתי אלקטרודות פלטינה מלופפות בצורת ספירלה כפולה, וסרט זרחן פנטוקסיד מצופה באופן אחיד בין האלקטרודות כחומר היגרוסקופי. בתנאי המדידה שצוינו, מבנה הליפוף הפנימי יכול להבטיח את הספיגה והאלקטרוליזה של כל המים הנכנסים לבריכה. דופן הבריכה מזכוכית נוחה לציפוי זרחן פנטוקסיד אחיד. מכיוון שלפלטינה יש את הפונקציה של יצירת מימן וחמצן, במיוחד גז עשיר במימן, כדי להגיב שוב ליצירת מים, חברות מסוימות אימצו רודיום במקום פלטינה.

עבור ציפוי יבש של זרחן פנטוקסיד, כאשר מכניסים דגימת גז "יבשה לחלוטין" ומפעילים מתח ישר מתאים על האלקטרודה, נוצר ערך זרם-רקע קטן במעגל. ערך הרקע קשור רק למבנה התא, מצב הציפוי, הטמפרטורה וסוג הדגימה, אך לא לתכולת המים בדגימה. מכיוון שניתן תמיד להוסיף את ערך הרקע לזרם האלקטרוליטי של הלחות הכלולה בדגימת הגז, יש להפחית את תכולת הלחות האמיתית של המדיום מקריאת המכשיר בעת המדידה.

1.2.2.2

מערכת בקרה פנאומטית

המערכת הפנאומטית מורכבת משסתום בקרה, תא אלקטרוליטי, שסתום ויסות זרימה, מד זרימה ומייבש. בקרת נתיב זרימת האוויר מתבצעת באמצעות שסתום הבקרה.

1.2.3 

אמצעי זהירות לשימוש

מהנוסחה, ניתן לדעת שתוצאות המדידה, כלומר לחות הגז μL/L (ppmv), מחושבת לפי זרימת הגז והזרם האלקטרוליטי, ולכן יש לשלוט ולמדוד את זרימת הגז במדויק. מכשיר מסוג זה משתמש בדרך כלל במד זרימה צף, מתחת ל-20°C, 1atm, ומשתמש באוויר לכיול. אם התנאי בשימוש אינם תנאי סטנדרטיים, למשל בטמפרטורה ולחץ שונים, או שהגז הנמדד אינו אוויר, יש לכייל שוב את הגז הנמדד או לתקן אותו לפי גורם תיקון.

1.2.4 

בַּקָשָׁה

טווח המדידה נע בין מספר מיקרוליטר/ליטר (ppmV) ל-2000 מיקרוליטר/ליטר (ppmV), והדיוק הוא 5% מהקריאה או 1% מהטווח המלא. ניתן להשתמש בהמצאה עבור מגוון גזים אינרטיים, חלק מהגזים האורגניים והאי-אורגניים שאינם מגיבים עם P2O5. דוגמאות לכך כוללות אוויר, חנקן, מימן, חמצן, ארגון, הליום, ניאון, פחמן חד-חמצני, פחמן דו-חמצני, גופרית הקספלואוריד, מתאן, אתאן, פרופאן, בוטאן, גז טבעי וגזי פריאון מסוימים. לא ניתן להשתמש בה עבור גזים קורוזיביים מסוימים וגזים שיכולים להגיב עם P2O5, כגון אתנול, גזים חומציים מסוימים, וגזי פחמימנים בלתי רוויים.

1.2.5 

יתרונות וחסרונות

יתרונות: מדידה מוחלטת, יציבה, ללא סחיפה.

חיסרון: חיי הסוללה מוגבלים ויש צורך בחידוש. לחות גבוהה ונמוכה (<1ppmv) מקצרים את חיי הסוללה. תגובה איטית בלחות נמוכה. דרישת זרימת הגז גבוהה. לא ניתן להשתמש בה בגזים קורוזיביים מסוימים ובגזים המגיבים עם P2O5. יש רקע.

1.3

מד לחות קיבולי תחמוצת אלומיניום

1.3.1

עקרון המדידה, המבנה וטווח היישום

למכשיר מגוון צורות, כגון מכשיר נייד המופעל על ידי סוללה, עיבוד נתונים עם מיקרו-מעבד, תצוגה רב-פרמטרית וכן הלאה. אבל המהות שלו היא קבל, על ידי הפקדת שכבה דקה של אלומינה נקבובית על מצע מוליך ולאחר מכן מריחת שכבה דקה של זהב על שכבת האלומינה הדקה. המצע המוליך ושכבת הזהב הדקה יוצרים אלקטרודה של הקבל. אדי המים נספגים על ידי האלומינה הנקבובית דרך שכבת הזהב הדקה, והעכבה של הקבל פרופורציונלית למספר מולקולות המים, כלומר לחץ אדי המים. ניתן לקבל לחץ חלקי של לחות על ידי מדידת העכבה או הקיבול של הקבל, וניתן לקבל את ערך נקודת הטל על ידי המרה.

השכבה הדקה של תחמוצת אלומיניום הממוקמת בין אלקטרודות האלומיניום לזהב מגיבה למים בכל טווח לחץ האדים הרוויים, החל מ-10-3 פאסל (נקודת טל של כ-110°C-). בשל הזיקה החזקה שלה למים, בשילוב עם הקבוע הדיאלקטרי הגדול יותר של מים, מכשירים כאלה סלקטיביים מאוד למים, אך אינם מגיבים לגזים נפוצים אחרים ולגזים ונוזלים אורגניים.

הדיוק הוא ±1~±2°C בטווח הלחות הבינוני והגבוה, ו-±2~±3°C בטווח הלחות הנמוך, כגון -100°C. החיישן אינו מגיב עם גז פחמימני, CO, CO2 וגז המכיל HCFC, אך הסחיפה של גזים שונים שונה. גזים קורוזיביים מסוימים, כגון אמוניה, SO3 וכלור, עלולים לפגוע בחיישן ויש להימנע מהם ככל האפשר.

1.3.2

אמצעי זהירות לשימוש

טווח המדידה הרגיל של מכשיר מסוג זה הוא -110°C~+20°C. כאשר נקודת הטל גבוהה יותר, המכשיר יפיק סחיפה גדולה יותר. יש לשים לב גם למקדם הטמפרטורה. בשל תגובתו ללחץ החלקי של אדי מים, עלינו לשים לב לשינוי בלחץ הכולל של הגז במדידה.

זה יכול למנוע זיהום אבק ושמן, וקצב זרימת הגז גדול יותר, שהוא 3 ~ 5 (ליטר/דקה) או אפילו גדול יותר.

1.3.3

יתרונות וחסרונות

יתרונות: להמצאה טווח תגובה רחב, מ-1μL/L (ppmv) עד 80%RH, ניתן להתקנה מרחוק, ניתן לשימוש בשטח, תגובה יציבה ומהירה יחסית, מקדם טמפרטורה קטן, אין קשר לשינוי קצב הזרימה, סלקטיביות גבוהה למים, ניתן לשימוש בטווח רחב של טמפרטורות ולחצים, כמות תחזוקה יומית קטנה ונפח קטן.

חיסרון: השיטה היא מדידה עקיפה, הפועלת בטמפרטורות גבוהות יותר או בגזים מסוימים הגורמים לסחיפה, המושפעים מגזים קורוזיביים, אשר יש לכייל אותם מעת לעת כדי להתגבר על הזדקנות, היסטרזיס וזיהום. מכיוון שערך התגובה אינו ליניארי, יש לכייל כל חיישן ולא ניתן להשתמש בו באופן אוניברסלי.

1.4

מד לחות קיבולי דק-שכבה

1.4.1

עקרון המדידה, המבנה וטווח היישום

נעשה שימוש בסרט פולימרי עשוי ממלח פוליאמין או תאית אצטט המונח על שתי אלקטרודות מוליכות. הקבוע הדיאלקטרי בין שתי האלקטרודות יכול להשתנות כאשר הסרט סופג מים או מאבד מים. קיימת גם טכניקה לשימוש בפולימרים תרמוסטיים עמידים לטמפרטורות גבוהות, המאפשרת מדידה רציפה של חיישנים כאלה בטמפרטורות גבוהות מ-100 מעלות צלזיוס. כעת אני משתמש בסרטים בעלי מולקולות גבוהות כמו ויסאלה.

1. הפונקציה העיקרית היא לתמוך בחלקים אחרים של החיישן.

2. אחת האלקטרודות עשויה מחומר מוליך

3. שכבת סרט דקה. זהו לב החיישן, כמות ספיגת המים של הסרט קשורה ללחות היחסית של הסביבה הסובבת. עובי הסרט הוא 1-10 (מיקרומטר).

4. האלקטרודה העליונה גם משחקת תפקיד חשוב בביצועי החיישן. על מנת לקבל תגובה מהירה, יש צורך בחדירות מים גבוהה יותר. זהו גם חומר מוליך.

5. משטח מגע לאלקטרודה עליונה. מכיוון שישנן מגבלות רבות על עיצוב האלקטרודה העליונה, נדרשת מתכת נפרדת כדי ליצור מגע טוב.

טווח המדידה רחב, מ-50°C- עד 100°C בנקודת טל. ניתן להשתמש בו בטווח טמפרטורות רחב, לעיתים ללא פיצוי טמפרטורה. שרפים תרמוסטיים עמידים לטמפרטורה גבוהה מאפשרים מדידות רציפות של חיישני לחות קיבוליים כאלה בטמפרטורות של 185°C, כאשר הטמפרטורה הגבוהה ביותר בשימוש תלויה בחומר האריזה של החיישן. יתרון נוסף לחיישני שרף תרמוסטי הוא שמקדם הטמפרטורה קטן בטווח הטמפרטורות של 50°C- עד 100°C, כך שניתן למדוד אותו בקלות בטווח רחב.

כל חיישני הלחות היחסית רגישים לטמפרטורה, ואם יכילו אותם בטמפרטורה אחת, הם יגרמו לשגיאות בעת שימוש בטמפרטורה אחרת. יתרון אחד של חיישני פולימר הוא שיש להם פחות תלות בטמפרטורה, כלומר, מקדמי טמפרטורה קטנים יותר. לכן, כאשר טמפרטורת השימוש שונה מטמפרטורת הכיול, השגיאה קטנה. פיצוי טמפרטורה אלקטרוני נדרש אם משתמשים בו בטמפרטורת הגבול או אם הדיוק גבוה. כאשר טווח הטמפרטורות קטן מ-50 מעלות צלזיוס, קל לפצות את הטמפרטורה. כאשר טווח הטמפרטורות רחב יותר, קשה לפצות את הטמפרטורה. עם זאת, הדיוק של חיישני פולימר מודרניים יכול להגיע ל-±1%RH בטווח צר, ול-±3%RH בטווח רחב של טמפרטורות ולחות. לאחר תקופת שימוש, או לאחר זיהום, נדרש כיול מחדש.

1.4.2

יתרונות וחסרונות

יתרונות: למערכת יתרונות של תגובה מהירה, טווח מדידה רחב של טמפרטורה ולחות, ליניאריות טובה, היסטרזיס מועטה, יציבות וחזרתיות טובות, מקדם טמפרטורה נמוך ועלות נמוכה.

חיסרון: כמעט כלום.

1.5

מד לחות מסוג התנגדות

1.5.1

עקרון המדידה והמבנה

החומר הרגיש משתמש בתמיסת פולימר של מלח אמוניום רבעוני כמטריקס, והקבוצה הפונקציונלית מגיבה עם פולימר השרף ליצירת שרף תרמוסטי בעל תלת מימדי ותלת מימדי, ובעל יציבות טובה. שינוי בלחות היחסית יכול להוביל לשינוי בהתנגדות בין הקתודה לאנודה.

1.5.2

יתרונות וחסרונות

אין לו היסטרזיס והזדקנות, מקדם טמפרטורה נמוך, עלות נמוכה וצריכת אנרגיה נמוכה. טווח הטמפרטורות הוא -10°C~80°C, חזרתיות טובה מ-0.5%RH, הדיוק גבוה יותר, בדרך כלל ±2%RH, בטווח צר מאוד ניתן להגיע ל-±1%RH.

חיסרון: זהו מכשיר מדידה עקיף, שיש לכייל אותו מעת לעת, ואינו מתאים למזהמים מסוימים. אם משתמשים בו בטווח טמפרטורות רחב, הוא זקוק לקיזוז טמפרטורה. הוא רגיש יותר למזהמים מאשר חיישן קיבולי. הוא אינו מתאים ללחות נמוכה, אובדן רגישות כאשר הלחות היחסית נמוכה מ-15% לחות יחסית, אך עדיין יש לו ביצועים טובים כאשר הלחות היחסית קרובה ל-100% לחות יחסית, אך עיבוי לפעמים פוגע בחיישן.

לחלק מהמזהמים יש השפעה רבה על חיישן ההתנגדות, בעוד שאחרים משפיעים רבות על חיישן הקיבול. לכן, בחירת החיישן תלויה בעיקר באופי המזהמים.

1.6

מד לחות מכני

1.6.1

עקרון המדידה והמבנה

אורכם של חומרים פולימריים אורגניים כגון שיער, קרום מעיים, ניילון ופוליאימיד ישתנה עם הלחות היחסית. מד הלחות המכני משתמש במאפיין זה כדי לגרום לחומר הנ"ל ליצור אלמנט חישת לחות ליניארי, בצורת פס, או ציפוי על החומר האלסטי כדי להתגלגל לאלמנט חישת לחות בצורת חוט רופף, ולאחר מכן, באמצעות מכשיר הגברה מכני, השינוי בכמות הגיאומטרית הנגרם על ידי שינוי הלחות מסומן על ידי מצביע או נרשם על ידי עט רישום, ובכך מצביע ישירות על הלחות היחסית. ההמצאה מתאימה למדידת הטמפרטורה והלחות של סביבה פנימית כגון מעבדה, חדר מחשבים, מחסן ובנייני מפעל.

1.6.2

יתרונות וחסרונות

יתרונות: זול, לא רגיש לרוב המזהמים, ללא חשמל והקלטה קבועה

חיסרון: סחיפה, אם שימוש בלחות מסוימת למשך זמן רב יאבד את רגישותו, לא ניתן להשתמש מתחת ל-0°C, תגובה איטית, הובלה או תנודות רטט יפגעו בביצועיו.

1.7

מד לחות כדור יבש-רטוב

1.7.1

עִקָרוֹן

היגרומטר כדור יבש-רטוב מורכב משני מדחומים בעלי מפרטים זהים, אחד נקרא מדחום כדור יבש, ובועת הטמפרטורה נחשפת בגז הנמדד כדי למדוד את טמפרטורת הסביבה, וערך האינדיקציה מבוטא על ידי Ta (ta). השני הוא מדחום כדור רטוב, העטוף בכיסוי גזה מיוחד כדי לשמור עליו רטוב. כאשר האוויר סביב הכדור הרטוב נמצא במצב בלתי רווי, הלחות על כיסוי הגזה של הכדור הרטוב תתאדה ברציפות, מכיוון שהלחות מתאדה כדי לספוג חום, ולכן טמפרטורת הכדור הרטוב תרד, ערך האינדיקציה שלו מבוטא על ידי Tw(tw). מהירות אידוי הלחות של הכדור הרטוב קשורה לתכולת הלחות של הגז שמסביב. כאשר לחות הגז נמוכה יותר, אידוי הלחות מהיר יותר, טמפרטורת הכדור הרטוב נמוכה יותר, ולהיפך. לאחר קבלת הטמפרטורה המדויקת של הכדורים היבשים והרטובים, ערך הלחות מחושב באמצעות משוואת הכדורים הרטובים.

בשל פשטותם ועלותם הנמוכה, מדי לחות כדוריים יבשים-רטובים היו הסוג הנפוץ ביותר במשך תקופה ניכרת בעבר.

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.