3.3 Czujniki wilgotności 3.3.1 Wybór czujnika wilgotności Do pomiaru wilgotności stosowane są różne metody pomiarowe: Wilgotność powietrza: Zalety Wady Czujnik pojemnościowy Czujnik może pracować przez długi czas bez przeglądów, również w temperaturze ujemnej, niezależny od ciśnienia powietrza również pod ciśnieniem Czuły na obroszenie i na agresywne media, ograniczona stabilność długoczasowa Psychrometr Higrometr Wilgotnościomierz kondensacyjny (punktu rosy) CCC*-sonda punktu rosy wg Heinze Wilgotność materiału: Sonda wilgotności materiału dielektrycznie Sonda wilgotności materiału wg zasady przewodności Brak starzenia się czujnika z wyjątkiem zanieczyszczenia knotu, duża dokładność, dokładna metoda pomiarowa, raca bezproblemowa do 100% r.h. do wszystkich mediów Prosta i tania technika pomiarowa, również w zanieczyszczonym środowisku, łatwy do oczyszczenia Duża dokładność, niezawodność i powtarzalność, duży zakres pomiarowy, niezależny od ciśnienia powietrza, również dla ujemnych temperatur Duża dokładność, niezawodność i powtarzalność, duży zakres pomiarowy Prosta i szybka metoda pomiarowa, bezawaryjny pomiar dotykowy. Możliwa praca długotrwała. Prosta i szybka metoda pomiarowa Pomiar długoczasowy ograniczony przez zasobnik wody i przeglądy knotu, w temperaturze ujemnej i niskiej wilgotności ciężki w zastosowaniu. Zależny od ciśnienia powietrza Ograniczona dokładność i ograniczony zakres pomiarowy, wolny pomiar Skomplikowana metoda pomiarowa, duże zużycie prądu, zagrożenie zanieczyszczeniem, nie nadaje się do szybkiej kontroli Nieskomplikowana metoda pomiarowa, nie nadaje się do szybkiej kontroli. Nie nadaje się do ujemnych temperatur Ograniczona dokładność Ograniczona dokładność. Wkładane sondy, pomiar tylko krótkotrwały
Informacje ogólne odnośnie pomiaru wilgotności W powietrzu atmosferycznym zawsze występuje wilgoć w postaci pary wodnej. Ilość pary wodnej może być również bardzo wysoka. Ciśnienie pary nasyconej dla określonej temperatury powietrza ponad powierzchnią wody jest maksymalnym ciśnieniem cząstkowym pary wodnej. Jest ono niezależne od temperatury, podaje się przy tym dla każdej temperatury ilość maksymalną pary wodnej, która w określonej ilości powietrza może być maksymalnie zawarta. Wilgotność powietrza podawana jest jako wilgotność bezwzględna lub wilgotność względna: Wilgotność bezwzględna określana jest również jako zawartość pary wodnej. Podaje ona ciężar pary wodnej, jaka zawarta jest w 1m 3 mieszaniny powietrza i pary wodnej. Ponieważ 1m 3 zależnie od ciśnienia i temperatury może zawierać różną masę powietrza, w wielu wypadkach prościej jest, bezwzględną wilgotność odnieść do 1kg suchego powietrza. Wielkość ta określana jest jako współczynnik mieszaniny (MH). Wilgotność względna (RH) stanowi współczynnik ciśnienia cząsteczkowego pary wodnej (VP) w określonej mieszaninie powietrza i pary wodnej do ciśnienia pary nasyconej (SVP) w określonej temperaturze powietrza (TT). Temperatura, w której występuje stan nasycenia (VP=SVP, RH=100%) nazywana jest temperaturą punktu rosy (DT). Po przekroczeniu tej temperatury para wodna spada w postaci kropel. Entalpia stanowi zawartość ciepła mieszaniny powietrz i pary wodnej. Ciśnienie pary nasyconej [mbar]: Wilgotność względna [%H]: Współczynnik mieszaniny [g/kg]: Entalpia [kj/kg] Temperatura punktu rosy [ C]: SVP = C1 EXP(C2 TT/(C3+TT)) C1=6.1078 mbar, C2=17.08085, C3=234.175 K RH = 100 VP/SVP(TT) MH = 622 VP/(SP-VP) h = 1.006 TT + 0.00186 MH TT + 2.5 MH DT = C3 LN(VP/C1)/(C2-LN(VP/C1)) VP = ciśnienie pary wodnej [mbar] SP = ciśnienie powietrza [mbar] Pomiar wilgotności za pomocą czujników ALMEMO : Przy pomiarze wilgotności za pomocą czujników ALMEMO dla urządzeń ALMEMO uaktywniane są automatycznie ważne funkcje pomiarowe. Najważniejsze wielkości związane z wilgotnością (temperatura, wilgotność względna, punkt rosy, stosunek mieszaniny, ciśnienie cząsteczkowe pary lub entalpia) można zaprogramować dla odpowiednich czujników również dla czterech kanałów. Dla psychrometru poza tym uaktywniana jest funkcja kompensacji ciśnienia powietrza. 3.3.2 Pojemnościowy czujnik wilgotności Metoda pomiaru Przy czujnikach pojemnościowych na podłoże szklane naniesiona jest warstwa polimeru czuła na wilgotność pomiędzy 2 elektrodami metalowymi. Przy wzroście wody odpowiadającej względnej wilgotności powietrza zmienia się stała dielektryczna i przez to pojemność kondensatora. Sygnał pomiarowy jest wprost proporcjonalny do wilgotności względnej i niezależny od ciśnienia otoczenia. Czujnik pomiarowy Pojemnościowy czujnik pomiarowy typu FH A6x6 pozwala na pomiar bezpośredni wilgotności względnej i temperatury. Dalej wyliczane są ciśnienie cząsteczkowe pary i punkt rosy oraz współczynnik mieszaniny: Ciśnienie cząsteczkowe pary [mbar]: VP = RH/100 SVP(TT) Kompensacja temperatury wilgotności następuje dla czujników standardowych typu FHA646-x pasywnie (zakres " orh"). Zależnie od typu i wersji urządzenia ALMEMO (począwszy od roku 2003) dostępny jest dodatkowy zakres pomiarowy "HcrH" dla czujników wilgotności ALMEMO typu FHA646-xC, dla których wilgotność aktywnie kompensowana jest w całym zakresie temperatury (z zabudowanym czujnikiem NTC). Wielkości temperatury powietrza TT, wilgotności względnej RH, temperatury punktu rosy DT i współczynnik mieszaniny MH zaprogramowane są dla okablowanych czujników na 4 kanałach. Wielkości mierzone TT i RH określone są na obu pierwszych kanałach, wielkości wyliczane VP, DT, MH oraz h mogą być określone na kanale
3. oraz 4. Jeżeli dana wielkość wyliczana została wybrana wtedy temperatura i wilgotność są mierzone ciągle aby wyświetlana wartość była cały czas aktualizowana. Wielkość mierzona Oznaczenie ALMEMO -zakresy Zakres Jednostka pomiarowe Temperatura powietrza: TT -50.00...100.00 C Ntc C Wilgotność względna: RH 0.0... 100.0 %rh orh %H Wilg. wzgl. FHA646-xC: RH 0.0... 100.0 %rh HcrH %H Wilg. wzgl. FHA646-R: RH 0.0... 100.0 %rh H rh %H Temperatura punktu rosy: DT -25.0... 100.00 C F dt C Współczynnik mieszaniny: MH 0.0... 500.0 g/kg F AH gk Ciśnienie cząsteczkowe pary: VP 0.0... 1050.0 mbar H UP mb Entalpia: h 0.0... 400.0 kj/kg H En kj Poniewa ż największe możliwie ciśnienie pary wodnej (ciśnienie pary nasycone) jest zależ ne od temperatury, równie ż wilgotno ść względna zależna jest bardzo silnie od temperatury. Wilgotno ść wzglę dna wzrasta wraz ze spadkiem temperatury i spada wraz z jej wzrostem. Przy pomiarze wilgotności względnej należy poczeka ć a ż czujnik wilgotnoś ci i mierzone medium będ ą miały t ę sam ą temperatur ę i będ ą znajdowały si ę w stanie ustalonym. Wahanie temperatury tylko o około 1 C mog ą prowadzi ć do zafałszowania wyniku pomiaru do 6%. Filtry ochronne Czujniki wilgotności osłaniane są za pomocą obudowy ochronnej przed uszkodzeniami mechanicznymi i przed kurzem i pyłem. Zależnie od zastosowania dostępne są różne typu filtrów: Typ Oznaczenie Wielkość max. Typowe zastosowanie porów temperatura ZB9600SK7 Filtr z siatki metalowej 100 µm 120 C uniwersalne, dla średniego kurzu w obudowie PC również bardzo wilgotnego ZB9600SK6 Filtr spiekany PTFE 50 µm 180 C bardzo odporny chemicznie ZB9600SK8 Filtr ze stali nierdzewnej 10 µm 180 C dla dużego obciążenia - spiekany mechanicznego, duże zanieczyszczenie, duży strumień powietrza Przeglądy i kalibracja Czujniki pojemnościowe wilgotności typu FH A6x6 są tak skonstruowane aby wymagały bardzo ograniczonego przeglądu i pracowały bezawaryjnie i pewnie. Prosimy przestrzegać następujących wskazówek: Czujniki standardowe wyposażono standardowo w filtr przeciwpyłowy. Zastosowanie w zakurzonym powietrzu filtr ulega zabrudzeniu. Dlatego filtr należy w określonym czasie wymieniać, w przeciwnym wypadku czas odpowiedzi będzie coraz większy i może dojść do zafałszowania wartości pomiarowej. UWAGA przy zdejmowaniu ochrony! Prosimy nie dotyka ć nigdy czujnika wilgotnoś ci! Przy uszkodzeniu mechanicznym czujnika wilgotności następuje utrata gwarancji.
Przy pracy czujnika przez dł ugi czas w bardzo wysokim zawilgoconym powietrzu (>90%H) i skraplaniu wody, wtedy należy liczy ć si ę z błędnym pomiarem lub przekroczeniem wartości pomiarowej. W takim wypadku należy czujnik należy pozostawić na kilka godzin w ruchomym powietrzu o możliwie małej wilgotności do osuszenia. Należy skontrolować w określonych okresach czasowych np. co 1 rok (zależnie od zastosowania) sondy pomiarowe i ewentualnie należy poddać je ponownej kalibracji. Dane techniczne: Czujnik wilgotnoś ci: pojemnościowy czujnik cienkowarstwowy Zakres pomiarowy: 5 do 98 %rh Temperatura pracy: zakres standardowy -20 do +60 C FH A646-xC: -20 do +80 C FH A646-R: -30 do +100 C Temperatura nominalna: 25 C ± 3K Maks. odchyłka liniowoś ci: ± 2 %rh (5...98%rH) dla temperatury nominalnej Maks. histereza: 1 %rh dla temperatury nominalnej Ciśnienie robocze: ciśnienie atmosferyczne FH A646-7 do 16 bar Czujnik temperatury: Dokładność: NTC Typ N (10kΩ dla 25 C) ± 0.1 K (0...70 C) Elektronika: Warunki składowania: Pobór prądu: -20 do +85 C, 0...90 %rh, nie skondensowana około 2 ma Przedłużanie kabla dla pojemnościowych czujników wilgotności Pojemnościowe czujniki wilgotności wyposażone są przy dostawie w kabel o długości 1,5 m. Zależnie od typu fabrycznie dostarczane są również dłuższe kable (dla FHA646-Ex, FHA646-AG, FHA646-5x do 30m). Typ FHA 646-R możemy dostarczać tylko z 2 m kablem wysokotemperaturowym. Przedłużenie do 4 m możliwe jest dla wszystkich typów FHA 646 za pomocą pasywnego kabla przedłużającego ZA9060VK (patrz 3.10). Przedłużenie do 100 m następuje za pomocą inteligentnego kabla ALMEMO typu ZA9060VKC (patrz 3.10). Kable te są przewidziane standardowo dla typu FHA 646-ExC (zakres "HcrH") oraz dla typu FHA 646-E1 " orh" z multiplekserem M4 C-B). Starsze czujniki FHA 646-x z zakresem " orh" można również stosować gdy we wtyczce został zaprogramowany EEPROM multiplekserana pozycji M4 C-B (za pomocą oprogramowania AMR- Control, zaprogramować punkt pomiarowy, multiplekser). Za pomocą inteligentnego kabla przedłużającego ALMEMO przesyłane są automatycznie wartości kalibracyjne wilgotności do urządzenia ALMEMO. Pozwala to w prosty sposób na wymianę i kalibrację czujnika (lokalnie z krótszym kablem).
Czujniki z kalibracją wielopunktową w urządzeniach V6 obecnie nie mogą być stosowane z inteligentnymi kablami przedłużającymi. Dokładność pomiaru wilgotności nie jest zależna od przedłużania. Dla pomiaru temperatury (z zabudowanym czujnikiem NTC) występują dodatkowe odchyłki przy przedłużaniu, które są zależne od mierzonej temperatury i długości kabla: Temperatura czujnik NTC C Rezystancja Ohm Czujnik NTC przy 5m przy 10m przy 50m przy 100m -20 97 080 0 0 0 0 0 32 650 0 0 0,01 0,02 25 10 000 0 0,01 0,03 0,06 50 3 603 0,01 0,02 0,09 0,18 70 1 752 0,02 0,04 0,21 0,42 100 678,3 0,06 0,13 0,65 1,3 Podane wartości stanowią typowe odchyłki dla kabla o przekroju żył 0,14 mm². Co odpowiada kablowi o długości 100 m typowo około 25 Ohm rezystancji pętli (= 2 żyły).