Czujniki punktu rosy z chłodzonym lustrem

Temperatura punktu rosy (dew point temperature, Dp) to temperatura, w której ciśnienie pary wodnej w powietrzu jest równe ciśnieniu nasycenia. Stan nasycenia odpowiada maksymalnej ilości pary wodnej, jaką może przyjąć dana objętość powietrza. W temperaturze punktu rosy para wodna przechodzi ze stanu gazowego w ciekły. Wyznaczenie temperatury punktu rosy oraz znajomość aktualnej temperatury gazu pozwala w prosty sposób wyznaczyć ciśnienie nasycenia oraz aktualne ciśnienie pary wodnej. Wilgotność względna (relative humidity, RH) jest wówczas obliczana jako stosunek ciśnienia pary wodnej w wilgotnym powietrzu do ciśnienia nasyconej pary wodnej.

Zasada pomiaru

Rys. 1. Zasadnicze elementy czujnika z chłodzonym lustrem

Zasada działania czujników CMH polega na bezpośrednim pomiarze temperatury punktu rosy gazu o nieznanej zawartości pary wodnej. Temperatura Dp jest wyznaczana poprzez schładzanie metalowego lustra do momentu wystąpienia skroplenia na jego powierzchni. Zmiana temperatury lustra jest zazwyczaj realizowana poprzez zastosowanie ogniwa Peltiera. Dzięki odpowiedniemu układowi ze sprzężeniem zwrotnym temperatura lustra jest utrzymywana na takim poziomie, aby szybkość pojawiania się kondensacji była równa szybkości, z jaką rosa odparowuje z tej powierzchni. Lustro jest zazwyczaj zamknięte w komorze pomiarowej, przez którą przepływa badany gaz. Ze względu na układ optyczny, wykorzystywany do detekcji momentu pojawienia się kondensacji, komora z lustrem jest odizolowana od otoczenia i zakłócającego wpływu zewnętrznego oświetlenia. Układ optyczny składa się ze źródła światła oraz detektora. Światło odbija się od specjalnie polerowanej powierzchni lustra i jest odbierane przez detektor. W przypadku pojawienia się na lustrze kondensacji, część światła ulega rozproszeniu, co powoduje natychmiastową zmianę natężenia światła docierającego detektora. Czasem, dla zwiększenia dokładności pomiaru, stosuje się też drugi detektor światła rozproszonego. W momencie gdy układ detekcji wykryje wystąpienie roszenia, temperatura lustra jest stabilizowana. Pomiar temperatury punktu rosy jest realizowany z użyciem czujnika - na przykład cienkowarstwowego Pt100, przyklejonego do powierzchni lustra.

Forma kondensacji

Faza kondensacji na powierzchni lustra może mieć formę wody lub szronu. W zakresie temperatur od poniżej 0°C do około -20°C możliwa jest też kondensacja w formie tzw. przechłodzonej wody. Określenie rodzaju kondensacji jest kluczowe dla poprawności pomiaru, ponieważ wiąże się z zastosowaniem odpowiednich wzorów na ciśnienie pary wodnej. Jednocześnie jest to bardzo problematyczne. Dlatego w bardziej precyzyjnych rozwiązaniach wykorzystuje się dodatkowe detektory, które badają polaryzację strumienia światła odbitego. Pozwala to automatycznie i na bieżąco określać formę kondensacji. W rozwiązaniach mniej zaawansowanych technologicznie rozróżnienie musi być przeprowadzane przez osobę wykonującą pomiar. Korzysta się wówczas z mikroskopu umożliwiającego obserwację powierzchni lustra. Jest to jednak metoda dosyć niepewna i wymagająca dużej wprawy. Jeszcze inną metodą jest wymuszenie kondensacji w postaci lodu poprzez gwałtowne schłodzenie powierzchni lustra do bardzo niskiej temperatury, np. -40°C. Nie ma już wówczas możliwości powstania przechłodzonej wody. Następnie temperatura lustra jest zwiększana do docelowej wartości. W takim przypadku kondensacja na lustrze pozostaje w formie lodu i, dopóki temperatura nie przekroczy 0°C, nie jest możliwe przejście w stan przechłodzonej wody.

Zalety

Rys. 2. Podstawowy układ optyczny czujnika CMH

Zakres pracy higrometrów opartych o opisywaną zasadę pomiaru jest bardzo szeroki i obejmuje temperatury punktu rosy od -80°C do ponad 100°C. Bardzo ważną zaletą czujników wilgotności z chłodzonym lustrem jest także to, że nie zanieczyszczają one badanego gazu. Analizowana próbka ma kontakt z elementami wykonanymi z materiałów chemicznie obojętnych, w tym głównie ze szklanymi lub kwarcowymi soczewkami, teflonowym pierścieniem uszczelniającym, obudową ze stali nierdzewnej oraz metalową powierzchnią, na której zachodzi kondensacja. Lustro jest zazwyczaj wykonywane z takich materiałów jak złoto, chromowane srebro lub miedź oraz azotek tytanu. W przypadku, gdy przeznaczeniem czujnika jest praca w trudnych warunkach przemysłowych, powierzchnie kondensacyjną stanowi miedź lub srebro, pokryte cienką, polerowaną warstwą stali nierdzewnej.

Dużym plusem większości konstrukcji czujników z chłodzonym lustrem jest możliwość ręcznego czyszczenia jego powierzchni. Jest ona zazwyczaj dostępna po odkręceniu zaślepki izolującej układ optyczny od światła zewnętrznego. Zapewnia to odpowiednią konserwację czujnika oraz pozwala na kontrolę dokładności pomiaru, na którą niekorzystnie mogą wpływać nierozpuszczalne zanieczyszczenia gromadzące się na powierzchni lustra w trakcie dłuższej pracy. Problemem może być także woda, która zbiera się na powierzchni lustra w trakcie normalnej pracy, na przykład w przypadku gwałtownego wzrostu wilgotności. W takim wypadku, w większości konstrukcji czujników tego typu, istnieje możliwość uruchomienia specjalnej funkcji, której zadaniem jest gwałtowne podgrzanie powierzchni. Wzrost temperatury powoduje odparowanie nadmiaru wody, po czym następuje stabilizacja temperatury lustra i powrót do normalnego trybu pomiaru.

Zastosowanie

Rys. 3. Większość konstrukcji czujników CMH umożliwia bezpośredni dostęp do lustra, co ułatwia konserwację

Czujniki z chłodzonym lustrem, ze względu na wysoką dokładność pomiaru, znajdują zastosowanie w laboratoriach jako przyrządy wzorcowe. Innym zastosowaniem jest na przykład monitorowanie procesu pakowania, w przypadku produktów wrażliwych na wysoką wilgotność, takich jak np. leki.

Chemicznie obojętne materiały wykorzystywane w konstrukcji tych czujników sprawiają, że mogą one być długo używane w bardzo zanieczyszczonych środowiskach, bez utraty czułości. Jest to zaletą w przypadku pomiarów gazów, które są silnie zanieczyszczone. W takim przypadku, pomiar wilgotności z użyciem mniej odpornego higrometru mógłby spowodować nawet uszkodzenie czujnika. Czujniki CMH są powszechnie stosowane w kontroli atmosfery, w przypadku procesów technologicznych polegających na obróbce cieplnej metali.

CMH są często wybierane jako sensory do pomiarów wysokich temperatur punktu rosy. W takim przypadku ważne jest, aby wszystkie powierzchnie, które mają kontakt z badanym gazem, a w tym także przewody doprowadzające gaz do komory pomiarowej, miały temperaturę wyższą niż spodziewany punkt rosy. W przeciwnym razie wystąpi na nich niepożądana kondensacja, która spowoduje błędy pomiaru. W związku z tym w czujnikach przeznaczonych do pracy w opisywanych warunkach stosuje się szczelne osłony podgrzewające. Ich zadaniem jest utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury wszystkich zasadniczych części czujnika. Należy przy tym pamiętać o elementach półprzewodnikowych wchodzących w skład układu optycznego czujnika. Mogą one działać jedynie w odpowiedniej temperaturze, która nie przekracza nominalnej temperatury pracy, czyli zazwyczaj 85°C, a to wymusza konieczność ich termicznej izolacji.

Ograniczenia

Istnieją jednak aplikacje, w których czujniki z chłodzonym lustrem nie mogą być zastosowane. Przykładem jest pomiar wilgotności gazów wchodzących w reakcję z wodą, która gromadzi się na powierzchni lustra. Problemy pojawiają się także w pomiarach wilgotności mieszanin gazów. Błędne wyniki występują w przypadku, gdy temperatura, w której dany składnik mieszaniny ulega skropleniu jest wyższa od temperatury punktu rosy pary wodnej. Sytuacja taka ma miejsc na przykład w wypadku mieszaniny, której częścią jest metan. System detekcji CMH wskaże temperaturę skroplenia się metanu. Aby uniknąć błędnych wyników należałoby zignorować pierwszą kondensację na lustrze i w dalszym ciągu chłodzić lustro, aż do osiągnięcia punktu rosy pary wodnej. Nie jest to możliwe w standardowych rozwiązaniach czujników z automatycznym układem detekcji.

Depresja czujnika

Rys. 4. System doprowadzający próbkę do komory pomiarowej czujnika

Najniższa temperatura punktu rosy, którą można zmierzyć zależy od możliwości elementu chłodzącego lustro i radiatora, chłodzącego gorącą stronę ogniwa Peltiera. Moduły Peltiera są dostępne w różnych konfiguracjach. Ogniwa składające się z więcej niż trzech stopni zapewniają tylko minimalnie lepsze chłodzenie, przy czym częściej ulegają uszkodzeniu.

Dwustopniowe ogniwo Peltiera jest w stanie schłodzić powierzchnię lustra do temperatury niższej o 65°C od temperatury radiatora w 25°C. Oznacza to, że w temperaturze 25°C minimalna temperatura punktu rosy wynosi około -40°C. Specjalne konstrukcje radiatorów, tj. np. wykorzystanie radiatorów żeberkowych z wymuszonym chłodzeniem powietrzem, pozwalają na utrzymanie temperatury radiatora na poziomie temperatury otoczenia, tym samym zapewniając maksymalne schłodzenie lustra. Innym rozwiązaniem jest stosowanie pomocniczych układów chłodzących z udziałem wody lub glikolu, które dodatkowo odbierają ciepło z gorącej strony ogniwa. Dodatkowe chłodzenie sprawia jednak, że czujniki CMH stają się droższe oraz mniej wygodne w użytkowaniu. Dlatego w przypadku gazów o bardzo niskiej wilgotności, zwłaszcza jeżeli nie są one zbytnio zanieczyszczone, lepiej jest skorzystać z innej metody pomiarowej.

Inne problemy

Zapewnienie odpowiedniej szybkości przepływu próbki nad powierzchnią lustra jest kolejnym ważnym zagadnieniem. Mimo, że szybkość ta nie wpływa bezpośrednio na dokładność pomiarów w tym typie czujników, to zbyt wolny przepływ w znaczący sposób wydłuży czas reakcji. Z kolei strumień gazu przepływający zbyt szybko może spowodować nadmiernie obciążenie cieplne lustra. Powoduje to zmniejszenie możliwości chłodzenia, co wpływa niekorzystnie na możliwość pomiaru niskich temperatur punktu rosy. Jest to szczególnym problemem, jeżeli mierzona jest wilgotność w gazach charakteryzujących się wysoką przewodnością cieplną. Przykładem takich mediów może być hel i wodór.

Kłopotliwe bywa również doprowadzenie gazu do czujnika. Najlepszym rozwiązaniem jest zestawienie takiego układu pomiarowego, aby można było umieścić wlot komory pomiarowej czujnika na drodze przepływu badanego gazu. Nie zawsze jest to możliwe. Wówczas koniecznością staje się budowa systemu pobierającego próbki gazu i doprowadzającego je czujnika, co znacząco zwiększa koszty tego rozwiązania. Żaden z elementów toru doprowadzającego próbkę do czujnika nie może też być zbudowany z materiałów, które wykazują właściwości higroskopijne. Jeżeli spodziewana temperatura punktu rosy jest bliska temperaturze otoczenia, w którym znajdują się przewody doprowadzające próbkę gazu należy zapewnić ich dodatkowe ogrzewanie. W przeciwnym razie należy liczyć się z pojawieniem się kondensacji, która jest przyczyną poważnych błędów.

Monika Jaworowska