Um instrumento amplamente utilizado para medir a umidade do ar (e outros gases) é um higrômetro de condensação. Seu princípio de funcionamento é medir a temperatura, chamada de ponto de orvalho, na qual se inicia a condensação da umidade do ar.
O que é umidade do ar
Um higrômetro mede o teor de umidade do ar, que pode ser representado como um valor absoluto ou relativo. O primeiro deles dá simplesmente a massa de vapor de água em 1 metro cúbico. m de ar a uma dada temperatura. Mas a segunda mostra o quão próximo o vapor d'água no ar está de um estado de saturação, ou seja, de equilíbrio dinâmico com sua fase líquida - quando não há evaporação nem condensação. É igual à razão entre a umidade absoluta medida do ar e sua umidade absoluta no estado de saturação. Quando o vapor de água no ar está saturado (novamente, a uma determinada temperatura), a umidade relativa desse ar é de 100%. No ar com vapor de água insaturado, é, portanto, menor.
Como funciona um higrômetro de condensação
O princípio de funcionamento de qualquer dispositivo para determinar a umidade do ar, via de regra, é medir alguma outra quantidade, como temperatura, pressão, massa ou mudanças mecânicas e elétricas em uma substância que absorve umidade. Por calibração e cálculo apropriados, esses valores medidos podem levar à determinação da umidade absoluta ou relativa. Um papel muito importante neste processo é desempenhado pela temperatura na qual ocorre a saturação do vapor, chamada de ponto de orvalho. Via de regra, dispositivos eletrônicos modernos para determinar a umidade do ar medem essa temperatura ou mudanças na capacitância elétrica ou resistência de várias substâncias absorventes, que são então convertidas (automaticamente) em indicadores de umidade.
Dispositivo higrômetro de condensação
Seu trabalho baseia-se precisamente na medição do vapor de água no ar pelo método do ponto de orvalho. Este método envolve o resfriamento de uma superfície, normalmente um espelho de metal, a uma temperatura na qual a água na superfície do espelho está em equilíbrio com a pressão de vapor da água no gás de amostra acima da superfície. A esta temperatura, a massa de água na superfície do espelho não aumenta (se a superfície estiver muito fria) nem diminui (se a superfície estiver muito quente), ou seja, o vapor acima do espelho está em equilíbrio dinâmico com o condensado de água na superfície. o espelho (o vapor está saturado).
Este espelho é feito de um material com boa condutividade térmica (como prata ou cobre) erevestido com um metal inerte, como irídio, rubídio, níquel ou ouro para evitar manchas e oxidação. O espelho é resfriado por um resfriador termoelétrico (efeito Peltier) até a formação de condensado. Um feixe de luz, geralmente de um diodo emissor de luz de banda larga em estado sólido, é direcionado para a superfície de um espelho e um fotodetector monitora a luz refletida, cujo fluxo é máximo quando não há condensação no espelho.
Método de operação do higrômetro do espelho infantil
Quando gotas de orvalho se formam na superfície do espelho, a luz refletida é espalhada. Nesse caso, seu fluxo que entra no fotodetector diminui, o que leva a uma alteração no sinal de saída deste último. Este, por sua vez, é controlado por um sistema de controle de resfriador termoelétrico analógico ou digital que mantém uma temperatura de espelho estável no ponto de orvalho. Com um sistema adequadamente projetado, o espelho é mantido a uma temperatura onde a taxa de condensação é exatamente igual à taxa de evaporação da camada de orvalho. Um termômetro de resistência de platina em miniatura (PRT) montado no espelho mede sua temperatura naquele ponto, que é automaticamente convertido em uma leitura de umidade.
O higrômetro para medir a umidade do ar do projeto considerado também inclui uma bomba de vácuo para bombear a porção analisada do gás e elementos de filtragem adicionais em condições de sujeira.
Vantagens dos higrômetros considerados
Tais instrumentos, baseados em um princípio simples de operação, com ampla faixa de medição, alta precisão e leituras estáveis, são amplamente utilizados na indústria e na pesquisa científica. Um higrômetro de ponto de orvalho típico, ao contrário de muitos outros sensores de umidade, pode se tornar muito estável, praticamente resistente ao desgaste, minimizando a necessidade de recalibração. O higrômetro de umidade do ponto de orvalho é capaz de medir o ponto de orvalho na faixa de temperatura de 100 °C a um mínimo de -70 °C. Nesse caso, a precisão da medição é de décimos de grau.
Muitos higrômetros do projeto considerado são equipados com controle por microprocessador e, em combinação com um sensor resistivo de temperatura, são capazes de calcular e exibir em um indicador externo quaisquer parâmetros de umidade desejados além ou em vez do ponto de orvalho. Além disso, esses dispositivos permitem a transferência de resultados usando tecnologia sem fio. Naturalmente, tais dispositivos são amplamente utilizados como parte de vários sistemas industriais para coleta automatizada de dados e controle de processos técnicos relevantes.
Quanto custaria um higrômetro desse? Seu preço, é claro, é determinado principalmente pelo conjunto de funções implementadas, dependendo da disponibilidade e complexidade do sistema de controle eletrônico do dispositivo. Assim, um higrômetro de condensação estacionário que se parece com um osciloscópio digital custa pelo menos US$ 4.000. Modelos particularmente "avançados" podem custar mais de US$ 10.000. No mercadoVocê também pode encontrar um higrômetro portátil totalmente funcional. Seu preço é de 1 a 2 mil dólares.
Desvantagens dos higrômetros de condensação
Enquanto o sistema de higrômetros considerado é considerado o mais eficiente no processo de medição, sua desvantagem é a contaminação inevitável das partes do caminho de medição durante a operação.
Higrômetros equipados com espelhos resfriados tendem a aumentar as imprecisões de medição devido à presença de contaminantes solúveis e insolúveis depositados no espelho. Partículas insolúveis afetam as características ópticas do espelho. O empoeiramento moderado ou o aparecimento de partículas insolúveis no espelho fornecem centros de concentração nos quais o orvalho ou o gelo podem se formar, aumentando assim o tempo de resposta do dispositivo. As impurezas solúveis afetam a quantidade de pressão de vapor da umidade condensada no espelho, o que altera o ponto de orvalho. Higrômetros de medição modernos (pelo menos seus modelos mais sofisticados) incluem recursos de "autoteste" que permitem que o dispositivo detecte e responda à contaminação fazendo os ajustes apropriados nos algoritmos de cálculo de umidade.
Independentemente dessas capacidades, praticamente todos os higrômetros em questão precisam ser verificados e limpos periodicamente.
Manutenção de Higrômetros de Espelho Resfriado
O que o manual de instruções recomenda ao usuário do aparelho neste sentido. Um higrômetro sensível à sujeira deve serser limpos periodicamente para garantir a estabilidade dos resultados da medição, embora isso possa aumentar o custo de sua manutenção. A inspeção do espelho do instrumento geralmente é realizada com o microscópio embutido, e sua manutenção é realizada manualmente após a abertura do compartimento de medição.
Se a limpeza da superfície do espelho for realizada na frequência exigida nas instruções de operação, desta forma é possível manter a precisão das medições. O acesso conveniente à superfície do espelho para limpeza é geralmente fornecido por uma dobradiça entre os componentes ópticos e o espelho. Agora você pode encontrar no mercado qualquer higrômetro de condensação que o consumidor precise. A foto abaixo mostra um exemplo de sua execução.
Uso de higrômetros em metrologia
Um higrômetro de espelho resfriado adequadamente projetado e mantido fornece medições de umidade com ordens de magnitude maior precisão do que outros medidores de umidade populares. Sua precisão de medição inerente, especialmente quando equipado com um termômetro de resistência de platina para medição de temperatura, um espelho e um microscópio de média potência para monitoramento de espelho, o torna ideal para medições metrológicas. As possibilidades de transmissão de informações via canais de comunicação digital sem fio abrem amplas possibilidades de uso desses higrômetros em sistemas globais de coleta e processamento de informações meteorológicas.
Uso em laboratórios de fábrica e ambientes contaminados
Este medidor de umidade do ar é ideal para medir seu valor absoluto em laboratórios climáticos de fábrica. Eles são frequentemente usados como referências para controlar a precisão de outros instrumentos, como sensores de umidade relativa usados para controlar câmaras de teste ambientais.
A estabilidade dos materiais utilizados na construção desses higrômetros, bem como a capacidade de limpá-los repetidamente, tornam os instrumentos adequados para uma vida útil muito longa em ambientes com a maioria dos contaminantes sem perda de calibração. Essa estabilidade de desempenho os torna adequados para uso em fluxos de gás onde altos níveis de contaminantes em amostras de gás são irreversivelmente prejudiciais a tipos menos estáveis de sensores de umidade. Por exemplo, este tipo de higrômetro é amplamente utilizado para controlar o ponto de orvalho durante o endurecimento térmico das superfícies de produtos metálicos em um ambiente de ar com impurezas especiais. Nesses casos, fornecer acesso fácil ao espelho para limpeza é especialmente desejável.
Produção sensível à umidade
Os processos de embalagem especializados necessários na produção de produtos farmacêuticos, filmes, revestimentos e outros produtos são frequentemente monitorados por higrômetros de espelho resfriado. Novamente, sua escolha neste caso é influenciada pela estabilidade da precisão da medição e longa vida útil. Além disso, como esses processos tendem a ser menos sensíveis acustos do instrumento, o alto custo desses higrômetros não é um fator determinante na escolha de um esquema de monitoramento de umidade.
Gases de alta temperatura e seus pontos de orvalho
Este tipo de higrômetro é frequentemente escolhido para medir temperaturas de ponto de orvalho acima da temperatura ambiente. Instrumentos de espelho refrigerado foram usados já em 1966 para monitorar as células de combustível de hidrogênio do foguete Apollo operando a 250°C e 700 psi. Com as tecnologias atuais de resfriamento de espelhos termoelétricos, pontos de orvalho de até 100 °C (e superiores, assumindo pressões acima da pressão atmosférica) são facilmente medidos. Nesses casos, todas as superfícies da câmara de medição do higrômetro que estiverem em contato com a amostra de gás devem ter uma temperatura acima do ponto de orvalho mais alto esperado, caso contrário ocorrerá condensação nessas superfícies e a medição será errônea.
Em higrômetros projetados para medir o ponto de orvalho de gases de alta temperatura, é prática comum usar aquecedores elétricos controlados por termostato para manter as paredes da câmara de medição acima dos pontos de orvalho mais altos esperados. Componentes ópticos de estado sólido, como LEDs e detectores, são mantidos em sua temperatura nominal de operação (normalmente 85°C) para evitar degradação e danos ao higrômetro. Isso pode ser obtido isolando termicamente esses componentes da câmara de medição aquecida.
