Analyse van de voor- en nadelen van verschillende methoden voor het meten van het dauwpunt bij luchtvochtigheid.
testprincipe
Vochtigheidsmeters kunnen worden onderverdeeld in koudspiegel-, elektrolytische absorptie-, Al2O3-capacitieve, dunnefilm-capacitieve, weerstands-, droog-nat-bal- en mechanische typen. De elektrolytische absorptiemicrowatermeter en de Al2O3-capacitieve dauwpuntmeter worden over het algemeen gebruikt voor het meten van lage luchtvochtigheid, terwijl de weerstands-, droog-nat-bal- en mechanische vochtigheidsmeters alleen de relatieve luchtvochtigheid kunnen meten. De koudspiegel- en dunnefilm-capacitieve vochtigheidsmeters (Vaisala-patent) kunnen niet alleen lage, maar ook gemiddelde en hoge luchtvochtigheid meten, oftewel de relatieve luchtvochtigheid. De bovengenoemde instrumenten hebben elk hun eigen voor- en nadelen. De koudspiegel-dauwpuntmeter is de meest nauwkeurige, betrouwbare en meest eenvoudige meetmethode en wordt veel gebruikt in de standaardiseringstechniek. Het nadeel is echter de relatief hoge prijs en de vereiste ervaring voor bediening en onderhoud.
1.1
Koude spiegel dauwpuntmeter
1.1.1
Meetprincipe
Wanneer het gemeten vocht de dauwpuntmeetkamer binnenkomt, wordt het koude spiegeloppervlak eroverheen bewogen. Wanneer de temperatuur van het spiegeloppervlak hoger is dan het dauwpunt van het vocht, bevindt het spiegeloppervlak zich in een droge toestand. Op dat moment wordt het licht van de lichtbron in de fotocel vrijwel volledig door het spiegeloppervlak gereflecteerd. De fotocelsensor detecteert dit en genereert een fotocelsignaal. Het regelcircuit vergelijkt, versterkt en stuurt de thermo-elektrische pomp aan om het spiegeloppervlak te koelen. Wanneer de temperatuur van het spiegeloppervlak daalt tot het dauwpunt van het vocht, begint het oppervlak te beslaan (rijpen). Het licht reflecteert diffuus op het spiegeloppervlak, het reflectiesignaal van de fotocelsensor verzwakt, de verandering wordt door de regelkring vergeleken en versterkt, en de thermo-elektrische pomp wordt aangepast om het koelvermogen te verminderen. Uiteindelijk wordt de temperatuur van het spiegeloppervlak op het dauwpunt van het monstergas gehouden. De temperatuur van de spiegel wordt gemeten door een platina weerstandstemperatuursensor die zich dicht bij het onderste deel van het koude spiegeloppervlak bevindt en wordt weergegeven op het displayvenster.
Momenteel passen de wereldwijde bedrijven die koudspiegel-dauwpuntmeters produceren, zoals GE, Edgetech, het Zwitserse MBW, enzovoort, allemaal dit principe toe. Het Britse MICHELL gebruikt een dubbel optisch paddetectiesysteem, dat wil zeggen dat zowel het gereflecteerde als het verstrooide licht tegelijkertijd worden gedetecteerd, en het Finse Vaisala gebruikt akoestische golven als detectiesysteem.
Tijdens het meetproces nadert de waterdamp in het gemeten gas de verzadigingstoestand bij een dalende temperatuur. Door de zwaartekracht adsorberen de watermoleculen op het spiegeloppervlak en vormen een dunne waterfilm. Dit is de eerste fase van dauwvorming. Wanneer de temperatuur van de spiegel verder daalt, neemt de dikte van de waterfilm geleidelijk toe. Dit is de tweede fase van dauwvorming. In deze fase verandert het krachtcontrast tussen de zwaartekracht van de watermoleculen en de oppervlaktespanning van de waterfilm, waarbij de invloed van de oppervlaktespanning geleidelijk overheerst. Op dit moment kunnen instabiele factoren op het koeloppervlak, zoals kleine beschadigingen aan het spiegeloppervlak, ervoor zorgen dat de waterfilm condenseert tot druppels. Bij een verdere daling van de spiegeltemperatuur verschijnen de dauwdruppels. Onder de microscoop kunnen we de geïsoleerde groei en onregelmatige verdeling van de dauwdruppels waarnemen, waarna de dauwlaag zich zeer snel over het oppervlak verspreidt. Op dit punt kunnen we stellen dat het vloeistof-damp-evenwicht is bereikt, oftewel het dauwpunt.
1.1.2
Structuur
1.1.2.1
Spiegel
De spiegel moet waterafstotend zijn, een goede warmtegeleiding hebben, slijtvast en corrosiebestendig zijn, en goede optische eigenschappen bezitten. Vroeger werd goud gebruikt als spiegelmateriaal, tegenwoordig wordt rhodium gebruikt.
1.1.2.2
Spiegelkoeling
In het verleden werden ethyleenetherverdamping, mechanische koeling, koeling met vloeibaar gas of droogijs en persluchtkoeling gebruikt. De meest gebruikte methode is thermo-elektrische koeling of een combinatie van thermo-elektrische en mechanische koeling (dauwpunt lager dan -60 °C). In dit artikel wordt de nadruk gelegd op thermo-elektrische koeling.
Thermoelektrische koeling, ook wel halfgeleiderkoeling genoemd, is Peltier-koeling. Het principe is dat wanneer een gelijkstroom door een Peltier-element loopt dat is samengesteld uit twee verschillende metalen, warmte van het ene metaal naar het andere wordt overgedragen. Dit is precies het tegenovergestelde van temperatuurmeting met een thermokoppel. Wanneer het koude uiteinde van het Peltier-element is verbonden met een spiegel en het andere uiteinde als warmteafvoerend uiteinde wordt gebruikt, kan de spiegel worden gekoeld. Om verschillende lage temperaturen te bereiken, kan een meerlaagse superpositiemethode worden toegepast. Gegevens van GE uit de Verenigde Staten tonen aan dat, over het algemeen, bij een kamertemperatuur van 25 °C het temperatuurverschil tussen het koude en koude uiteinde 55 °C kan bedragen, bij een temperatuurverschil van 75 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 50 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 120 ...20 °C bij een temperatuurverschil van 105 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 °C bij een temperatuurverschil van 120 Hoe hoger de temperatuur aan de warme kant, hoe hoger het koelrendement en hoe groter het temperatuurverschil aan de warme kant. Om de temperatuur aan de koude kant te verlagen, worden meestal luchtkoeling, waterkoeling en mechanische koeling gebruikt. Onbeperkte verlaging is echter niet mogelijk. Het is belangrijk om te weten dat het koelvermogen niet gelijk is aan het meetbereik van de dauwpunthygrometer. Het meetbereik van een dauwpunthygrometer wordt gedefinieerd als het bereik waarin de temperatuur van het spiegeloppervlak kan worden gemeten, en wel wanneer de dauw- of rijplaag een bepaalde dikte heeft. Daarom ligt het meetbereik van een dauwpunthygrometer bij een normaal dauw-/vorstpunt doorgaans 5 °C hoger dan het koelvermogen, en bij een laag vorstpunt doorgaans 10 tot 12 °C hoger. De DP19 dauwpuntmeter van MBW in Zwitserland meet bijvoorbeeld bij een kamertemperatuur van 10 °C minimaal -60 °C, bij 20 °C minimaal -55 °C en bij 35 °C minimaal -45 °C. Door de hoge warmtegeleiding van waterstof en helium zal het meetbereik met enkele graden afnemen. Ook bij een hogere druk van het te meten gas neemt het meetbereik af. Bij lucht en stikstof neemt het meetbereik bij een hogere druk dan normaal met ongeveer 0,67 °C per extra atmosferische druk af.
1.1.2.3
Temperatuurmeetapparaat
Momenteel wordt de platinaweerstand met vier draden voornamelijk gebruikt voor temperatuurmeting. De weerstandswaarde en de temperatuur van de platinaweerstandstemperatuursensor vertonen een nagenoeg lineair verband over een vrij breed temperatuurbereik, de precisie is hoog, de stabiliteit is goed, het uitgangssignaal is sterk en de digitale weergave is gemakkelijk.
1.1.2.4
Detectiesysteem
Momenteel maken alle dauwpuntmeters, met uitzondering van de recent door het Finse bedrijf Vaisala ontwikkelde koudspiegel-dauwpuntmeter die gebruikmaakt van het geluidsgolfprincipe, gebruik van een fotodetector voor meting en regeling. De fotodetectortechnologie wordt al tientallen jaren gebruikt en is een volwaardige technologie. Het nadeel is echter dat deze geen onderscheid kan maken tussen onderkoeld water en rijp.
1.1.3
Gebruiksvoorzorgsmaatregelen
1.1.3.1
Onderkoeld water en vorst
Bij temperaturen tussen 0 en 20 °C kan zich gemakkelijk onderkoeld water vormen op het spiegeloppervlak. Omdat de verzadigde dampdruk op het ijsoppervlak en het wateroppervlak verschillend is, zal de gemeten waarde van onderkoeld water lager zijn dan het vriespunt en zal de temperatuur dus verschillen. Bijvoorbeeld, wanneer het vriespunt -10 °C is, is de overeenkomstige temperatuur van het onderkoelde water -11,23 °C. Wees daarom zeer voorzichtig bij deze temperatuur. Als het instrument is uitgerust met een endoscoop, kan dit worden waargenomen en vastgesteld. De meeste instrumenten beschikken tegenwoordig over een testfunctie, waarmee de minimale koelcapaciteit kan worden getest. In dat geval kunnen we deze testfunctie gebruiken om de temperatuur van de spiegel onder de -20 °C te brengen, zodat er ijsvorming op de spiegel optreedt, en vervolgens een formele meting uitvoeren.
1.1.3.2
Kelvin-effect
De verzadigde waterdampdruk aan het oppervlak verschilt van die in een vlak. Bij blootstelling aan een metalen oppervlak neemt de evenwichtswaterdampdruk, oftewel de verzadigde waterdampdruk aan het gebogen wateroppervlak, toe als gevolg van de oppervlaktespanning. Dit staat bekend als het Kelvin-effect. Door het Kelvin-effect is de gemeten dauwpuntstemperatuur lager dan de werkelijke dauwpuntstemperatuur van het gemeten gas.
1.1.3.2
Raoul-effect
Dit betekent dat de evenwichtswaterdampdruk van het systeem lager is dan de verzadigde waterdampdruk van zuiver water wanneer er een wateroplosbare stof op de spiegel aanwezig is. Deze wateroplosbare stoffen kunnen intrinsiek aan de spiegel zijn of in het gemeten gas voorkomen. Volgens de wet van Raoult is de afname van de evenwichtswaterdampdruk evenredig met de concentratie van de oplossing. Dit verklaart waarom er vroegtijdige condensatie optreedt voordat het dauwpunt van het gemeten gas is bereikt.
Het Kelvin-effect is precies het tegenovergestelde van het Raoul-effect, dus het zal elkaar gedeeltelijk compenseren. Bij dauwpuntmetingen is het Raoul-effect echter significantiever dan het Kelvin-effect, omdat er onvermijdelijk in meer of mindere mate wateroplosbare stoffen aanwezig zijn in de spiegel en het te meten gas. Onzuiverheden in het gas kunnen soms een chemische of fotochemische reactie aangaan met de wateronoplosbare stoffen op de spiegel, waardoor deze worden omgezet in oplosbare stoffen. Deze situatie is duidelijker zichtbaar bij de vochtmeting van industriële procesgassen. Daarom is het noodzakelijk om de vaste deeltjes in het gas te verwijderen met behulp van een geschikt filter en de resterende oplosbare stoffen op het spiegeloppervlak verder te verwijderen door herhaaldelijk condensatie- en ontdooiingsprocessen. Deze methode wordt veelvuldig toegepast.
In de praktijk zien we vaak dat het spiegeloppervlak niet egaal is wanneer het begint te belichten. De laag verschijnt altijd op bepaalde plekken van de spiegel. Dit wordt vaak veroorzaakt door krassen op de spiegel, omdat het resterende materiaal op deze beschadigde plekken enerzijds moeilijk te verwijderen is en anderzijds de hoeken fungeren als een soort "belichte kern", waardoor het belichtingsproces wordt versneld. Daarom is het bij het gebruik van de dauwpuntmeter, met name tijdens het reinigen van de spiegel, noodzakelijk om voorzichtig te zijn en mechanische beschadiging van de spiegel te voorkomen.
1.1.3.3
Spiegelverontreiniging
Een van de oorzaken is het Raoul-effect, de andere is de verandering in de mate van spiegelende achtergrondverstrooiing. Het Raoul-effect wordt voornamelijk veroorzaakt door in water oplosbare stoffen. Als deze stoffen aanwezig zijn in het te meten gas (meestal oplosbare zouten), zal de spiegel voortijdig beslaan, wat een positieve afwijking in de meetresultaten veroorzaakt. Als de verontreinigingen onoplosbaar zijn in waterdeeltjes, zoals stof, enz., zal de verstrooiing van de achtergrond toenemen, waardoor de foto-elektrische dauwpuntmeter een nulafwijking vertoont.
1.1.3.4
Bemonsteringskanaal
Omdat de atmosfeer een zeer hoog watergehalte heeft en watermoleculen polair zijn, kunnen ze gemakkelijk aan de binnenwand van de pijpleiding hechten of erdoorheen sijpelen. Daarom moet het gasleidingsysteem tijdens de meting goed afgedicht zijn, met een wanddikte van minimaal 1 mm, om te voorkomen dat water van buitenaf lekt. Als de temperatuur van de meetomgeving sterk verandert, moet de afdichting van de pijpleiding opnieuw gecontroleerd worden.
Als het gemeten gas rechtstreeks in de atmosfeer wordt geloosd, moet rekening worden gehouden met het probleem van waterdiffusie in het meetsysteem. De meest gebruikte methode is om een buis met een geschikte lengte in de uitlaatpoort aan te sluiten. De lengte en diameter van de buis zijn zodanig gekozen dat de druk in de meetkamer niet wordt beïnvloed.
De bemonsteringsleiding moet zo kort mogelijk zijn, het aantal verbindingen moet worden beperkt en "dode ruimte" moet worden vermeden om de interferentie van het achtergrondwater te verminderen.
De bemonsteringsleiding en de wand van de meetholte zijn schoon, glad en er is gekozen voor een hydrofoob materiaal. Figuur 2-2 toont de desorptietijdcurve van verschillende materialen wanneer deze worden blootgesteld aan droog gas in de verzadigde adsorptietoestand. Uit de experimentele resultaten kunnen we de volgende volgorde van materiaalselectie afleiden: roestvrij staal, PTFE, koper, polyethyleen en, in het slechtste geval, nylon en rubberen buizen, mogen niet worden gebruikt bij metingen bij een laag vriespunt. Bovendien is de buitendiameter van de buis 6 mm of 1/4 inch, hoewel bij metingen bij een laag vriespunt een gepolijste roestvrijstalen buis wordt gebruikt.
Bij het meten van het hoge dauwpunt moeten we erop letten dat het dauwpunt 3°C lager is dan de omgevingstemperatuur om condensatie van waterdamp in de leiding te voorkomen.
Bij het meten van de luchtvochtigheid met een dauwpunthygrometer ligt het debiet tussen 0,25 l/min en 1 l/min. Binnen dit bereik heeft een verandering in de stroomsnelheid geen invloed op de meetresultaten.
De bemonstering kan worden onderverdeeld in twee soorten: drukbemonstering, die, afhankelijk van de gebruikte bemonsteringsmethode, kan worden onderverdeeld in drukmeting en atmosferische drukmeting (zie respectievelijk figuren 2-3 en 2-4). De andere soort wordt gemeten bij atmosferische druk, dat wil zeggen dat het monster wordt genomen met behulp van een pomp. In dit geval kan er door de verschillende bemonsteringsmethoden vaak sprake zijn van kunstmatige overdruk en onderdruk. Als de bemonstering plaatsvindt zoals weergegeven in figuur 2-5, waarbij de dauwpuntmeter onder druk wordt gemeten, zal dit een positieve fout in de meetresultaten veroorzaken. Als de pomp en de debietmeter van positie worden verwisseld, waardoor de dauwpuntmeter onder onderdruk staat, zal dit een negatieve fout in de meting veroorzaken. De correcte bemonsteringsmethode wordt weergegeven in figuren 2-6.
1.1.4
Sollicitatie
Het meetbereik van de dauwpunt-hygrometer is breed. Momenteel loopt het meetbereik van een reeks dauwpunt-hygrometers ontwikkeld door het Zwitserse bedrijf MBW tot -95 °C ~ 70 °C, wat voldoet aan de meeste meetvereisten.
1.1.5
Voordelen en nadelen
Voordelen: Het is een eenvoudige, nauwkeurige meting en het instrument is stabiel en vrij van drift. Het instrument met de hoogste nauwkeurigheid kan een afwijking van ±0,1 °C bereiken.
Nadelen: Hoge prijs, hoge eisen aan de bediening en onderhoudsbehoefte. Gevoelig voor verontreinigingen. Er kan soms onderkoeld water aanwezig zijn in het temperatuurbereik van -20°C tot 0°C, dus wees extra voorzichtig om onderkoeld water te onderscheiden van ijsvorming.
1.2
Een micro-watermeter voor volledige absorptie-elektrolyse
1.2.1
Meetprincipe
Door middel van continue bemonstering stroomt het gasmonster door een elektrolytische cel met een speciale structuur. Het vocht in de cel wordt geabsorbeerd door de fosforpentoxide-laag, die als hygroscopisch middel fungeert, en door elektrolyse omgezet in waterstof en zuurstof, waarbij de fosforpentoxide wordt geregenereerd. Het reactieproces kan als volgt worden weergegeven:
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
Gecombineerd (1), (2), levert op:
2H2O=2H2+O2
Wanneer de absorptie en elektrolyse in evenwicht zijn, wordt het water dat de elektrolysecel binnenkomt geabsorbeerd door de fosforpentoxidefilm en geëlektrolyseerd. Als de omgevingstemperatuur, de omgevingsdruk en de gasstroom bekend zijn, kan de relatie tussen de elektrolytische stroom van water en het watergehalte van het gasmonster worden afgeleid volgens de wet van Faraday voor elektrolyse en de gaswet.
In formule:
Elektrolytische stroom van water, μA;
Watergehalte van het gasmonster, μL/L (d.w.z. volumeverhouding)
Gasstroom, ml/min
Milieudruk, Pa;
De absolute temperatuur van de omgeving, K;
Zoals uit de bovenstaande formule blijkt, is de grootte van de elektrolytische stroom evenredig met het watergehalte in het gasmonster. Het watergehalte in het gasmonster kan dus worden gemeten door de elektrolytische stroom van water te meten. Onder standaard atmosferische druk en 20 °C stroomt een ideaal gas met een debiet van 100 ml/min door de elektrolytische cel. Wanneer het watergehalte van het gasmonster 1 μL/L (ppmv) is, wordt de elektrolytische stroom volgens de formule berekend als 13,4 μA. Dit type instrument gebruikt doorgaans ppmv als eenheid en kan de ppmv-waarde van het vochtgehalte in het gasmonster direct aflezen.
Door het katalytische effect van de platina-elektrode is de elektrolyse van water een omkeerbaar proces. Wanneer het gemeten gasmonster waterstof, zuurstof bevat, of een combinatie van beide, verschuift de balans naar links. De door elektrolyse geproduceerde waterstof en zuurstof combineren zich tot water, waarna een secundaire elektrolyse plaatsvindt. Hierdoor is de totale elektrolysestroom hoger, wat het "waterstofeffect" en het "zuurstofeffect", oftewel het "composieteffect", oplevert. Uit experimenten blijkt dat de gemeten waarde van dit gas enkele tot tien ppmv hoger ligt wanneer het instrument wordt gebruikt om het watergehalte te meten. De afwijking in de concentratiereactie ligt echter binnen de achtergrondwaarde en kan daarom worden geminimaliseerd.
1.2.2
Structuur
Het instrument bestaat uit twee delen: een gaspadsysteem en een circuit. Het gaspadsysteem omvat hoofdzakelijk een elektrolytische cel en een gaspadregelgedeelte.
1.2.2.1
Batterij
In de glazen buis zijn twee platina-elektroden in een dubbele spiraalvorm gewikkeld, en tussen de elektroden is een gelijkmatige laag fosforpentoxide aangebracht als hygroscopisch middel. Onder de gespecificeerde meetomstandigheden zorgt de interne wikkelstructuur voor de absorptie en elektrolyse van al het water dat in het bassin komt. De glazen wand van het bassin is gunstig voor de gelijkmatige fosforpentoxidecoating. Omdat platina de eigenschap heeft waterstof en zuurstof te genereren, met name waterstofrijk gas, dat vervolgens weer reageert om water te vormen, hebben sommige bedrijven rhodium in plaats van platina gebruikt.
Bij een droge fosforpentoxidecoating wordt, wanneer een "absoluut droog" gasmonster wordt ingevoerd en een geschikte gelijkspanning op de elektrode wordt aangelegd, een kleine achtergrondstroom in het circuit gegenereerd. De waarde van de achtergrondstroom is alleen afhankelijk van de structuur van de cel, de conditie van de coating, de temperatuur en het type monster, maar niet van het watergehalte van het monster. Omdat de achtergrondstroom altijd kan worden opgeteld bij de elektrolytische stroom van het vocht in het gasmonster, moet het werkelijke vochtgehalte van het medium van de meetwaarde worden afgetrokken.
1.2.2.2
Pneumatisch besturingssysteem
Het pneumatische systeem bestaat uit een regelklep, een elektrolytische cel, een debietregelklep, een debietmeter en een droger. De regeling van de luchtstroom gebeurt door de regelklep.
1.2.3
Gebruiksvoorzorgsmaatregelen
Uit de formule kunnen we afleiden dat de meetresultaten, namelijk de luchtvochtigheid van het gas in μL/L (ppmv), worden berekend op basis van de gasstroom en de elektrolytische stroom. Daarom moet de gasstroom nauwkeurig worden geregeld en gemeten. Dit type instrument maakt doorgaans gebruik van een vlotterdebietmeter, die bij 20 °C en 1 atm met lucht wordt gekalibreerd. Als de gebruiksomstandigheden afwijken van de standaardomstandigheden, bijvoorbeeld bij een andere temperatuur en druk, of als er geen lucht als meetgas wordt gebruikt, moet het meetgas opnieuw worden gekalibreerd of gecorrigeerd met een correctiefactor.
1.2.4
Sollicitatie
Het meetbereik loopt van enkele μL/L (ppmV) tot 2000 μL/L (ppmV), en de nauwkeurigheid bedraagt 5% van de meetwaarde of 1% van het volledige bereik. De uitvinding kan worden gebruikt voor een groot aantal inerte gassen, waaronder sommige organische en anorganische gassen die niet reageren met P2O5. Voorbeelden hiervan zijn lucht, stikstof, waterstof, zuurstof, argon, helium, neon, koolmonoxide, kooldioxide, zwavelhexafluoride, methaan, ethaan, propaan, butaan, aardgas en bepaalde freongassen. De uitvinding is niet geschikt voor bepaalde corrosieve gassen en gassen die wel met P2O5 kunnen reageren, zoals ethanol, bepaalde zure gassen en onverzadigde koolwaterstofgassen.
1.2.5
Voordelen en nadelen
Voordelen: Nauwkeurige meting, stabiel, geen afwijking.
Nadelen: De levensduur van de batterij is beperkt en moet worden geregenereerd. Zowel hoge als lage luchtvochtigheid (<1 ppmv) verkorten de levensduur. Trage respons bij lage luchtvochtigheid. De gasstroom is hoog. De batterij is niet geschikt voor gebruik met bepaalde corrosieve gassen en gassen die reageren met P2O5. Er is een achtergrond.
1.3
Aluminiumoxide capaciteit vochtigheidsmeter
1.3.1
Meetprincipe, structuur en toepassingsgebied
Het instrument bestaat in verschillende uitvoeringen, zoals draagbare, op batterijen werkende modellen, modellen met dataverwerking door een microprocessor, modellen met een multiparameterweergave, enzovoort. De essentie is echter een condensator, die wordt gevormd door een dunne laag poreus aluminiumoxide op een geleidend substraat aan te brengen en vervolgens een dunne laag goud op deze laag aan te brengen. Het geleidende substraat en de dunne goudlaag vormen samen de elektroden van de condensator. Waterdamp wordt door het poreuze aluminiumoxide via de goudlaag geabsorbeerd en de impedantie van de condensator is evenredig met het aantal watermoleculen, oftewel de waterdampdruk. De partiële luchtvochtigheid kan worden bepaald door de impedantie of capaciteit van de condensator te meten, en de dauwpuntwaarde kan worden omgerekend.
De dunne laag aluminiumoxide tussen de aluminium- en gouden elektroden reageert op waterdamp in het gehele bereik van verzadigde dampdruk van 10⁻³ Pa (ongeveer -110 °C dauwpunt). Door de sterke affiniteit voor water, in combinatie met de hogere diëlektrische constante van water, zijn dergelijke instrumenten zeer selectief voor water, maar niet gevoelig voor andere gangbare gassen en organische gassen en vloeistoffen.
De nauwkeurigheid bedraagt ±1 tot ±2 °C bij een gemiddelde tot hoge luchtvochtigheid en ±2 tot ±3 °C bij een lage luchtvochtigheid, zoals -100 °C. De sensor reageert niet met koolwaterstofgas, CO, CO2 en HCFC-houdende gassen, maar de drift verschilt per gassoort. Bepaalde corrosieve gassen, zoals ammoniak, SO3 en chloor, kunnen de sensor beschadigen en moeten daarom zoveel mogelijk worden vermeden.
1.3.2
Gebruiksvoorzorgsmaatregelen
Het gebruikelijke meetbereik van dit type instrument is -110 °C tot +20 °C. Bij een hoger dauwpunt zal het instrument een grotere afwijking vertonen. Ook moet er rekening worden gehouden met de temperatuurcoëfficiënt. Omdat deze gevoelig is voor de partiële waterdampdruk, moet er tijdens de meting gelet worden op de verandering van de totale gasdruk.
Het voorkomt stof- en olievervuiling en de gasstroom is groter, namelijk 3 tot 5 liter per minuut of zelfs meer.
1.3.3
Voordelen en nadelen
Voordelen: De uitvinding heeft een breed reactiebereik, van 1 μL/L (ppmv) tot 80% RH, kan op afstand worden geïnstalleerd, kan in het veld worden gebruikt, is relatief stabiel, reageert snel, heeft een kleine temperatuurcoëfficiënt, is niet afhankelijk van veranderingen in de stroomsnelheid, heeft een hoge selectiviteit voor water, kan worden gebruikt in een breed temperatuur- en drukbereik, vereist een lage dagelijkse onderhoudshoeveelheid en heeft een klein volume.
Nadeel: De methode is een indirecte meting, werkt bij hogere temperaturen of in de aanwezigheid van bepaalde gassen die drift veroorzaken, wordt beïnvloed door corrosieve gassen en moet periodiek worden gekalibreerd om veroudering, hysteresis en vervuiling te compenseren. Omdat de respons niet-lineair is, moet elke sensor afzonderlijk worden gekalibreerd en kan deze niet universeel worden gebruikt.
1.4
Dunnefilm capacitieve vochtigheidsmeter
1.4.1
Meetprincipe, structuur en toepassingsgebied
Er wordt gebruikgemaakt van een film van een polyaminezout of celluloseacetaatpolymeer, aangebracht op twee geleidende elektroden. De diëlektrische constante tussen de twee elektroden kan veranderen wanneer de film water absorbeert of afgeeft. Er bestaat ook een techniek waarbij thermohardende polymeren worden gebruikt die bestand zijn tegen hoge temperaturen, waardoor dergelijke sensoren continu kunnen worden gemeten bij temperaturen hoger dan 100 °C. Tegenwoordig gebruik ik films met een hoog moleculair gewicht, zoals Visala.
1. De belangrijkste functie is het ondersteunen van andere onderdelen van de sensor.
2. Een van de elektroden is gemaakt van geleidend materiaal.
3. Dunne filmlaag. Dit is het hart van de sensor; de hoeveelheid water die de film absorbeert, is afhankelijk van de relatieve luchtvochtigheid in de omgeving. De dikte van de film bedraagt 1-10 μm.
4. De bovenste elektrode speelt ook een belangrijke rol in de prestaties van de sensor. Om een snelle respons te krijgen, is een hogere waterdoorlaatbaarheid noodzakelijk. Het is tevens een geleidend materiaal.
5. Een contactvlak voor een bovenste elektrode. Omdat er veel beperkingen zijn aan het ontwerp van de bovenste elektrode, is een apart metalen contactvlak nodig voor een goed contact.
Het meetbereik is breed, van -50°C tot 100°C dauwpunt. Het kan worden gebruikt in een breed temperatuurbereik, soms zonder temperatuurcompensatie. Hittebestendige thermohardende harsen maken continue metingen van dergelijke capacitieve vochtigheidssensoren mogelijk bij temperaturen tot 185°C, waarbij de hoogste gebruikte temperatuur afhangt van het materiaal waarin de sensor is verpakt. Een ander voordeel van thermohardende harssensoren is dat de temperatuurcoëfficiënt klein is in het temperatuurbereik van -50°C tot 100°C, waardoor metingen over een breed bereik eenvoudig zijn.
Alle relatieve vochtigheidssensoren zijn temperatuurgevoelig en zullen, indien gekalibreerd bij één temperatuur, fouten veroorzaken bij gebruik bij een andere temperatuur. Een voordeel van polymeersensoren is dat ze minder temperatuurafhankelijk zijn, oftewel kleinere temperatuurcoëfficiënten hebben. Daardoor is de fout klein wanneer de gebruikstemperatuur afwijkt van de kalibratietemperatuur. Elektronische temperatuurcompensatie is vereist bij gebruik op de grenstemperatuur of wanneer een hoge nauwkeurigheid vereist is. Wanneer het temperatuurbereik kleiner is dan 50 °C, is temperatuurcompensatie eenvoudig. Bij een groter temperatuurbereik is temperatuurcompensatie lastiger. De nauwkeurigheid van moderne polymeersensoren kan echter ±1% RH bereiken in een smal bereik en ±3% RH in een breed temperatuur- en vochtigheidsbereik. Na een bepaalde gebruiksperiode of na vervuiling is herkalibratie vereist.
1.4.2
Voordelen en nadelen
Voordelen: Het systeem heeft als voordelen een snelle respons, een breed meetbereik voor temperatuur en vochtigheid, goede lineariteit, weinig hysteresis, goede stabiliteit en herhaalbaarheid, een lage temperatuurcoëfficiënt en lage kosten.
Nadeel: Vrijwel niets.
1.5
Weerstandstype hygrometer
1.5.1
Meetprincipe en -structuur
Het gevoelige materiaal gebruikt een polymeeroplossing van quaternair ammoniumzout als matrix, waarbij de functionele groep reageert met het harspolymeer om een thermohardende hars te produceren met een driedimensionale structuur en goede stabiliteit. Veranderingen in de relatieve luchtvochtigheid kunnen leiden tot veranderingen in de weerstand tussen de kathode en de anode.
1.5.2
Voordelen en nadelen
Het apparaat heeft geen hysteresis of veroudering, een lage temperatuurcoëfficiënt, lage kosten en een laag energieverbruik. Het temperatuurbereik is -10°C tot 80°C, de herhaalbaarheid is beter dan 0,5% RV, de nauwkeurigheid is hoger, over het algemeen ±2% RV, in een zeer smal bereik kan ±1% RV worden bereikt.
Nadelen: Het is een indirect meetinstrument dat periodiek gekalibreerd moet worden en niet geschikt is voor sommige verontreinigende stoffen. Bij gebruik in een breed temperatuurbereik is temperatuurcompensatie nodig. Het is gevoeliger voor verontreinigende stoffen dan een capacitieve sensor. Het is niet geschikt voor lage luchtvochtigheid; de gevoeligheid neemt af bij een relatieve luchtvochtigheid lager dan 15% RV, maar de prestaties blijven goed bij een relatieve luchtvochtigheid van bijna 100% RV. Condensatie kan de sensor echter soms beschadigen.
Sommige verontreinigende stoffen hebben een grote invloed op weerstandssensoren, terwijl andere een grote invloed hebben op capaciteitssensoren. Bij de keuze van een sensor hangt het dus vooral af van de aard van de verontreinigende stoffen.
1.6
Mechanische vochtigheidsmeter
1.6.1
Meetprincipe en -structuur
De lengte van organische polymere materialen zoals haar, darmvlies, nylon en polyimide verandert met de relatieve luchtvochtigheid. De mechanische hygrometer maakt gebruik van deze eigenschap om van het bovengenoemde materiaal een lineair, strookvormig vochtigheidssensorelement te maken, of om een elastisch materiaal te coaten dat tot een los draadvormig vochtigheidssensorelement wordt opgerold. Vervolgens wordt de verandering in de geometrische grootte die door de verandering in luchtvochtigheid wordt veroorzaakt, via een mechanisch versterkingsmechanisme weergegeven door een wijzer of geregistreerd door een meetpen, waardoor de relatieve luchtvochtigheid direct wordt aangegeven. De uitvinding is geschikt voor het meten van de temperatuur en luchtvochtigheid in binnenruimtes zoals laboratoria, computerruimtes, magazijnen en fabrieksgebouwen.
1.6.2
Voordelen en nadelen
Voordelen: Goedkoop, ongevoelig voor de meeste vervuilende stoffen, geen stroom nodig en permanente opname.
Nadelen: drift, bij langdurig gebruik bij een bepaalde luchtvochtigheid verliest het zijn gevoeligheid, kan niet worden gebruikt beneden 0°C, trage respons, transport of trillingen kunnen de prestaties beschadigen.
1.7
Droog-nat bal luchtvochtigheidsmeter
1.7.1
Beginsel
De droog-natte-bol-hygrometer bestaat uit twee thermometers met identieke specificaties. De ene is de droogbolthermometer, waarbij de temperatuurbel in het te meten gas wordt geplaatst om de omgevingstemperatuur te meten. De weergegeven waarde wordt aangeduid met Ta (ta). De andere is de natte-bolthermometer, die is omwikkeld met een speciaal gaasje om hem vochtig te houden. Wanneer de lucht rond de natte bol niet verzadigd is, verdampt het vocht op het gaasje continu. Omdat verdampend vocht warmte absorbeert, daalt de temperatuur van de natte bol. De weergegeven waarde wordt aangeduid met Tw (tw). De snelheid waarmee het vocht in de natte bol verdampt, is gerelateerd aan het vochtgehalte van het omringende gas. Hoe lager de luchtvochtigheid, hoe sneller het vocht verdampt en hoe lager de temperatuur van de natte bol, en omgekeerd. Nadat de nauwkeurige temperatuur van de droge en natte bol is gemeten, wordt de luchtvochtigheid berekend met behulp van de formule voor natte bollen.
Vanwege hun eenvoud en lage kosten waren droog-nat-balhygrometers in het verleden lange tijd het meest gebruikte type.
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
Voordelen en nadelen
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.
