Uno strumento ampiamente utilizzato per misurare l'umidità dell'aria (e di altri gas) è un igrometro a condensazione. Il suo principio di funzionamento è misurare la temperatura, chiamata punto di rugiada, alla quale inizia la condensazione dell'umidità dall'aria.
Cos'è l'umidità dell'aria
Un igrometro misura il contenuto di umidità dell'aria, che può essere rappresentato come valore assoluto o relativo. Il primo fornisce semplicemente la massa di vapore acqueo in 1 metro cubo. m di aria a una data temperatura. Ma il secondo mostra quanto il vapore acqueo nell'aria sia vicino ad uno stato di saturazione, cioè all'equilibrio dinamico con la sua fase liquida - quando non c'è né evaporazione né condensazione. È uguale al rapporto tra l'umidità assoluta misurata dell'aria e la sua umidità assoluta nello stato di saturazione. Quando il vapore acqueo nell'aria è saturo (di nuovo, a una data temperatura), l'umidità relativa di quell'aria è del 100%. In aria con vapore acqueo insaturo, è, di conseguenza, inferiore.
Come funziona un igrometro a condensazione
Il principio di funzionamento di qualsiasi dispositivo per determinare l'umidità dell'aria, di regola, è misurare qualche altra quantità, come temperatura, pressione, massa o cambiamenti meccanici ed elettrici in una sostanza che assorbe l'umidità. Con una calibrazione e un calcolo appropriati, questi valori misurati possono portare alla determinazione dell'umidità assoluta o relativa. Un ruolo molto importante in questo processo è svolto dalla temperatura alla quale si verifica la saturazione del vapore, chiamata punto di rugiada. Di norma, i moderni dispositivi elettronici per la determinazione dell'umidità dell'aria misurano questa temperatura o le variazioni della capacità elettrica o della resistenza di varie sostanze assorbenti, che vengono poi convertite (automaticamente) in indicatori di umidità.
Dispositivo igrometro a condensazione
Il suo lavoro si basa proprio sulla misurazione del vapore acqueo nell'aria mediante il metodo del punto di rugiada. Questo metodo prevede il raffreddamento di una superficie, tipicamente uno specchio metallico, a una temperatura alla quale l'acqua sulla superficie dello specchio è in equilibrio con la pressione di vapore dell'acqua nel gas campione sopra la superficie. A questa temperatura la massa d'acqua sulla superficie dello specchio non aumenta (se la superficie è troppo fredda) né diminuisce (se la superficie è troppo calda), ovvero il vapore sopra lo specchio è in equilibrio dinamico con l'acqua di condensa lo specchio (il vapore è saturo).
Questo specchio è fatto di un materiale con una buona conduttività termica (come argento o rame) eplaccato con un metallo inerte come iridio, rubidio, nichel o oro per prevenire l'appannamento e l'ossidazione. Lo specchio viene raffreddato da un refrigeratore termoelettrico (effetto Peltier) fino alla formazione della condensa. Un raggio di luce, solitamente proveniente da un diodo a emissione di luce a banda larga allo stato solido, è diretto verso la superficie dello specchio e un fotorilevatore monitora la luce riflessa, il cui flusso è massimo quando non c'è condensa sullo specchio.
Metodo di funzionamento dell'igrometro a specchio per bambini
Quando si formano gocce di rugiada sulla superficie dello specchio, la luce riflessa viene dispersa. In questo caso, il suo flusso che entra nel fotorilevatore diminuisce, il che porta a una variazione del segnale di uscita di quest'ultimo. Questo, a sua volta, è controllato da un sistema di controllo del dispositivo di raffreddamento termoelettrico analogico o digitale che mantiene una temperatura dello specchio stabile al punto di rugiada. Con un sistema opportunamente progettato, lo specchio viene mantenuto ad una temperatura in cui la velocità di condensazione è esattamente uguale alla velocità di evaporazione dello strato di rugiada. Un accurato termometro a resistenza al platino (PRT) in miniatura montato nello specchio misura la sua temperatura in quel punto, che viene automaticamente convertita in una lettura dell'umidità.
L'igrometro per la misurazione dell'umidità dell'aria del modello considerato include anche una pompa a vuoto per pompare nella porzione analizzata di gas e ulteriori elementi di filtrazione in condizioni sporche.
Vantaggi degli igrometri considerati
Tali strumenti, basati su un semplice principio di funzionamento, con un ampio intervallo di misurazione, elevata precisione e letture stabili, sono ampiamente utilizzati nell'industria e nella ricerca scientifica. Un tipico igrometro del punto di rugiada, a differenza di molti altri sensori di umidità, può essere reso molto stabile, praticamente resistente all'usura, riducendo al minimo la necessità di ricalibrazione. L'igrometro dell'umidità del punto di rugiada è in grado di misurare il punto di rugiada nell'intervallo di temperatura da 100 °C a un minimo di -70 °C. In questo caso, la precisione della misurazione è di decimi di grado.
Molti igrometri del modello considerato sono dotati di controllo a microprocessore e, in combinazione con un sensore di temperatura resistivo, sono in grado di calcolare e visualizzare su un indicatore esterno eventuali parametri di umidità desiderati in aggiunta o in sostituzione del punto di rugiada. Inoltre, questi dispositivi consentono il trasferimento dei risultati utilizzando la tecnologia wireless. Naturalmente, tali dispositivi sono ampiamente utilizzati come parte di vari sistemi industriali per la raccolta automatizzata dei dati e il controllo dei processi tecnici rilevanti.
Quanto costerebbe un igrometro come questo? Il suo prezzo, ovviamente, è determinato principalmente dall'insieme delle funzioni implementate, a seconda della disponibilità e della complessità del sistema di controllo elettronico del dispositivo. Quindi, un igrometro a condensazione stazionario che assomiglia a un oscilloscopio digitale costa almeno $ 4.000. I modelli particolarmente "avanzati" possono costare più di $ 10.000. Sul mercatoPuoi anche trovare un igrometro portatile completamente funzionante. Il suo prezzo va da 1 a 2 mila dollari.
Svantaggi degli igrometri a condensazione
Sebbene il sistema di igrometri considerato sia considerato il più efficiente nel processo di misurazione, il suo svantaggio è l'inevitabile contaminazione delle parti del percorso di misurazione durante il funzionamento.
Gli igrometri dotati di specchi refrigerati tendono ad aumentare le imprecisioni di misura dovute alla presenza di contaminanti solubili e insolubili depositati sullo specchio. Le particelle insolubili influenzano le caratteristiche ottiche dello specchio. Una moderata polverosità o la comparsa di particelle insolubili sullo specchio fornisce centri di concentrazione su cui può formarsi rugiada o brina, aumentando così il tempo di risposta del dispositivo. Le impurità solubili influenzano la quantità di pressione di vapore dall'umidità condensata sullo specchio, che sposta il punto di rugiada. I moderni igrometri di misura (almeno i loro modelli più sofisticati) includono funzionalità di "autotest" che consentono al dispositivo di rilevare e rispondere alla contaminazione apportando le opportune modifiche agli algoritmi di calcolo dell'umidità.
Indipendentemente da queste capacità, praticamente tutti gli igrometri in questione devono essere controllati e puliti periodicamente.
Manutenzione degli igrometri a specchio freddo
Cosa consiglia in tal senso il manuale di istruzioni all'utente del dispositivo. Deve esserlo un igrometro sensibile allo sporcoessere pulito periodicamente per garantire la stabilità dei risultati della misurazione, sebbene ciò possa aumentare il costo della sua manutenzione. L'ispezione dello specchio dello strumento viene solitamente eseguita utilizzando il microscopio incorporato e la sua manutenzione viene eseguita manualmente dopo l'apertura del vano di misurazione.
Se la pulizia della superficie dello specchio viene eseguita alla frequenza richiesta nelle istruzioni per il suo funzionamento, in questo modo è possibile mantenere l'accuratezza delle misurazioni. Un comodo accesso alla superficie dello specchio per la pulizia è solitamente fornito da una cerniera tra i componenti ottici e lo specchio. Ora puoi trovare qualsiasi igrometro a condensazione di cui il consumatore ha bisogno sul mercato. La foto sotto mostra un esempio della sua esecuzione.
Uso degli igrometri in metrologia
Un igrometro a specchio freddo adeguatamente progettato e mantenuto fornisce misurazioni dell'umidità con una precisione di ordini di grandezza maggiore rispetto ad altri comuni misuratori di umidità. La sua intrinseca accuratezza di misura, soprattutto quando è dotato di una termoresistenza al platino per la misurazione della temperatura, di uno specchio e di un microscopio di media potenza per il monitoraggio dello specchio, lo rende ideale per le misurazioni metrologiche. Le possibilità di trasmettere informazioni tramite canali di comunicazione digitale wireless aprono ampie possibilità per l'utilizzo di tali igrometri nei sistemi globali per la raccolta e l'elaborazione di informazioni meteorologiche.
Utilizzo in laboratori di fabbrica e ambienti contaminati
Questo misuratore di umidità dell'aria è ideale per misurare il suo valore assoluto nei laboratori di climatizzazione di fabbrica. Sono spesso usati come riferimenti per controllare la precisione di altri strumenti, come i sensori di umidità relativa utilizzati per controllare le camere di test ambientali.
La stabilità dei materiali utilizzati nella costruzione di questi igrometri, nonché la capacità di pulirli ripetutamente, rendono gli strumenti adatti a una vita utile molto lunga in ambienti con la maggior parte dei contaminanti senza perdita di calibrazione. Questa stabilità delle prestazioni li rende adatti all'uso in flussi di gas in cui livelli elevati di contaminanti nei campioni di gas sono irreversibilmente dannosi per tipi meno stabili di sensori di umidità. Ad esempio, questo tipo di igrometro è ampiamente utilizzato per controllare il punto di rugiada durante l'indurimento a caldo delle superfici dei prodotti metallici in un ambiente ad aria con impurità speciali. In questi casi, è particolarmente auspicabile fornire un facile accesso allo specchio per la pulizia.
Produzione sensibile all'umidità
I processi di confezionamento specializzati richiesti nella produzione di prodotti farmaceutici, film, rivestimenti e altri prodotti sono spesso monitorati da igrometri a specchio refrigerato. Anche in questo caso, la loro scelta è influenzata dalla stabilità dell'accuratezza della misurazione e dalla lunga durata. Inoltre, poiché questi processi tendono ad essere meno sensibili acosti degli strumenti, l' alto costo di questi igrometri non è un fattore determinante nella scelta di uno schema di monitoraggio dell'umidità.
Gas ad alta temperatura e relativi punti di rugiada
Questo tipo di igrometro viene spesso scelto per misurare le temperature del punto di rugiada al di sopra della temperatura ambiente. Gli strumenti a specchio raffreddato sono stati utilizzati già nel 1966 per monitorare le celle a combustibile a idrogeno del razzo Apollo funzionanti a 250 ° C e 700 psi. Con le odierne tecnologie di raffreddamento degli specchi termoelettrici, è possibile misurare facilmente punti di rugiada fino a 100 °C (e superiori, supponendo pressioni superiori alla pressione atmosferica). In questi casi, tutte le superfici della camera di misurazione dell'igrometro a contatto con il campione di gas devono avere una temperatura superiore al punto di rugiada più alto previsto, altrimenti si formerà condensa su queste superfici e la misurazione sarà errata.
Negli igrometri progettati per misurare il punto di rugiada di gas ad alta temperatura, è pratica comune utilizzare riscaldatori elettrici controllati termostaticamente per mantenere le pareti della camera di misura al di sopra del punto di rugiada più alto previsto. I componenti ottici a stato solido come LED e rivelatori vengono mantenuti alla loro temperatura operativa nominale (tipicamente 85°C) per prevenire il degrado e il danneggiamento dell'igrometro. Ciò può essere ottenuto isolando termicamente questi componenti dalla camera di misurazione riscaldata.
