Análise das vantagens e desvantagens de vários métodos de medição do ponto de orvalho da umidade
princípio de teste
Os instrumentos de medição de umidade podem ser divididos em três tipos: tipo espelho frio, tipo eletrólise por absorção total, tipo capacitivo de Al₂O₃, tipo capacitivo de filme fino, tipo resistivo, tipo esfera seca/úmida e tipo mecânico. Dentre eles, o microhidrômetro eletrolítico por absorção total e o medidor de ponto de orvalho capacitivo de Al₂O₃ são geralmente usados para medir a umidade em baixas faixas, enquanto os tipos resistivo, de esfera seca/úmida e mecânico só podem ser usados para medir a umidade relativa. Já o tipo espelho frio e o tipo capacitivo de filme fino (patente da Vaisala) podem ser usados não apenas para medir baixa umidade, mas também umidade relativa em faixas médias e altas. Os instrumentos mencionados têm suas próprias vantagens e desvantagens. Dentre eles, o medidor de ponto de orvalho por espelho frio é o mais preciso, o mais confiável e o método de medição mais básico, sendo amplamente utilizado em sistemas de transmissão padrão. No entanto, sua desvantagem é o preço relativamente alto e a necessidade de experiência em operação e manutenção.
1.1
medidor de ponto de orvalho de espelho frio
1.1.1
Princípio da medida
Quando a umidade medida entra na câmara de medição do ponto de orvalho, a superfície fria do espelho é varrida; quando a temperatura da superfície do espelho é superior à temperatura do ponto de orvalho da umidade, a superfície do espelho está seca; nesse momento, a luz emitida pela fonte de luz no dispositivo de exposição fotoelétrica é quase totalmente refletida na superfície do espelho, o sensor fotoelétrico detecta e emite o sinal fotoelétrico, e o circuito de controle compara, amplifica e aciona a bomba termoelétrica para resfriar a superfície do espelho. Quando a temperatura da superfície do espelho cai para a temperatura do ponto de orvalho da umidade, a superfície começa a formar orvalho (geada), a luz aparece refletida difusamente na superfície do espelho, o sinal de reflexão induzido pelo sensor fotoelétrico é atenuado, a mudança é comparada pelo circuito de controle, amplificada, a bomba termoelétrica é ajustada para que a potência de refrigeração seja reduzida adequadamente, finalmente, a temperatura da superfície do espelho é mantida na temperatura do ponto de orvalho do gás da amostra. A temperatura do espelho é medida por um sensor de temperatura de resistência de platina, localizado próximo à parte inferior da superfície fria do espelho, e é exibida na janela de visualização.
Atualmente, as empresas mundiais que produzem medidores de ponto de orvalho com espelho frio, como a GE, a Edgetech, a suíça MBW, entre outras, adotam esse princípio. A britânica MICHELL utiliza um sistema de detecção de caminho óptico duplo, ou seja, detecta simultaneamente a luz refletida e a luz dispersa. Já a finlandesa Vaisala utiliza ondas acústicas como sistema de detecção.
Durante o processo de medição, o vapor de água no gás medido aproxima-se do estado de saturação com a diminuição da temperatura. Devido ao efeito da gravidade, as moléculas de água adsorvem-se na superfície do espelho, formando uma fina película de água. Esta é a primeira etapa da formação de orvalho. Quando a temperatura do espelho continua a diminuir, a espessura da película de água aumenta gradualmente, caracterizando a segunda etapa da formação de orvalho. Nesta fase, o contraste entre a força gravitacional das moléculas de água e a tensão superficial da película de água altera-se, e a influência desta última torna-se gradualmente dominante. Neste momento, quaisquer fatores instáveis na superfície de resfriamento, como uma pequena cicatriz na superfície do espelho, farão com que a película de água se condense em gotículas. Com a diminuição adicional da temperatura do espelho, as gotas de orvalho começam a aparecer. Através do microscópio, podemos observar o crescimento isolado e a distribuição irregular das gotas de orvalho, e então a camada de orvalho difunde-se na superfície a uma velocidade muito alta. Neste momento, podemos considerar que o equilíbrio líquido-vapor se inicia, ou seja, que o ponto de orvalho é atingido.
1.1.2
Estrutura
1.1.2.1
Espelho
O espelho deve ser hidrofóbico, ter boa condutividade térmica, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e bom desempenho óptico. No passado, o ouro era usado como material para espelhos; atualmente, o ródio é o material mais utilizado.
1.1.2.2
Resfriamento por espelho
No passado, foram utilizados os seguintes métodos de refrigeração: evaporação de éter de etileno, refrigeração mecânica, refrigeração com gás liquefeito ou gelo seco e refrigeração por ar comprimido. O método mais comum é a refrigeração termoelétrica ou a refrigeração termoelétrica combinada com a refrigeração mecânica (ponto de orvalho abaixo de -60 °C). Neste artigo, a ênfase é dada à refrigeração termoelétrica.
A refrigeração termoelétrica, também conhecida como refrigeração semicondutora, é um tipo de refrigeração Peltier (do inglês Peltier). O princípio é que, quando uma corrente contínua passa por um elemento semicondutor composto por dois metais diferentes, o calor é transferido de um metal para o outro, o que é exatamente o oposto da medição de temperatura por termopar. Portanto, quando a extremidade fria do Peltier é conectada a um espelho e a outra extremidade é usada como dissipador de calor, o espelho pode ser resfriado. Para obter diferentes temperaturas baixas, pode-se adotar um método de superposição de múltiplos níveis. Os dados fornecidos pela GE Company, dos Estados Unidos, mostram que, de modo geral, se a temperatura ambiente for de 25 °C, a diferença de temperatura entre as extremidades frias pode atingir 55 °C; se atingir a quinta camada de refrigeração, pode chegar a 75 °C; se atingir a quinta camada, a diferença de temperatura entre as extremidades frias pode chegar a 105 °C; e se atingir a quinta camada, pode chegar a 120 °C. A capacidade de refrigeração pode variar ligeiramente entre diferentes fabricantes. Quanto maior a temperatura na extremidade quente, maior a eficiência de resfriamento e maior a diferença de temperatura nessa extremidade. Para reduzir a temperatura na extremidade fria, geralmente são utilizados resfriamento a ar, resfriamento a água e refrigeração mecânica. No entanto, essa redução não é indefinida. É importante observar que a capacidade de refrigeração não representa a faixa de medição de um higrômetro de ponto de orvalho. A faixa de medição de um higrômetro de ponto de orvalho é definida como a temperatura da superfície do espelho que pode ser medida quando a camada de orvalho ou gelo atinge uma determinada espessura. Portanto, em condições normais de ponto de orvalho/geada, a faixa de medição de um higrômetro de ponto de orvalho é geralmente 5 °C superior à sua capacidade de resfriamento, e em condições de baixo ponto de geada, essa faixa é geralmente 10 °C a 12 °C superior. Por exemplo, o medidor de ponto de orvalho DP19, produzido pela empresa MBW na Suíça, tem uma faixa de medição mínima de -60 °C a uma temperatura ambiente de 10 °C; de -55 °C a 20 °C; e de -45 °C a 35 °C. Devido à alta condutividade térmica do hidrogênio e do hélio, a faixa de medição é reduzida em alguns graus. O aumento da pressão do gás medido também reduz a faixa de medição. No caso do ar e do nitrogênio, sob condições de pressão acima do normal, para cada aumento de pressão atmosférica, a faixa de medição diminui em cerca de 0,67 °C.
1.1.2.3
Aparelho de medição de temperatura
Atualmente, a maioria dos sensores de temperatura utiliza resistores de platina de quatro fios. A relação entre a resistência e a temperatura nesses sensores é quase linear em uma ampla faixa de temperatura, apresentando alta precisão, boa estabilidade, sinal de saída robusto e fácil visualização em tela digital.
1.1.2.4
Sistema de detecção
Atualmente, com exceção do medidor de ponto de orvalho de espelho frio desenvolvido recentemente pela Vaisala, empresa finlandesa que utiliza o princípio da onda sonora para medição, todos os demais utilizam detectores fotoelétricos para medição e controle. A tecnologia de detecção fotoelétrica é utilizada há várias décadas e está consolidada. No entanto, sua desvantagem é a incapacidade de distinguir água super-resfriada de gelo.
1.1.3
Precauções de utilização
1.1.3.1
Água super-resfriada e geada
Na faixa de 0 a 20 °C, a água super-resfriada se forma facilmente na superfície do espelho. Como a pressão de vapor saturado na superfície do gelo e na superfície da água é diferente, se a água super-resfriada se formar na superfície do espelho, o valor medido será inferior ao ponto de congelamento e a temperatura será diferente. Por exemplo, quando o ponto de congelamento é -10 °C, a temperatura correspondente da água super-resfriada é -11,23 °C. Portanto, deve-se ter muito cuidado nessa temperatura. Se o instrumento estiver equipado com um endoscópio, é possível observar e distinguir a água super-resfriada por meio dele. Atualmente, a maioria dos instrumentos possui a função de teste, ou seja, para testar sua capacidade mínima de resfriamento. Nesse caso, podemos usar a função de teste para reduzir a temperatura do espelho para menos de -20 °C, garantir a formação de gelo no espelho e, em seguida, realizar uma medição formal.
1.1.3.2
Efeito Kelvin
A pressão de vapor de água saturada na superfície é diferente daquela em um plano. Quando exposta à superfície metálica, a pressão de vapor de água em equilíbrio, ou seja, a pressão de vapor de água saturada na superfície curva da água, aumenta devido ao efeito da tensão superficial, conhecido como efeito Kelvin. Por causa do efeito Kelvin, a temperatura do ponto de orvalho obtida é menor do que a temperatura do ponto de orvalho do gás real medido.
1.1.3.2
Efeito Raoul
Isso significa que a pressão de vapor de água em equilíbrio do sistema é menor que a pressão de vapor de água saturada da água pura quando há uma substância solúvel em água presente no espelho. Essas substâncias solúveis em água podem ser intrínsecas ao espelho ou estar contidas no gás medido. De acordo com a lei de Raoul, a diminuição da pressão de vapor de água em equilíbrio é proporcional à concentração da solução, razão pela qual ocorre condensação prematura antes de o gás medido atingir a temperatura do ponto de orvalho.
O efeito Kelvin é exatamente o oposto do efeito Raoul, portanto, haverá alguma compensação entre eles. No entanto, na medição do ponto de orvalho, o efeito Raoul é mais significativo que o efeito Kelvin, porque as substâncias hidrossolúveis estão inevitavelmente presentes, em maior ou menor grau, no espelho e no gás medido, e as impurezas no gás podem, por vezes, sofrer reações químicas ou fotoquímicas com as substâncias hidrossolúveis presentes no espelho, convertendo-as em substâncias solúveis. Essa situação é mais evidente na medição da umidade de gases de processos industriais. Portanto, é necessário remover as partículas sólidas do gás utilizando um dispositivo de filtragem adequado e, posteriormente, remover as substâncias solúveis remanescentes na superfície do espelho por meio de repetidas operações de condensação e remoção do orvalho; esse método é amplamente utilizado.
Na prática, frequentemente constatamos que a superfície do espelho não é uniforme quando começa a ser exposta. Uma camada se forma em determinada área do espelho, geralmente devido a arranhões. Nessas áreas defeituosas, o material residual não é facilmente removido e, além disso, as imperfeições nos cantos atuam como "núcleos expostos", acelerando o processo de exposição. Portanto, ao utilizar o medidor de ponto de orvalho, principalmente durante a limpeza do espelho, é fundamental evitar danos mecânicos.
1.1.3.3
Contaminação do espelho
Um deles é o efeito Raoul, o outro é a alteração do nível de dispersão especular do fundo. O efeito Raoul é causado principalmente por substâncias solúveis em água. Se a substância estiver presente no gás medido (geralmente sais solúveis), o espelho irá condensar antecipadamente, o que causará um desvio positivo nos resultados da medição. Se os poluentes forem partículas insolúveis em água, como poeira, etc., o nível de dispersão do fundo aumentará, fazendo com que o medidor de ponto de orvalho fotoelétrico apresente deriva do zero.
1.1.3.4
Canal de amostragem
Devido ao alto teor de água na atmosfera e à natureza polar de suas moléculas, a água é facilmente absorvida pelas paredes internas ou através da tubulação. Portanto, o sistema de passagem de gás deve ser bem vedado durante a medição, com uma espessura mínima de 1 mm na parede do tubo, a fim de evitar vazamentos causados pela entrada de água do ambiente externo. Caso ocorra uma variação significativa na temperatura do ambiente de medição, a vedação da tubulação deve ser verificada novamente.
Se o gás medido for descarregado diretamente na atmosfera, deve-se considerar o problema da difusão de água para o sistema de medição. O método mais comum é conectar um tubo com comprimento adequado à porta de exaustão. O comprimento e o diâmetro do tubo são definidos com base no princípio de não afetar a pressão da câmara de medição.
O tubo de amostragem deve ser o mais curto possível, o número de juntas deve ser reduzido e o "espaço morto" deve ser evitado para minimizar a interferência da água de fundo.
A tubulação de amostragem e a parede da cavidade de medição estão limpas, apresentam boa superfície lisa e o material selecionado é hidrofóbico. A Figura 2-2 mostra a curva de dessorção em função do tempo para diversos materiais quando submetidos a gás seco em estado de adsorção saturada. A partir dos resultados experimentais, podemos obter a seguinte ordem de seleção de materiais: aço inoxidável, PTFE, cobre, polietileno e, pior ainda, tubos de náilon e borracha, não devem ser usados em medições com baixo ponto de congelamento. Além disso, o diâmetro externo do tubo deve ser de 6 mm ou 1/4 de polegada, embora o tubo de aço inoxidável com interior polido seja usado em medições com baixo ponto de congelamento.
Ao medir o ponto de orvalho elevado, devemos prestar atenção para que o ponto de orvalho seja 3°C inferior à temperatura ambiente, a fim de evitar a condensação do vapor de água na tubulação.
Quando o higrômetro de ponto de orvalho mede a umidade, a faixa de vazão é de 0,25 L/min a 1 L/min. Nessa faixa, a variação da velocidade do fluxo não afeta os resultados da medição.
A amostragem pode ser dividida em dois tipos: a amostragem por pressão, que, de acordo com os diferentes métodos de amostragem, pode ser dividida em medição por pressão e medição por pressão atmosférica (veja as figuras 2-3 e 2-4, respectivamente). A outra é a medição à pressão atmosférica, ou seja, a amostra é coletada por uma bomba. Nesse caso, frequentemente ocorrerão pressões positivas e negativas artificiais devido aos diferentes métodos de amostragem. Se a amostragem for feita da maneira mostrada na Figura 2-5, o medidor de ponto de orvalho é medido sob pressão, o que introduzirá um erro positivo nos resultados da medição. Se a bomba e o medidor de vazão trocarem de posição, o medidor de ponto de orvalho ficará sob pressão negativa, o que introduzirá um erro negativo na medição. O método de amostragem correto é mostrado nas figuras 2-6.
1.1.4
Aplicativo
A faixa de medição do higrômetro de ponto de orvalho é ampla. Atualmente, a faixa de medição de uma série de higrômetros de ponto de orvalho desenvolvidos pela empresa suíça MBW atinge -95°C a 70°C, atendendo à maioria das necessidades de medição.
1.1.5
Prós e contras
Benefícios: É uma medição básica e precisa, e o instrumento é estável e livre de deriva. O instrumento com a mais alta precisão pode atingir ±0,1°C.
Desvantagem: Preço elevado, exigências elevadas para os operadores e necessidade de manutenção. Sensível a poluentes. Por vezes, existe água super-resfriada na faixa de -20 °C a 0 °C, portanto, tenha especial cuidado para distinguir água super-resfriada de gelo.
1.2
Um micromedidor de água para eletrólise de absorção completa.
1.2.1
Princípio da medida
Por meio de amostragem contínua, a amostra de gás flui através de uma célula eletrolítica de estrutura especial, cuja umidade é absorvida pela camada de pentóxido de fósforo, que atua como agente higroscópico, e descarregada por eletrólise em hidrogênio e oxigênio, regenerando-se o pentóxido de fósforo. O processo de reação pode ser expresso como:
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
A combinação de (1) e (2) resultará em:
2H2O=2H2+O2
Quando a absorção e a eletrólise estão em equilíbrio, a água que entra na célula de eletrólise é absorvida pela camada de filme de pentóxido de fósforo e sofre eletrólise. Se a temperatura ambiente, a pressão ambiente e o fluxo de gás forem conhecidos, a relação entre a corrente eletrolítica da água e o teor de água na amostra de gás pode ser deduzida de acordo com a lei da eletrólise de Faraday e a lei dos gases:
Na fórmula:
Corrente eletrolítica da água, μA;
Teor de água na amostra de gás, μL/L (ou seja, proporção de volume)
Fluxo de gás, ml/min
Pressão ambiental, Pa;
Temperatura absoluta do ambiente, em Kelvin;
Como pode ser observado na fórmula acima, a magnitude da corrente eletrolítica é proporcional ao teor de água na amostra de gás; portanto, o teor de água na amostra de gás pode ser medido pela medição da corrente eletrolítica da água. Sob condições de pressão atmosférica padrão e 20 °C, um gás ideal flui através da célula eletrolítica a uma vazão de 100 ml/min. Quando o teor de água na amostra de gás é de 1 μL/L (ppmv), a corrente eletrolítica calculada pela fórmula é de 13,4 μA. Esse tipo de instrumento geralmente utiliza ppmv como unidade e pode ler diretamente o valor em ppmv do teor de umidade na amostra de gás.
Devido ao efeito catalítico do eletrodo de platina, a reação de eletrólise da água é um processo reversível. Assim, quando a amostra de gás medida é hidrogênio, oxigênio ou contém quantidades suficientes de hidrogênio e oxigênio, o equilíbrio se desloca para a esquerda. O hidrogênio e o oxigênio produzidos pela eletrólise se combinam para gerar água, e então ocorre uma segunda eletrólise, resultando em um valor de corrente total de eletrólise mais alto, ou seja, um efeito combinado de hidrogênio e oxigênio. O experimento mostra que a leitura desse tipo de gás é de algumas a dez ppmv maior quando o instrumento é usado para medir o teor de água, mas a variação na concentração da reação está dentro do valor de fundo, o que pode ser considerado normal.
1.2.2
Estrutura
O instrumento é composto por duas partes: o sistema de fluxo de gás e o circuito. O sistema de fluxo de gás inclui principalmente uma célula eletrolítica e uma parte de controle do fluxo de gás.
1.2.2.1
Bateria
Dentro do tubo de vidro, dois eletrodos de platina são enrolados em formato de espiral dupla, e uma película de pentóxido de fósforo é uniformemente depositada entre os eletrodos como agente higroscópico. Sob as condições de medição especificadas, a estrutura interna em espiral garante a absorção e a eletrólise de toda a água que entra na piscina. A parede de vidro da piscina favorece a aplicação uniforme da camada de pentóxido de fósforo. Como a platina tem a função de gerar hidrogênio e oxigênio, especialmente gás rico em hidrogênio, que reage para gerar água, algumas empresas têm optado por substituir a platina pelo ródio.
Para o revestimento seco de pentóxido de fósforo, quando uma amostra de gás "absolutamente seca" é introduzida e uma tensão CC apropriada é aplicada ao eletrodo, um pequeno valor de corrente de fundo é gerado no circuito. O valor da corrente de fundo está relacionado apenas à estrutura da célula, à condição do revestimento, à temperatura e ao tipo de amostra, mas não ao teor de água da amostra. Como o valor da corrente de fundo sempre pode ser adicionado à corrente eletrolítica da umidade contida na amostra de gás, o teor real de umidade do meio deve ser subtraído da leitura do instrumento durante a medição.
1.2.2.2
Sistema de controle pneumático
O sistema pneumático é composto por válvula de controle, célula eletrolítica, válvula reguladora de fluxo, medidor de vazão e secador. O controle do fluxo de ar é feito pela válvula de controle.
1.2.3
Precauções de utilização
A partir da fórmula, podemos saber que os resultados da medição, ou seja, a umidade do gás em μL/L (ppmv), são calculados de acordo com o fluxo de gás e a corrente eletrolítica. Portanto, o fluxo de gás deve ser controlado e medido com precisão. Esse tipo de instrumento geralmente utiliza um fluxômetro de flutuador, calibrado a 20 °C e 1 atm com ar. Se as condições de uso não forem padronizadas, por exemplo, em temperatura e pressão diferentes, ou se o gás medido não for ar, o gás medido precisa ser calibrado novamente ou corrigido de acordo com um fator de correção.
1.2.4
Aplicativo
A faixa de medição é de alguns μL/L (ppmV) a 2000 μL/L (ppmV), e a precisão é de 5% da leitura ou 1% da faixa total. A invenção pode ser usada para uma pluralidade de gases inertes, alguns gases orgânicos e inorgânicos que não reagem com P₂O₅. Exemplos incluem ar, nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, argônio, hélio, neônio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hexafluoreto de enxofre, metano, etano, propano, butano, gás natural e certos gases freon. Não pode ser usada para certos gases corrosivos e gases que podem reagir com P₂O₅, como etanol, certos gases ácidos e gases de hidrocarbonetos insaturados.
1.2.5
Prós e contras
Benefícios: Medição absoluta, estável, sem deriva.
Desvantagem: A vida útil da bateria é limitada e precisa ser regenerada. Tanto a alta quanto a baixa umidade (<1 ppmv) reduzem sua vida útil. Resposta lenta em baixa umidade. A demanda por vazão de gás é alta. Não pode ser usada em alguns gases corrosivos e gases que reagem com P2O5. Há um histórico.
1.3
medidor de umidade capacitivo de óxido de alumínio
1.3.1
Princípio de medição, estrutura e gama de aplicações
O instrumento apresenta diversas formas, como portátil alimentado por bateria, com processamento de dados por microprocessador, display multiparâmetro, entre outras. Sua essência, porém, reside no funcionamento de um capacitor, formado pela deposição de uma fina camada de alumina porosa sobre um substrato condutor, seguida da aplicação de uma fina camada de ouro sobre a alumina. O substrato condutor e a fina camada de ouro formam o eletrodo do capacitor. O vapor de água é absorvido pela alumina porosa através da fina camada de ouro, e a impedância do capacitor é proporcional ao número de moléculas de água, ou seja, à pressão de vapor de água. A pressão parcial de umidade pode ser obtida medindo-se a impedância ou a capacitância do capacitor, e o valor do ponto de orvalho pode ser obtido por conversão.
A fina camada de óxido de alumínio localizada entre os eletrodos de alumínio e ouro responde a toda a faixa de pressão de vapor saturado, de 10⁻³ Pa (ponto de orvalho de aproximadamente -110 °C) até a água. Devido à sua forte afinidade pela água, aliada à maior constante dielétrica da água, esses instrumentos são altamente seletivos para água, mas não respondem a outros gases comuns, gases orgânicos e líquidos.
A precisão é de ±1~±2°C na faixa de umidade média e alta, e de ±2~±3°C na faixa de baixa umidade, como -100°C. O sensor não reage com gases de hidrocarbonetos, CO, CO2 e gases contendo HCFC, mas a deriva varia de acordo com o gás. Certos gases corrosivos, como amônia, SO3 e cloro, podem danificar o sensor e devem ser evitados ao máximo.
1.3.2
Precauções de utilização
A faixa de medição usual para esse tipo de instrumento é de -110 °C a +20 °C. Quando o ponto de orvalho é mais alto, o instrumento apresentará uma deriva maior. Deve-se também atentar para o coeficiente de temperatura. Devido à sua resposta à pressão parcial do vapor de água, é preciso observar a variação da pressão total do gás durante a medição.
Pode evitar a poluição por poeira e óleo, e a taxa de fluxo de gás é maior, que é de 3 a 5 (L/min) ou até maior.
1.3.3
Prós e contras
Benefícios: A invenção possui ampla faixa de resposta, de 1 μL/L (ppmv) a 80% UR, pode ser instalada remotamente, pode ser usada em campo, tem resposta relativamente estável e rápida, pequeno coeficiente de temperatura, não tem relação com a variação da vazão, possui alta seletividade à água, pode ser usada em uma ampla faixa de temperatura e pressão, requer pouca manutenção diária e tem pequeno volume.
Desvantagem: O método é uma medição indireta, operando em temperaturas mais altas ou sob a influência de alguns gases que causam deriva, e é afetado por gases corrosivos. Além disso, precisa ser calibrado periodicamente para compensar o envelhecimento, a histerese e a contaminação. Como o valor da resposta não é linear, cada sensor precisa ser calibrado e não pode ser usado universalmente.
1.4
Medidor de umidade capacitivo de película fina
1.4.1
Princípio de medição, estrutura e gama de aplicações
Utiliza-se um filme de polímero de sal de poliamina ou acetato de celulose depositado sobre dois eletrodos condutores. A constante dielétrica entre os dois eletrodos pode ser alterada quando o filme absorve ou perde água. Existe também uma técnica que utiliza polímeros termofixos resistentes a altas temperaturas, o que permite que esses sensores sejam medidos continuamente a temperaturas superiores a 100 °C. Atualmente, estou utilizando filmes de alta massa molecular, como o Visala.
1. Sua função principal é dar suporte a outras partes do sensor.
2. Um dos eletrodos é feito de material condutor.
3. Camada de película fina. É o coração do sensor; a quantidade de absorção de água da película está relacionada à umidade relativa do ambiente circundante. A espessura da película é de 1 a 10 μm.
4. O eletrodo superior também desempenha um papel importante no desempenho do sensor. Para obter uma resposta rápida, é necessário que ele tenha alta permeabilidade à água. Além disso, trata-se de um material condutor.
5. Uma almofada de contato para um eletrodo superior. Como existem muitas restrições no projeto do eletrodo superior, é necessário um metal separado para garantir um bom contato.
A faixa de medição é ampla, de -50 °C a 100 °C de ponto de orvalho. Pode ser usado em uma ampla faixa de temperatura, às vezes sem compensação de temperatura. Resinas termofixas resistentes a altas temperaturas permitem medições contínuas desses sensores capacitivos de umidade a temperaturas de até 185 °C, sendo a temperatura máxima utilizada dependente do material de encapsulamento do sensor. Outra vantagem dos sensores de resina termofixa é que o coeficiente de temperatura é pequeno na faixa de -50 °C a 100 °C, o que facilita a medição em uma ampla faixa de temperaturas.
Todos os sensores de umidade relativa são sensíveis à temperatura e, se calibrados em uma determinada temperatura, apresentarão erros quando usados em outra. Uma vantagem dos sensores de polímero é a menor dependência da temperatura, ou seja, menores coeficientes de temperatura. Portanto, quando a temperatura de uso é diferente da temperatura de calibração, o erro é pequeno. A compensação eletrônica de temperatura é necessária se o sensor for usado na temperatura limite ou se a precisão for alta. Quando a faixa de temperatura for inferior a 50 °C, a compensação é fácil. Quando a faixa de temperatura for mais ampla, a compensação torna-se mais difícil. No entanto, a precisão dos sensores de polímero modernos pode atingir ±1% UR em uma faixa estreita e ±3% UR em uma ampla faixa de temperatura e umidade. Após um período de uso ou após contaminação, é necessária uma recalibração.
1.4.2
Prós e contras
Benefícios: O sistema apresenta as vantagens de resposta rápida, ampla faixa de medição de temperatura e umidade, boa linearidade, baixa histerese, boa estabilidade e repetibilidade, baixo coeficiente de temperatura e baixo custo.
Desvantagem: Quase nenhuma.
1.5
Higrômetro de resistência
1.5.1
Princípio e estrutura de medição
O material sensível utiliza a solução polimérica de sal de amônio quaternário como matriz, e o grupo funcional reage com o polímero da resina para produzir uma resina termofixa tridimensional com boa estabilidade. A variação da umidade relativa pode levar à alteração da resistência entre o cátodo e o ânodo.
1.5.2
Prós e contras
Não apresenta histerese nem envelhecimento, possui baixo coeficiente de temperatura, baixo custo e baixo consumo de energia. A faixa de temperatura é de -10°C a 80°C, a repetibilidade é melhor que 0,5% UR, a precisão é maior, geralmente ±2% UR, podendo atingir ±1% UR em uma faixa muito estreita.
Desvantagem: É um instrumento de medição indireta, que precisa ser calibrado periodicamente e não é adequado para alguns poluentes. Se usado em uma ampla faixa de temperatura, requer compensação térmica. É mais sensível a poluentes do que o sensor capacitivo. Não é adequado para baixa umidade, apresentando perda de sensibilidade quando a umidade relativa é inferior a 15% UR, mas ainda apresenta bom desempenho quando a umidade relativa está próxima de 100% UR, embora a condensação às vezes danifique o sensor.
Alguns poluentes têm grande influência em sensores de resistência, enquanto outros têm grande influência em sensores de capacitância. Portanto, a seleção do sensor depende principalmente da natureza dos poluentes.
1.6
Medidor de umidade mecânico
1.6.1
Princípio e estrutura de medição
O comprimento de materiais poliméricos orgânicos, como cabelo, membrana intestinal, náilon e poliimida, varia com a umidade relativa. O higrômetro mecânico utiliza essa característica para criar um elemento sensor de umidade linear em forma de fita a partir do material mencionado, ou para revestir o material elástico enrolando-o em um elemento sensor de umidade em forma de fio solto. Em seguida, por meio de um dispositivo de amplificação mecânica, a variação geométrica causada pela mudança de umidade é indicada por um ponteiro ou registrada por uma caneta, indicando diretamente a umidade relativa. A invenção é adequada para medir a temperatura e a umidade em ambientes internos, como laboratórios, salas de informática, armazéns e fábricas.
1.6.2
Prós e contras
Vantagens: Barato, não sensível à maioria dos poluentes, não consome energia e permite gravação permanente.
Desvantagem: deriva; se usado em um ambiente com determinada umidade por um longo período, perderá a sensibilidade; não pode ser usado abaixo de 0°C; resposta lenta; oscilações durante o transporte ou vibração podem danificar seu desempenho.
1.7
Medidor de umidade de esfera seca-úmida
1.7.1
Princípio
O higrômetro de esfera seca-úmida é composto por dois termômetros com especificações idênticas. Um deles é o termômetro de esfera seca, cuja esfera de temperatura é exposta ao gás medido para medir a temperatura ambiente, e o valor indicado é expresso por Ta (ta). O outro é o termômetro de esfera úmida, envolto por uma cobertura de gaze especialmente projetada para mantê-lo úmido. Quando o ar ao redor da esfera úmida está em estado insaturado, a umidade na cobertura de gaze evapora continuamente. Como a umidade evapora e absorve calor, a temperatura da esfera úmida diminui, e seu valor indicado é expresso por Tw (tw). A velocidade de evaporação da umidade na esfera úmida está relacionada ao teor de umidade do gás circundante. Quanto menor a umidade do gás, mais rápida é a evaporação e menor a temperatura da esfera úmida, e vice-versa. Após obter as temperaturas precisas das esferas seca e úmida, o valor da umidade é calculado por meio da equação da esfera úmida.
Devido à sua simplicidade e baixo custo, os higrômetros de esfera seca-úmida foram o tipo mais utilizado durante um período considerável no passado.
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
Prós e contras
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.
