Un instrument molt utilitzat per mesurar la humitat de l'aire (i altres gasos) és un higròmetre de condensació. El seu principi de funcionament és mesurar la temperatura, anomenada punt de rosada, a la qual comença la condensació de la humitat de l'aire.
Què és la humitat de l'aire
Un higròmetre mesura el contingut d'humitat de l'aire, que es pot representar com un valor absolut o relatiu. El primer d'ells dóna simplement la massa de vapor d'aigua en 1 metre cúbic. m d'aire a una temperatura determinada. Però el segon mostra fins a quin punt el vapor d'aigua de l'aire està a prop d'un estat de saturació, és a dir, de l'equilibri dinàmic amb la seva fase líquida, quan no hi ha ni evaporació ni condensació. És igual a la relació entre la humitat absoluta mesurada de l'aire i la seva humitat absoluta en estat de saturació. Quan el vapor d'aigua de l'aire està saturat (de nou, a una temperatura determinada), la humitat relativa d'aquest aire és del 100%. En l'aire amb vapor d'aigua insaturat, és, en conseqüència, menor.
Com funciona un higròmetre de condensació
El principi de funcionament de qualsevol dispositiu per determinar la humitat de l'aire, per regla general, és mesurar alguna altra quantitat, com ara la temperatura, la pressió, la massa o els canvis mecànics i elèctrics d'una substància que absorbeix la humitat.. Mitjançant un calibratge i un càlcul adequats, aquests valors mesurats poden conduir a la determinació de la humitat absoluta o relativa. Un paper molt important en aquest procés el juga la temperatura a la qual es produeix la saturació de vapor, anomenada punt de rosada. Per regla general, els dispositius electrònics moderns per determinar la humitat de l'aire mesuren aquesta temperatura o els canvis en la capacitat elèctrica o la resistència de diverses substàncies absorbents, que després es converteixen (automàticament) en indicadors d'humitat.
Dispositiu higròmetre de condensació
El seu treball es basa precisament en la mesura del vapor d'aigua a l'aire pel mètode del punt de rosada. Aquest mètode consisteix a refredar una superfície, normalment un mirall metàl·lic, a una temperatura a la qual l'aigua de la superfície del mirall estigui en equilibri amb la pressió de vapor de l'aigua del gas de mostra per sobre de la superfície. A aquesta temperatura, la massa d'aigua a la superfície del mirall no augmenta (si la superfície és massa freda) ni disminueix (si la superfície és massa calenta), és a dir, el vapor que hi ha sobre el mirall està en equilibri dinàmic amb el condensat d'aigua que hi ha a la superfície. el mirall (el vapor està saturat).
Aquest mirall està fet d'un material amb bona conductivitat tèrmica (com la plata o el coure) ixapat amb un metall inert com l'iridi, el rubidi, el níquel o l'or per evitar l'enfosquiment i l'oxidació. El mirall es refreda mitjançant un refrigerador termoelèctric (efecte Peltier) fins a la formació de condensat. Un feix de llum, generalment d'un díode emissor de llum de banda ampla d'estat sòlid, es dirigeix a la superfície d'un mirall i un fotodetector controla la llum reflectida, el flux de la qual és màxim quan no hi ha condensació al mirall..
Mètode de funcionament de l'higròmetre mirall infantil
Quan es formen gotes de rosada a la superfície del mirall, la llum reflectida es dispersa. En aquest cas, el seu flux que entra al fotodetector disminueix, la qual cosa comporta un canvi en el senyal de sortida d'aquest últim. Això, al seu torn, es controla mitjançant un sistema de control del refrigerador termoelèctric analògic o digital que manté una temperatura estable del mirall al punt de rosada. Amb un sistema dissenyat correctament, el mirall es manté a una temperatura on la velocitat de condensació és exactament igual a la velocitat d'evaporació de la capa de rosada. Un termòmetre de resistència de platí (PRT) en miniatura precís muntat al mirall mesura la seva temperatura en aquest punt, que es converteix automàticament en una lectura d'humitat.
L'higròmetre per mesurar la humitat de l'aire del disseny considerat també inclou una bomba de buit per bombar la part analitzada de gas i elements de filtració addicionals en condicions brutes.
Avantatges dels higròmetres considerats
Aquests instruments, basats en un principi de funcionament senzill, amb un ampli rang de mesura, alta precisió i lectures estables, s'utilitzen àmpliament en la indústria i la investigació científica. Un higròmetre típic de punt de rosada, a diferència de molts altres sensors d'humitat, es pot fer molt estable, pràcticament resistent al desgast, minimitzant la necessitat de recalibrar. L'higròmetre d'humitat del punt de rosada és capaç de mesurar el punt de rosada en el rang de temperatures des de 100 °C fins a un mínim de -70 °C. En aquest cas, la precisió de la mesura és de dècimes de grau.
Molts higròmetres del disseny considerat estan equipats amb control de microprocessador i, en combinació amb un sensor de temperatura resistiu, són capaços de calcular i mostrar en un indicador extern qualsevol paràmetre d'humitat desitjat a més o en lloc del punt de rosada. A més, aquests dispositius permeten la transferència de resultats mitjançant tecnologia sense fil. Naturalment, aquests dispositius s'utilitzen àmpliament com a part de diversos sistemes industrials per a la recollida automatitzada de dades i el control dels processos tècnics rellevants.
Quant costaria un higròmetre com aquest? El seu preu, per descomptat, ve determinat principalment pel conjunt de funcions implementades, depenent de la disponibilitat i complexitat del sistema de control electrònic del dispositiu. Per tant, un higròmetre de condensació estacionari que sembla un oscil·loscopi digital costa almenys 4.000 dòlars. Els models especialment "avançats" poden costar més de 10.000 dòlars. Al mercatTambé podeu trobar un higròmetre portàtil totalment funcional. El seu preu és d'1 a 2 mil dòlars.
Inconvenients dels higròmetres de condensació
Si bé el sistema considerat d'higròmetres es considera el més eficient en el procés de mesura, el seu inconvenient és la contaminació inevitable de les parts del camí de mesura durant el funcionament.
Els higròmetres equipats amb miralls refrigerats tendeixen a augmentar les imprecisions de mesura a causa de la presència de contaminants solubles i insolubles dipositats al mirall. Les partícules insolubles afecten les característiques òptiques del mirall. La pols moderada o l'aparició de partícules insolubles al mirall proporciona centres de concentració en els quals es pot formar rosada o gelades, augmentant així el temps de resposta del dispositiu. Les impureses solubles afecten la quantitat de pressió de vapor de la humitat condensada del mirall, que canvia el punt de rosada. Els higròmetres de mesura moderns (almenys els seus models més sofisticats) inclouen funcions d'"autoprova" que permeten al dispositiu detectar i respondre a la contaminació fent els ajustos adequats als algorismes de càlcul d'humitat.
Independentment d'aquestes capacitats, pràcticament tots els higròmetres en qüestió s'han de revisar i netejar periòdicament.
Manteniment dels higròmetres de miralls refrigerats
Què recomana el manual d'instruccions a l'usuari del dispositiu en aquest sentit. Un higròmetre que sigui sensible a la brutícia n'ha de sernetejar-se periòdicament per garantir l'estabilitat dels resultats de mesura, encara que això pot augmentar el cost del seu manteniment. La inspecció del mirall de l'instrument s'acostuma a fer mitjançant el microscopi integrat, i el seu manteniment es realitza manualment després d'obrir el compartiment de mesura.
Si la neteja de la superfície del mirall es realitza amb la freqüència requerida a les instruccions per al seu funcionament, d'aquesta manera és possible mantenir la precisió de les mesures. L'accés còmode a la superfície del mirall per a la neteja sol ser proporcionat per una frontissa entre els components òptics i el mirall. Ara podeu trobar al mercat qualsevol higròmetre de condensació que el consumidor necessiti. La foto següent mostra un exemple de la seva execució.
Ús d'higròmetres en metrologia
Un higròmetre de mirall refrigerat dissenyat i mantingut adequadament proporciona mesures d'humitat amb una precisió d'ordres de magnitud més gran que altres mesuradors d'humitat populars. La seva precisió de mesura inherent, especialment quan està equipat amb un termòmetre de resistència de platí per a la mesura de la temperatura, un mirall i un microscopi de potència mitjana per a la monitorització del mirall, el fa ideal per a mesures metrològiques. Les possibilitats de transmetre informació a través de canals de comunicació digital sense fil obren amplies possibilitats d'utilitzar aquests higròmetres en sistemes globals de recollida i processament d'informació meteorològica.
Ús en laboratoris de fàbriques i entorns contaminats
Aquest mesurador d'humitat de l'aire és ideal per mesurar el seu valor absolut als laboratoris de clima de fàbrica. Sovint s'utilitzen com a referències per controlar la precisió d' altres instruments, com els sensors d'humitat relativa que s'utilitzen per controlar les cambres de prova ambiental.
L'estabilitat dels materials utilitzats en la construcció d'aquests higròmetres, així com la capacitat de netejar-los repetidament, fan que els instruments siguin adequats per a una vida útil molt llarga en entorns amb la majoria de contaminants sense pèrdua de calibratge. Aquesta estabilitat de rendiment els fa adequats per al seu ús en corrents de gas on alts nivells de contaminants en mostres de gas són irreversiblement perjudicials per als tipus de sensors d'humitat menys estables. Per exemple, aquest tipus d'higròmetre s'utilitza àmpliament per controlar el punt de rosada durant l'enduriment per calor de les superfícies dels productes metàl·lics en un ambient d'aire amb impureses especials. En aquests casos, és especialment desitjable facilitar un accés fàcil al mirall per netejar-lo.
Producció sensible a la humitat
Els processos d'envasament especialitzats necessaris per a la producció de productes farmacèutics, pel·lícules, recobriments i altres productes sovint es controlen mitjançant higròmetres de mirall refrigerats. De nou, la seva elecció en aquest cas està influenciada per l'estabilitat de la precisió de la mesura i la llarga vida útil. A més, ja que aquests processos solen ser menys sensiblescostos dels instruments, l' alt cost d'aquests higròmetres no és un factor determinant a l'hora d'escollir un esquema de control de la humitat.
Gasos d' alta temperatura i els seus punts de rosada
Aquest tipus d'higròmetre s'escull sovint per mesurar temperatures del punt de rosada per sobre de la temperatura ambient. Els instruments de mirall refrigerats es van utilitzar ja el 1966 per controlar les piles de combustible d'hidrogen dels coets Apollo que funcionaven a 250 °C i 700 psi. Amb les tecnologies de refrigeració dels miralls termoelèctrics actuals, es mesuren fàcilment els punts de rosada de fins a 100 °C (i superiors, suposant pressions per sobre de la pressió atmosfèrica). En aquests casos, totes les superfícies de la cambra de mesura de l'higròmetre que estiguin en contacte amb la mostra de gas han de tenir una temperatura per sobre del punt de rosada esperat més alt, en cas contrari es produirà condensació en aquestes superfícies i la mesura serà errònia..
Als higròmetres dissenyats per mesurar el punt de rosada dels gasos d' alta temperatura, és una pràctica habitual utilitzar escalfadors elèctrics controlats termostàticament per mantenir les parets de la cambra de mesura per sobre dels punts de rosada més alts esperats. Els components òptics d'estat sòlid, com ara LED i detectors, es mantenen a la seva temperatura de funcionament nominal (normalment 85 °C) per evitar la degradació i danys a l'higròmetre. Això es pot aconseguir aïllant tèrmicament aquests components de la cambra de mesura escalfada.
