다양한 습도 이슬점 측정 방법의 장단점 분석

테스트 원칙

습도 측정기는 냉반사식, 완전흡수식 전해식, Al2O3 정전용량식, 박막 정전용량식, 저항식, 건습구식, 기계식으로 나눌 수 있다. 이 중 완전흡수식 전해식 미세 습도계와 Al2O3 정전용량식 이슬점 측정기는 주로 저습도 측정에 사용되는 반면, 저항식, 건습구식, 기계식 습도계는 상대습도 측정에만 사용 가능하다. 냉반사식, 박막 정전용량식(바이살라 특허) 습도계는 저습도뿐만 아니라 중고습도, 즉 상대습도 측정에도 사용할 수 있다. 상기 측정기들은 각각 장단점이 있다. 그중 냉반사식 이슬점 측정기는 가장 정확하고 신뢰할 수 있으며 기본적인 측정 방식으로 표준 전송에 널리 사용되지만, 가격이 비교적 비싸고 숙련된 조작 및 유지 보수가 필요하다는 단점이 있다.

1.1

냉기 거울 이슬점 측정기

1.1.1

측정 원리

측정 대상 수분이 이슬점 측정 챔버로 유입되면 차가운 거울 표면이 스캔됩니다. 거울 표면의 온도가 수분의 이슬점 온도보다 높으면 거울 표면은 건조한 상태가 됩니다. 이때 광전 노출 장치의 광원에서 방출된 빛이 거울 표면에서 거의 반사되고, 광전 센서가 이를 감지하여 광전 신호를 출력합니다. 제어 회로는 이 신호를 비교, 증폭하여 열전 펌프를 구동시켜 거울 표면을 냉각합니다. 거울 표면의 온도가 수분의 이슬점 온도까지 떨어지면 표면에 이슬(서리)이 맺히기 시작하고, 빛이 거울 표면에 산란 반사되어 광전 센서에 의해 유도된 반사 신호가 약해집니다. 이 변화량은 제어 회로에서 비교 및 ​​증폭되어 열전 펌프의 냉각 전력을 적절히 줄이도록 조정됩니다. 최종적으로 거울 표면의 온도는 시료 가스의 이슬점 온도로 유지됩니다. 거울 온도는 차가운 거울 표면 하단 부근에 있는 백금 저항 온도 센서에 의해 측정되며, 측정된 온도는 디스플레이 창에 표시됩니다.

현재 GE, Edgetech, 스위스 MBW 등 냉각 거울 이슬점 측정기를 생산하는 세계 유수의 기업들은 모두 이 원리를 채택하고 있으며, 영국의 MICHELL은 이중 광 경로 검출 시스템, 즉 반사광과 산란광을 동시에 검출하는 방식을 채택하고 있고, 핀란드의 Vaisala는 음파를 검출 시스템으로 사용하고 있습니다.

측정 과정에서 측정 대상 기체 내의 수증기는 온도가 낮아짐에 따라 포화 상태에 가까워집니다. 중력의 영향으로 물 분자는 거울 표면에 흡착되어 얇은 수막을 형성합니다. 이것이 이슬 형성의 첫 번째 단계입니다. 거울 온도가 계속 낮아지면 수막의 두께가 점차 증가하는데, 이것이 이슬 형성의 두 번째 단계입니다. 이 단계에서는 물 분자의 중력과 수막의 표면 장력 사이의 힘의 차이가 변하고, 후자의 영향이 점차 커집니다. 이때 거울 표면의 미세한 흠집과 같은 냉각 표면의 불안정한 요소는 수막을 응결시켜 물방울을 형성하게 합니다. 거울 온도가 더욱 낮아지면 이슬방울이 나타나기 시작합니다. 현미경으로 관찰하면 이슬방울이 불규칙적으로 성장하고 분포하는 것을 볼 수 있으며, 이후 이슬층이 표면을 따라 매우 빠른 속도로 확산됩니다. 이때 액체-기체 평형이 시작되어 이슬점에 도달했다고 볼 수 있습니다.

1.1.2

구조

1.1.2.1

거울

거울은 소수성이어야 하고, 열전도율이 우수하며, 내마모성, 내식성 및 우수한 광학 성능을 갖춰야 합니다. 과거에는 금을 거울 소재로 사용했지만, 현재는 로듐을 사용합니다.

1.1.2.2

거울 냉각

과거에는 에틸렌 에테르 증발식, 기계식 냉동식, 액화 가스 또는 드라이아이스 냉동식, 압축 공기 냉동식 등이 사용되었습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방식은 열전 냉동식 또는 열전과 기계식 냉동을 결합한 방식입니다(이슬점 -60°C 이하). 본 논문에서는 열전 냉동식에 중점을 두고 설명합니다.

열전 냉각은 반도체 냉각이라고도 하며, 펠티어 소자(Peltier)를 이용한 냉각 방식입니다. 이 방식의 원리는 두 개의 서로 다른 금속으로 구성된 펠티어 소자에 직류 전류가 흐르면 한 금속에서 다른 금속으로 열이 전달되는 현상입니다. 이 열 전달 방향은 열전대 온도 측정값과 정반대입니다. 따라서 펠티어 소자의 한쪽 끝을 거울에 연결하고 다른 쪽 끝을 방열단으로 사용하면 거울을 냉각할 수 있습니다. 다양한 저온을 얻기 위해서는 다단계 중첩 방식을 사용할 수 있습니다. 미국 GE사의 자료에 따르면, 일반적으로 실내 온도가 25°C일 때, 5단계에서는 극한에서 극한까지의 온도 차이가 55°C, 75°C, 105°C, 그리고 120°C까지 도달할 수 있습니다. 제조사에 따라 냉각 용량은 다소 차이가 있을 수 있습니다. 고온부의 온도가 높을수록 냉각 효율이 높아지고 고온부와 저온부의 온도차가 커집니다. 저온부의 온도를 낮추기 위해 일반적으로 공랭식, 수랭식, 기계식 냉각 방식 등이 사용되지만, 온도를 무한정 낮추는 것은 불가능합니다. 중요한 것은 냉각 용량이 이슬점 습도계의 측정 범위를 나타내는 것은 아니라는 점입니다. 이슬점 습도계의 측정 범위는 거울 표면의 온도를 측정할 수 있는 온도, 즉 이슬이나 서리층이 일정 두께로 형성된 상태를 기준으로 정의됩니다. 따라서 일반적인 이슬점/서리점 조건에서 이슬점 습도계의 측정 범위는 냉각 용량보다 보통 5°C 정도 높고, 서리점이 낮은 조건에서는 보통 10°C~12°C 정도 높습니다. 예를 들어, 스위스 MBW사에서 생산한 DP19 이슬점 측정기의 경우, 실내 온도가 10°C일 때 최저 측정 범위는 -60°C이고, 20°C일 때는 -55°C, 35°C일 때는 -45°C입니다. 수소와 헬륨의 높은 열전도율 때문에 측정 범위가 몇 도 정도 줄어듭니다. 측정 대상 기체의 압력이 증가하면 측정 범위도 줄어듭니다. 공기와 질소의 경우, 정상 압력보다 높은 압력 조건에서는 기압이 1기압 증가할 때마다 측정 범위가 약 0.67°C씩 감소합니다.

1.1.2.3

온도 측정 장치

현재 온도 측정에는 대부분 4선식 백금 저항이 사용됩니다. 백금 저항 온도 센서 소자의 저항값과 온도는 비교적 넓은 온도 범위에서 선형 관계에 가깝고, 정밀도가 높으며, 안정성이 우수하고, 출력 신호가 강하며, 디지털 표시가 편리합니다.

1.1.2.4

감지 시스템

현재 핀란드의 바이살라(Vaisala)사가 최근 개발한 음파 원리를 이용한 냉각 거울 이슬점 측정기를 제외하고는 모두 광전 검출기를 사용하여 측정 및 제어하고 있습니다. 광전 검출 기술은 수십 년 동안 사용되어 왔으며 성숙한 기술이지만, 과냉각수와 서리를 구분할 수 없다는 단점이 있습니다.

1.1.3

사용 시 주의사항

1.1.3.1

과냉각수와 서리

0~20°C 범위에서는 거울 표면에 과냉각수가 쉽게 형성됩니다. 얼음 표면과 물 표면의 포화 증기압이 다르기 때문에 거울 표면에 과냉각수가 형성되면 측정값이 서리점보다 낮아지고 온도도 달라집니다. 예를 들어 서리점이 -10°C일 때, 이에 해당하는 과냉각수의 온도는 -11.23°C입니다. 따라서 이 온도 범위에서는 특히 주의해야 합니다. 기기에 내시경이 장착되어 있다면 내시경을 통해 관찰하고 구별할 수 있습니다. 현재 대부분의 기기에는 최소 냉각 용량을 측정하는 기능이 있습니다. 이 기능을 이용하여 거울 온도를 -20°C 이하로 낮춰 서리가 형성된 후 정식으로 측정할 수 있습니다.

1.1.3.2

켈빈 효과

표면의 포화 수증기압은 평면에서의 포화 수증기압과 다릅니다. 금속 표면에 노출될 경우, 곡면 수면에서의 평형 수증기압, 즉 포화 수증기압은 표면 장력의 영향으로 증가하는데, 이를 켈빈 효과라고 합니다. 켈빈 효과 때문에 측정된 이슬점 온도는 실제 측정된 기체의 이슬점 온도보다 낮게 나타납니다.

1.1.3.2

라울 효과

이는 거울 표면에 수용성 물질이 존재할 때, 시스템의 평형 수증기압이 순수한 물의 포화 수증기압보다 낮다는 것을 의미합니다. 이러한 수용성 물질은 거울 자체에 존재하거나 측정 대상 기체에 포함되어 있을 수 있습니다. 라울의 법칙에 따르면, 평형 수증기압의 감소는 용액 농도에 비례하므로, 측정 대상 기체의 이슬점 온도에 도달하기 전에 조기에 응결이 발생하는 것입니다.

켈빈 효과는 라울 효과와 정반대이므로 어느 정도 상쇄 효과를 가져옵니다. 그러나 이슬점 측정에서는 수용성 물질이 거울과 측정 가스에 필연적으로 어느 정도 존재하고, 가스 내 불순물이 거울 표면의 불용성 물질과 화학 반응 또는 광화학 반응을 일으켜 수용성 물질로 변환될 수 있기 때문에 라울 효과가 켈빈 효과보다 더 중요하게 작용합니다. 이러한 현상은 산업 공정 가스의 수분 측정에서 더욱 두드러지게 나타납니다. 따라서 적절한 필터 장치를 사용하여 가스 내 고체 입자를 제거하고, 거울 표면에 남아 있는 수용성 물질은 반복적인 응결 및 제습 작업을 통해 제거해야 하며, 이 방법이 널리 사용되고 있습니다.

실제 작업에서 거울 표면이 노출되기 시작할 때 표면이 고르지 않고 특정 부위에 층이 나타나는 것을 종종 발견합니다. 이는 거울에 생긴 흠집 때문인 경우가 많은데, 이러한 결함 부위에서는 잔여 물질이 잘 제거되지 않을 뿐만 아니라, 모서리 부분의 결함이 "노출 핵" 역할을 하여 노출 과정을 가속화하기 때문입니다. 따라서 이슬점 측정기를 사용할 때, 특히 거울을 청소할 때는 거울에 기계적 손상이 가지 않도록 주의해야 합니다.

1.1.3.3

거울 오염

하나는 라울 효과이고, 다른 하나는 배경 반사 산란 수준의 변화입니다. 라울 효과는 주로 수용성 물질에 의해 발생합니다. 측정 대상 기체에 수용성 물질(일반적으로 용해성 염)이 포함되어 있으면 거울에 이슬이 미리 맺혀 측정 결과에 양의 편차가 발생합니다. 먼지 등과 같이 물에 녹지 않는 오염 물질이 있는 경우, 배경 산란 수준이 증가하여 광전식 이슬점 측정기의 영점 편차가 발생합니다.

1.1.3.4

샘플링 채널

대기 중 수분 함량이 매우 높고, 수분 분자는 극성 분자이기 때문에 파이프라인 내벽이나 파이프라인을 통해 쉽게 흡착됩니다. 따라서 측정 시 가스 통로 시스템은 밀봉이 잘 되어야 하며, 파이프 벽의 두께는 최소 1mm 이상이어야 외부 환경의 수분 침투로 인한 누출을 방지할 수 있습니다. 측정 환경의 온도가 크게 변하는 경우, 파이프라인의 밀봉 상태를 다시 점검해야 합니다.

측정 대상 가스를 대기 중으로 직접 배출하는 경우, 측정 시스템 내부로 수분이 확산되는 문제를 고려해야 합니다. 가장 일반적인 방법은 배기구에 적절한 길이의 파이프를 연결하는 것입니다. 파이프의 길이와 직경은 측정 챔버의 압력에 영향을 미치지 않는다는 원칙에 따라 결정됩니다.

시료 채취 파이프라인은 가능한 한 짧아야 하고, 연결 부위 수를 줄여야 하며, 배경수의 간섭을 최소화하기 위해 "사각지대"를 피해야 합니다.

시료 채취 파이프라인과 측정 공동 벽은 깨끗하고 평탄도가 양호하며 소수성 재질이 선택되었습니다. 그림 2-2는 포화 흡착 상태에서 건조 가스에 노출되었을 때 다양한 재질의 탈착 시간 곡선입니다. 실험 결과로부터 재질 선택 순서는 스테인리스강, PTFE, 구리, 폴리에틸렌 순이며, 나일론과 고무 튜브는 저온 동결점 측정에 사용해서는 안 된다는 것을 알 수 있습니다. 또한, 저온 동결점 측정에는 내부가 연마된 스테인리스강 튜브가 사용되지만, 튜브의 외경은 6mm 또는 1/4인치입니다.

최고 이슬점을 측정할 때는 파이프라인 내 수증기 응결을 방지하기 위해 이슬점이 주변 온도보다 3°C 낮아야 한다는 점에 유의해야 합니다.

이슬점 습도계로 습도를 측정할 때 유량 범위는 0.25L/min~1L/min입니다. 이 범위 내에서는 유속 변화가 측정 결과에 영향을 미치지 않습니다.

시료 채취 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 압력 시료 채취이고, 채취 방법에 따라 압력 측정과 대기압 측정으로 구분됩니다(그림 2-3 및 2-4 참조). 다른 하나는 대기압 측정으로, 펌프를 이용하여 시료를 채취하는 방식입니다. 이 경우, 채취 방법에 따라 인위적인 양압이나 음압이 발생할 수 있습니다. 그림 2-5와 같이 채취할 경우, 이슬점계는 압력 조건에서 측정되므로 측정 결과에 양의 오차가 발생합니다. 반대로 펌프와 유량계의 위치를 ​​바꾸면 이슬점계는 음압 조건에서 측정되므로 측정 결과에 음의 오차가 발생합니다. 올바른 시료 채취 방법은 그림 2-6에 나타나 있습니다.

1.1.4

애플리케이션

이슬점 습도계의 측정 범위는 넓습니다. 현재 스위스 MBW사에서 개발한 일련의 이슬점 습도계는 -95°C~70°C의 측정 범위를 갖추고 있어 대부분의 측정 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

1.1.5

장점과 단점

장점: 기본 측정이 가능하고, 정확한 측정이 가능하며, 기기가 안정적이고 오차가 없습니다. 최고 정확도의 기기는 ±0.1°C의 오차를 측정할 수 있습니다.

단점: 높은 가격, 높은 운영자 요구 조건, 유지보수 필요성. 오염 물질에 민감함. -20°C~0°C 범위의 과냉각수가 발생할 수 있으므로 과냉각수와 서리를 구분하는 데 특히 주의해야 함.

1.2

완전 흡수 전기분해용 소형 수량계

1.2.1

측정 원리

연속 샘플링 방식을 통해 가스 시료는 특수 구조의 전해조를 통과하며, 시료 내의 수분은 흡습제인 오산화인층에 흡수되고 전기분해를 통해 수소와 산소로 방출되며, 오산화인은 재생됩니다. 이 반응 과정은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

P2O5+H2O=2HPO3 

2HPO3=H2+1/2O2+P2O5 

(1)과 (2)를 결합하면 다음과 같습니다.

2H2O=2H2+O2 

흡수와 전기분해가 평형을 이룰 때, 전기분해조로 유입되는 물은 오산화인막에 흡수되고 전기분해됩니다. 주변 온도, 주변 압력 및 기체 유량을 알고 있다면, 패러데이의 전기분해 법칙과 기체 법칙에 따라 물의 전기 전류와 기체 시료의 수분 함량 사이의 관계를 유도할 수 있습니다.

공식으로 표현하면 다음과 같습니다.

물의 전해 전류, μA;

기체 시료의 수분 함량, μL/L (즉, 부피 비율)

가스 유량(ml/min)

환경적 압력, 펜실베이니아주;

주변 환경의 절대 온도, 켈빈(k);

위 공식에서 알 수 있듯이 전해 전류의 크기는 기체 시료의 수분 함량에 비례하므로, 물의 전해 전류를 측정함으로써 기체 시료의 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 표준 대기압 및 20°C 조건에서 이상 기체가 100ml/min의 유속으로 전해조를 통과할 때, 기체 시료의 수분 함량이 1μL/L(ppmv)이면 공식에 따라 전해 전류는 13.4μA로 계산됩니다. 이러한 종류의 기기는 일반적으로 ppmv를 단위로 사용하며, 기체 시료의 수분 함량에 대한 ppmv 값을 직접 측정할 수 있습니다.

백금 전극의 촉매 효과로 인해 물 전기분해 반응은 가역 과정이므로, 측정 대상 기체 시료가 수소, 산소 또는 수소와 산소가 충분히 혼합된 기체일 경우, 평형이 왼쪽으로 이동하여 전기분해로 생성된 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하고, 이어서 2차 전기분해가 일어나 총 전기분해 전류 값이 높아지게 됩니다. 이를 "수소 효과", "산소 효과" 또는 "복합 효과"라고 ​​합니다. 실험 결과, 해당 기체의 수분 함량을 측정할 때 측정값이 수 ppmv에서 수십 ppmv 정도 높게 나타나지만, 농도 편차는 배경값에 따른 것이므로 보정할 수 있습니다.

1.2.2 

구조

이 기기는 가스 통로 시스템과 회로의 두 부분으로 구성되며, 가스 통로 시스템은 주로 전해조와 가스 통로 제어부를 포함한다.

1.2.2.1

배터리

유리관 내부에는 두 개의 백금 전극이 이중 나선형으로 감겨 있고, 흡습제로 전극 사이에 오산화인막이 균일하게 코팅되어 있습니다. 특정 측정 조건에서 내부 나선형 구조는 수조에 유입되는 모든 물의 흡수 및 전기분해를 보장합니다. 유리 수조 벽은 오산화인막의 균일한 코팅에 유리한 환경을 제공합니다. 백금은 수소와 산소, 특히 수소가 풍부한 가스를 생성하여 다시 반응시켜 물을 생성하는 기능을 가지고 있기 때문에 일부 업체에서는 백금 대신 로듐을 사용하기도 합니다.

건조된 오산화인 코팅의 경우, "완전히 건조된" 기체 시료를 도입하고 전극에 적절한 직류 전압을 가하면 회로에 작은 배경 전류가 발생합니다. 이 배경 전류 값은 셀의 구조, 코팅 상태, 온도 및 시료 종류에만 관련되며 시료의 수분 함량과는 무관합니다. 배경 전류 값은 기체 시료에 포함된 수분의 전해 전류에 항상 더해지기 때문에, 측정 시 기기 판독값에서 매질의 실제 수분 함량을 빼야 합니다.

1.2.2.2

공압 제어 시스템

공압 시스템은 제어 밸브, 전해조, 유량 조절 밸브, 유량계 및 건조기로 구성됩니다. 공기 흐름 경로는 제어 밸브를 통해 제어됩니다.

1.2.3 

사용 시 주의사항

위 공식에서 알 수 있듯이, 측정 결과인 기체의 습도(μL/L, ppmv)는 기체 유량과 전해 전류에 따라 계산되므로 기체 유량을 정확하게 제어하고 측정해야 합니다. 이러한 종류의 기기는 일반적으로 플로터 유량계를 사용하며, 20°C, 1기압 조건에서 공기를 기준으로 교정합니다. 사용 조건이 표준 조건이 아닌 경우, 예를 들어 온도와 압력이 다르거나 측정 기체가 공기가 아닌 경우에는 측정 기체를 다시 교정하거나 보정 계수를 적용하여 보정해야 합니다.

1.2.4 

애플리케이션

측정 범위는 수 μL/L(ppmV)에서 2000 μL/L(ppmV)까지이며, 정확도는 측정값의 5% 또는 전체 범위의 1%입니다. 본 발명은 P2O5와 반응하지 않는 여러 불활성 기체, 일부 유기 및 무기 기체에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 공기, 질소, 수소, 산소, 아르곤, 헬륨, 네온, 일산화탄소, 이산화탄소, 육불화황, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 천연가스 및 특정 프레온 가스 등이 있습니다. 에탄올, 특정 산성 가스, 불포화 탄화수소 가스와 같이 특정 부식성 가스 및 P2O5와 반응할 수 있는 가스에는 사용할 수 없습니다.

1.2.5 

장점과 단점

장점: 정확한 측정, 안정적, 오차 없음.

단점: 배터리 수명이 제한적이며 재생이 필요합니다. 습도가 높거나 낮을 때(<1ppmv) 수명이 단축됩니다. 습도가 낮으면 반응 속도가 느립니다. 가스 유량 요구량이 높습니다. 일부 부식성 가스 및 P2O5와 반응하는 가스 환경에서는 사용할 수 없습니다. 배경 설명이 있습니다.

1.3

산화알루미늄 정전용량 습도계

1.3.1

측정 원리, 구조 및 적용 범위

이 기기는 휴대용 배터리 구동형, 마이크로프로세서를 이용한 데이터 처리형, 다중 매개변수 표시형 등 다양한 형태를 가지고 있지만, 본질적으로는 커패시터입니다. 전도성 기판 위에 다공성 알루미나 박막을 증착하고 그 위에 금 박막을 입혀 커패시터를 만듭니다. 이 전도성 기판과 금 박막은 커패시터의 전극을 형성합니다. 수증기는 금 박막을 통해 다공성 알루미나에 흡수되며, 커패시터의 임피던스는 수증기 분자 수, 즉 수증기압에 비례합니다. 커패시터의 임피던스 또는 정전 용량을 측정하여 수분 분압을 구할 수 있으며, 이를 변환하여 이슬점 값을 얻을 수 있습니다.

알루미늄 전극과 금 전극 사이에 있는 얇은 산화알루미늄 층은 10⁻³Pa(약 -110°C 이슬점)의 포화 증기압 범위에서 물에 반응합니다. 물에 대한 강한 친화력과 물의 큰 유전 상수 덕분에 이러한 장비는 물에 대해 매우 높은 선택성을 가지지만, 다른 일반적인 기체 및 유기 기체와 액체에는 반응하지 않습니다.

이 센서의 정확도는 중습도 및 고습도 범위에서 ±1~±2°C, 저습도 범위(예: -100°C)에서 ±2~±3°C입니다. 탄화수소 가스, CO, CO2 및 HCFC 함유 가스와는 반응하지 않지만, 가스 종류에 따라 드리프트 현상이 다를 수 있습니다. 암모니아, SO3, 염소와 같은 부식성 가스는 센서를 손상시킬 수 있으므로 최대한 피해야 합니다.

1.3.2

사용 시 주의사항

이러한 종류의 측정기의 일반적인 측정 범위는 -110°C ~ +20°C입니다. 이슬점이 높을수록 측정값의 편차가 커집니다. 또한 온도 계수에도 주의해야 합니다. 수증기의 부분 압력에 민감하기 때문에 측정 시 기체의 전체 압력 변화에도 주의해야 합니다.

먼지와 기름 오염을 방지할 수 있으며, 가스 유량은 3~5(L/min) 또는 그 이상으로 더 많습니다.

1.3.3

장점과 단점

장점: 본 발명은 1μL/L(ppmv)에서 80%RH까지 넓은 반응 범위를 가지며, 원격 설치가 가능하고, 현장에서 사용 가능하며, 비교적 안정적이고 빠른 응답 속도를 보이고, 온도 계수가 작으며, 유량 변화와 무관하고, 물에 대한 선택성이 높으며, 넓은 온도 및 압력 범위에서 사용 가능하고, 일일 유지 보수 비용이 적고, 부피가 작다.

단점: 이 방법은 간접 측정 방식이며, 고온 환경에서 작동하거나 특정 가스 환경에서 오차가 발생할 수 있고, 부식성 가스의 영향을 받으며, 노화, 히스테리시스 및 오염을 극복하기 위해 주기적인 교정이 필요합니다. 응답 값이 비선형적이므로 각 센서를 개별적으로 교정해야 하며, 범용적으로 사용할 수 없습니다.

1.4

박막 정전 용량식 습도계

1.4.1

측정 원리, 구조 및 적용 범위

두 개의 전도성 전극 위에 폴리아민 염 또는 셀룰로오스 아세테이트 고분자 필름을 증착하여 사용합니다. 필름이 물을 흡수하거나 잃으면 두 전극 사이의 유전 상수가 변할 수 있습니다. 또한 고온에 강한 열경화성 고분자를 사용하는 기술도 있는데, 이를 통해 100°C 이상의 고온에서도 센서를 연속적으로 측정할 수 있습니다. 현재 저는 비살라(Visala)와 같은 고분자 필름을 사용하고 있습니다.

1. 주요 기능은 센서의 다른 부분을 지원하는 것입니다.

2. 전극 중 하나는 전도성 물질로 만들어져 있습니다.

3. 박막층. 센서의 핵심이며, 박막의 수분 흡수량은 주변 환경의 상대 습도와 관련이 있습니다. 박막의 두께는 1~10μm입니다.

4. 상부 전극 또한 센서 성능에 중요한 역할을 합니다. 빠른 응답을 얻기 위해서는 높은 투수성이 필요하며, 전도성 소재를 사용해야 합니다.

5. 상부 전극용 접촉 패드. 상부 전극 설계에는 여러 제약 조건이 있으므로 양호한 접촉을 위해 별도의 금속이 필요합니다.

측정 범위는 -50°C~100°C의 이슬점까지 넓어 온도 보정 없이도 넓은 온도 범위에서 사용 가능합니다. 고온 내성 열경화성 수지를 사용하여 최대 185°C의 온도에서도 연속 측정이 가능하며, 사용 가능한 최고 온도는 센서의 포장재에 따라 달라집니다. 또한, 열경화성 수지 센서는 -50°C~100°C 온도 범위에서 온도 계수가 작아 넓은 온도 범위에서 측정이 용이하다는 장점이 있습니다.

모든 상대 습도 센서는 온도에 민감하여 특정 온도에서 교정하면 다른 온도에서 사용할 때 오차가 발생합니다. 폴리머 센서의 장점 중 하나는 온도 의존성이 낮다는 것, 즉 온도 계수가 작다는 것입니다. 따라서 사용 온도가 교정 온도와 다르더라도 오차가 작습니다. 한계 온도에서 사용하거나 높은 정확도가 요구되는 경우에는 전자식 온도 보상이 필요합니다. 온도 범위가 50°C 미만인 경우에는 온도 보상이 용이하지만, 온도 범위가 넓을 경우에는 보상이 어렵습니다. 그러나 최신 폴리머 센서는 좁은 온도 및 습도 범위에서는 ±1%RH, 넓은 온도 및 습도 범위에서는 ±3%RH의 정확도를 달성할 수 있습니다. 일정 기간 사용 후 또는 오염 후에는 재교정이 필요합니다.

1.4.2

장점과 단점

장점: 이 시스템은 빠른 응답 속도, 넓은 온도 및 습도 측정 범위, 우수한 선형성, 낮은 히스테리시스, 뛰어난 안정성 및 반복성, 낮은 온도 계수, 그리고 저렴한 비용이라는 장점을 가지고 있습니다.

단점: 거의 없음.

1.5

저항식 습도계

1.5.1

측정 원리 및 구조

이 감지 소재는 4급 암모늄염의 고분자 용액을 기질로 사용하고, 기능기가 수지 고분자와 반응하여 3차원 구조를 갖는 열경화성 수지를 생성하며, 우수한 안정성을 나타낸다. 상대 습도의 변화는 음극과 양극 사이의 저항 변화를 유발할 수 있다.

1.5.2

장점과 단점

이 제품은 히스테리시스와 노화 현상이 없고, 온도 계수가 낮으며, 비용이 저렴하고 에너지 소비가 적습니다. 온도 범위는 -10°C~80°C이며, 반복성은 0.5%RH보다 우수하고, 정확도는 일반적으로 ±2%RH이며, 매우 좁은 범위에서는 ±1%RH까지 도달할 수 있습니다.

단점: 간접 측정 방식이기 때문에 주기적인 교정이 필요하며, 일부 오염물질에는 적합하지 않습니다. 넓은 온도 범위에서 사용할 경우 온도 보상이 필요합니다. 정전 용량 센서보다 오염물질에 민감합니다. 습도가 낮은 환경에는 적합하지 않으며, 상대 습도가 15%RH 미만일 경우 감도가 떨어집니다. 하지만 상대 습도가 100%RH에 가까울 때는 비교적 양호한 성능을 보입니다. 다만, 결로 현상으로 인해 센서가 손상될 수 있습니다.

일부 오염물질은 저항 센서에 큰 영향을 미치는 반면, 다른 오염물질은 용량 센서에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 센서를 선택할 때는 오염물질의 특성이 가장 중요한 고려 사항입니다.

1.6

기계식 습도계

1.6.1

측정 원리 및 구조

머리카락, 장 점막, 나일론, 폴리이미드와 같은 유기 고분자 재료의 길이는 상대 습도에 따라 변합니다. 본 기계식 습도계는 이러한 특성을 이용하여 상기 재료로 선형의 띠 모양 습도 감지 소자를 만들거나, 탄성 재료에 코팅하여 느슨한 와이어 모양의 습도 감지 소자를 제작합니다. 그런 다음 기계식 증폭 장치를 통해 습도 변화로 인한 기하학적 변화량을 포인터로 표시하거나 기록 펜으로 기록하여 상대 습도를 직접적으로 측정합니다. 본 발명은 실험실, 컴퓨터실, 창고, 공장 건물과 같은 실내 환경의 온도 및 습도 측정에 적합합니다.

1.6.2

장점과 단점

장점: 저렴하고, 대부분의 오염 물질에 민감하지 않으며, 전력이 필요 없고, 영구적으로 기록됩니다.

단점: 드리프트 현상이 발생하며, 특정 습도에서 장기간 사용하면 감도가 떨어지고, 0°C 이하에서는 사용할 수 없으며, 응답 속도가 느리고, 운송 또는 진동으로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.

1.7

건습구형 습도계

1.7.1

원칙

건습구 습도계는 동일한 사양의 두 개의 온도계로 구성됩니다. 하나는 건구 온도계로, 측정 대상 기체에 기포가 노출되어 주변 온도를 측정하며, 지시값은 Ta(ta)로 표시됩니다. 다른 하나는 습구 온도계로, 특수 제작된 거즈 커버로 감싸져 습기를 유지합니다. 습구 주변의 공기가 불포화 상태일 때, 습구 거즈 커버에 있는 수분은 지속적으로 증발합니다. 수분 증발은 열을 흡수해야 하므로 습구의 온도가 낮아지며, 지시값은 Tw(tw)로 표시됩니다. 습구의 수분 증발 속도는 주변 기체의 수분 함량과 관련이 있습니다. 기체의 습도가 낮으면 수분 증발이 빨라지고 습구의 온도가 낮아지며, 반대로 기체의 습도가 높으면 수분 증발이 빨라지고 습구의 온도가 높아집니다. 건구와 습구의 정확한 온도를 얻은 후, 습구의 온도 변화식을 이용하여 습도 값을 계산합니다.

단순하고 저렴한 가격 덕분에 건습구형 습도계는 과거 상당 기간 동안 가장 널리 사용되는 유형이었습니다.

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

장점과 단점

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.