Měření vlhkosti a rosného bodu plynů a přístroje Vaisala

Měření vlhkosti a rosného bodu plynů a přístroje Vaisala

Článek stručně provádí problematikou měření veličin charakterizujících vlhkost plynů (hygrometrických) v průmyslu. Připomíná kritéria vedoucí ke správnému výběru měřicího zařízení vhodného pro daný účel, zásady správné montáže těchto zařízení a doporučení pro jejich kalibraci. Jako příklady konkrétních řešení jsou uvedeny přístroje od finské firmy Vaisala.

Základní pojmy

Článek předpokládá, že čtenář je obeznámen s definicemi základních hygrometrických veličin, jejichž výčet je pro úplnost uveden v tab. 1. Zájemci mohou nalézt úplné definice v [1] a další podrobnosti např. ve [3] a tam citované literatuře.

V dalším textu se sondou rozumí ta část zařízení (vlhkoměru), v níž je zabudován vlastní snímač. Sonda může být pevně spojena s krytem převodníku nebo k převodníku připojena pohyblivě kabelem. Převodník poskytuje výstupní signál. Kritickou částí měřicího řetězce je snímač. Firma Vaisala vyvíjí a vyrábí pro hygrometrická měření v plynech následující řady snímačů a převodníků:

• Humicap^® pro měření relativní vlhkosti (relative humidity – RH; viz obr. 1, obr. 2),

• Drycap^® pro měření nízkých hodnot teploty rosného bodu (obr. 3),

• Dewcap^® pro velmi přesné měření teploty rosného bodu (obr. 4).

Některá z dále uvedených zařízení po doplnění příslušným modulem umožňují provádět přepočet z měřených na další hygrometrické veličiny.

Obr. 1. Snímače relativní vlhkosti plynů řady Vaisala Humicap^®
Obr. 2. Převodník vlhkosti a teploty řady Vaisala Humicap ^® HMT330 Series pro náročná měření v průmyslu
Obr. 3. Snímač teploty rosného bodu řady Vaisala Drycap^®
Obr. 4. Snímač pro velmi přesné měření teploty rosného bodu řady Vaisala Dewcap^®

Požadavky na snímač

Při výběru snímače jsou rozhodující zejména tyto jeho vlastnosti:

• měřicí rozsah: většina snímačů relativní vlhkosti značky Vaisala pracuje v rámci celého rozsahu od 0 do 100 % RH, snímač se proto volí podle typu úlohy a pracovní teploty, přičemž je třeba obzvlášť pozorně postupovat při extrémních vlhkostech (více než 90 % a méně než 10 % RH);

• přesnost snímače je údaj často zneužívaný a v mnohých prospektech se lze setkat s nereálnými údaji; firma Vaisala v tomto uvádí údaje zjištěné při použití svých podnikových etalonů navázaných na mezinárodní etalony; z hlediska celkové nejistoty měření jsou dále u snímače (zařízení) důležité:

  • linearita v rámci celého pracovního rozsahu,
  • hystereze a opakovatelnost,
  • stabilita po určitou dobu,
  • teplotní závislost;

• doba odezvy určuje rychlost odezvy snímače při náhlé změně vlhkosti měřeného média; závisí na teplotě, rychlosti proudění plynu a použitém filtru;

• chemická odolnost; neboť určité agresivní chemické látky obsažené v médiu mohou snímač znečistit, popř. poškodit, a to i při malých koncentracích (např. organická rozpouštědla od koncentrací 1 000 až 10 000 ppm, silné kyseliny 1 až 10 ppm, slabé kyseliny 100 až 1 000 ppm, zásady 10 000 až 100 000 ppm); některé přístroje mají funkci odstranění chemikálií z povrchu: snímač se řízeně ohřeje a tím se odstraní popř. nahromaděné chemikálie.

Výběr vhodného zařízení

Jedním typem měřicího zařízení nelze pokrýt požadavky všech možných úloh. Vhodné zařízení se volí zejména podle požadavků na jeho umístění, ochranu a elektrické připojení (napájení a výstupní signály).

Umístění
Při měření hygrometrických veličin je nutné vybrat měřicí místo dostatečně věrně reprezentující dané prostředí, tj. nikoliv netypicky teplé nebo chladné. Například přístroj umístěný blízko dveří, zvlhčovače vzduchu, zdroje tepla nebo klimatizačního zařízení bude vystaven náhlým změnám vlhkosti a může se chovat nestabilně.

Obr. 5. Příklady montáže sondy relativní vlhkosti

Liší-li se teplota v okolí chladicí spirály nebo spojovacího potrubí od teploty rosného bodu média o méně než 10 K, měly by být trubky vyhřívány. Tím se zabrání kondenzaci vlhkosti a zkreslení měření.

Bude-li sonda v provozu vystavena nadměrným rázům nebo vibracím, je důležité vybrat vhodnou mechanicky odolnou sondu i způsob montáže. Podobně musí být elektronika převodníku při teplotách vyšších než 60 °C instalována zvlášť a na místo měření se umísťuje jen samotná dostatečně odolná sonda.

Při rozhodování o umístění sondy se snímačem je dále třeba věnovat značnou pozornost také rozdílům teplot a extrémům relativní vlhkosti, teploty a tlaku, popř. zvážit použití vzorkovacích systémů.

Rozdíly teplot
Sondu se snímačem relativní vlhkosti je třeba umístit tak, aby v ní nebyl velký teplotní spád. Při velkém rozdílu mezi teplotou měřeného média (hlavy sondy se snímačem) a okolního prostředí by se měla celá sonda umístit do prostoru s médiem při vyvedení kabelu těsnou průchodkou. Hrozí-li výskyt kondenzace, je třeba sondu namontovat horizontálně, aby po ní anebo po kabelu nestékala voda, která by mohla znehodnotit filtr (obr. 5).

Měřené médium musí mít možnost volně proudit okolo hlavy sondy se snímačem, čímž se zajistí stejná teplota média a snímače: při teplotě 20 °C a 50% RH způsobí rozdíl teplot mezi snímačem a měřeným médiem 1 K chybu 3 % RH (při 90% RH by chyba byla 6 % RH – viz obr. 6).

Prostředí s extrémní vlhkostí
Za extrémní se pokládají vlhkosti menší než 10 % a větší než 90 % RH.

Obr. 6. Chyba měření při 90% RH a rozdílu teplot média a snímače 1 K [1]

Pokud jde o velké vlhkosti, při 90% RH může rozdíl teplot 2 K způsobit zkondenzování vody na snímači. Návrat do původního stavu může v nevětraném prostoru trvat hodiny. Snímače od firmy Vaisala jsou, na rozdíl od mnohých jiných, schopny zotavení. Je-li však voda znečištěná, mohou soli usazené na snímači negativně ovlivnit přesnost měření a životnost snímače. Při velkých vlhkostech měřeného média či tam, kde hrozí kondenzace par, by se měla použít sonda s vyhřívanou hlavou a speciální převodník Humicap HMT337.

Při malých vlhkostech, menších než 10 % RH, již nemusí být kalibrace sondy relativní vlhkosti dostatečně přesná a je lepší měřit teplotu rosného bodu. V systémech dodávky tlakového vzduchu ovšem může při poruše sušičky dojít ke kondenzaci vody, která může snímače teploty rosného bodu vyrobené nevhodnou metodou poškodit nebo zničit. Snímače Vaisala Drycap snímají rosný bod a současně snášejí i velkou relativní vlhkost. Přesného a současně dlouhodobě stabilního měření v oblasti malých vlhkostí lze spolehlivě dosáhnout snímačem Drycap s autokalibrací.

Extrémní teploty a tlaky
Vysoké nebo nízké teploty mohou časem narušit materiál snímače nebo hlavy sondy. Výběrem vhodného přístroje tudíž lze zmenšit náklady na údržbu. Protože všechny snímače jsou teplotně závislé, má pro zmenšení chyb vlivem extrémních hodnot pracovní teploty anebo jejích výkyvů velký význam teplotní kompenzace zabudovaná v přístroji.

Obr. 7. Provedení přípojného místa pro sondu s použitím kulového kohoutu
Obr. 8. Základní uspořádání vzorkovacího systému k měření teploty rosného bodu

Co se týče tlaku média, je ideální tlak přibližně atmosférický. Při něm lze popř. malou netěsnost tolerovat a větší zmenšit utěsněním průchodu sondy nebo kabelu stěnou. Je-li však nutné médium izolovat nebo je-li mezi médiem a okolním prostředím velký rozdíl tlaků, je nutné použít vhodně namontovanou sondu s utěsněnou hlavou. Netěsnost v místě vsunutí sondy změní místní vlhkost, a tudíž zkreslí měření. U potrubí s malým průměrem lze použít vzorkovací komoru. V mnoha situacích lze doporučit montáž sondy s použitím kulového kohoutu, umožňujícího sondu vyjímat i vkládat zpět bez přerušení sledovaného procesu (obr. 7).

Vzorkování
Sonda relativní vlhkosti by měla být všude, kde je to možné, umístěna přímo v měřeném médiu. Vhodným řešením může být vzorkovací komora s nainstalovanou sondou. Sondu snadno vyjmout za účelem údržby umožňuje již zmíněné uspořádání s kulovým kohoutem. Protože relativní vlhkost plynu závisí na jeho teplotě, neměly by se při měření relativní vlhkosti používat externí vzorkovací systémy.

Externí vzorkovací systémy je naopak vhodné použít se sondami teploty rosného bodu. Důvodem může být potřeba snížit teplotu média (použitím trubky ve tvaru chladicí spirály s vypočítanou délkou) nebo ochrana sondy před zanesením nečistotami. Protože teplota rosného bodu závisí na tlaku, musí být takovéto systémy speciálně zkonstruované. Typicky přitom obsahují tyto komponenty:

• vstupní kulový ventil oddělující vzorkovací systém od technologického zařízení,

• chladicí spirálu ke snížení teploty plynu před snímačem,

• sintrovaný filtr chránící snímač před velkými částicemi,

• koalescenční filtr k zachycení kapek a malých částic,

• vzorkovací komoru se snímačem rosného bodu,

• odvzdušňovací ventil k odvodu kondenzátu nebo odstranění přetlaku,

• výstupní jehlový ventil k nastavení tlaku a průtoku,

• tlakoměr k indikaci tlaku v systému,

• průtokoměr,

• průtokový spínač k signalizaci poklesu průtoku,

Změřený vzorek se buď, je-li to bezpečné, vyfoukne do vnější atmosféry, nebo se vrátí zpět do technologického procesu.

Obr. 9. Vzorkovací systém Vaisala Drycap DSS70A je kompaktní zařízení k měření teploty rosného bodu tam, kde ji nelze měřit přímo

Schéma možného uspořádání vzorkovacího systému pro měření teploty rosného bodu je na obr. 8 a pohled na skutečné provedení na obr. 9. Typicky se tyto systémy uplatní při zpracování kovů, sušení plastů apod.

Odolnost proti vnějším vlivům
Požadovanou ochranu měřicího zařízení před negativním působením vnějších vlivů zajišťují v provozu vhodné filtry a kryty. Zásadní význam má ovšem jeho základní konstrukce provedení.

Filtry chrání sondy a snímače jednak před působením rozptýlených elektromagnetických polí, jednak mechanicky. Jejich výběr tedy zasluhuje patřičnou pozornost. Pro většinu úloh se doporučuje membránový nebo síťový filtr. Při teplotách větších než 80 °C anebo při velkém tlaku či rychlosti proudění média (až do 75 m/s) je vhodné použít sintrovaný filtr.

Prašná a vlhká prostředí vyžadují přístroje s příslušným stupněm krytí podle průmyslových standardů: např. před proniknutím prachu nebo vlhkosti při stříkající vodě je chráněn přístroj s krytím IP65. Odpovídajícím způsobem musí být provedeny i vývody a průchody kabelů.

Při použití ve venkovním prostředí musí být sonda namontována v ochranném krytu nebo ve Stevensonově stínidlu. Tím je zabráněno zkreslení měření vlivem přímého slunečního záření nebo extrémních povětrnostních podmínek (obr. 10).

Obr. 10. Jiskrově bezpečný převodník vlhkosti Vaisala Humicap HMT360

Samozřejmým požadavkem je v současné době elektromagnetická kompatibilita zařízení. Zde je třeba pamatovat na to, že v technologických procesech v průmyslu jsou požadavky větší než v oblasti vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC).

V prostředí s nebezpečím výbuchu lze používat pouze zařízení s příslušným certifikátem (ATEX). Přednost se dává tzv. jiskrově bezpečným zařízením zkonstruovaným tak, že v případě poruchy nemohou generovat tolik energie, kolik je nutné k zapálení plynu dané třídy výbušnosti (obr. 11). Do vedení mezi jiskrově bezpečným zařízením a bezpečným (obyčejným) prostředím se vkládají izolační bezpečnostní oddělovací bariéry.

Napájení, vstupy a výstupy, kabely
Většina přístrojů od firmy Vaisala používá jen napájení ze zdrojů bezpečného nízkého napětí. Některé z nich lze napájet i z běžné sítě 110/230 V AC. Při použití střídavého napájení nízkým napětím se doporučuje použít pro každý převodník vlastní izolovaný zdroj. Zabrání se tím vzniku zemních smyček či rušení vlivem indukční zátěže.

Analogový výstup lze obvykle volit napěťový nebo proudový (0/4 až 20 mA). Volí se podle délky vedení a typu rozhraní v návazném zařízení. Některé přístroje jsou tzv. dvouvodičové, napájené přímo z proudové smyčky 4 až 20 mA.

Obr. 11. Ochranný kryt Vaisala DTR500 chrání snímače teploty a vlhkosti před slunečním zářením a vodními srážkami

Standardně používanými digitálními rozhraními jsou RS-232, RS-485/422 a protokol HART superponovaný na proudovou smyčku 20 mA.

Kabely, s výjimkou velmi krátkých spojů, se doporučují stíněné. Neměly by se nacházet v těsné blízkosti vedení vysokého napětí anebo u zdrojů rádiových frekvencí. Často se také přehlíží význam zemnění. Osvědčenou praxí je uzemnit stínění propojovacích kabelů v jednom společném bodě. Některé z dodávaných přístrojů mají galvanické oddělení signálů.

Přesnost a kalibrace

Běžně používaný pojem „přesnost„ je obtížné definovat. V tomto článku je proto používán v obecném významu, bez snahy zavést přesnou definici. Pro účely článku si stačí uvědomovat, že k chybě výsledku měření přispívá každý jednotlivý krok v procesu kalibrace a měření od navázání na primární etalon v mezinárodně uznané kalibrační laboratoři až po vlastní výrobu přístroje a jeho použití v reálných provozních podmínkách. Všechny tyto chyby se podílejí na celkové nejistotě měření (o jejímž určování se lze dočíst jinde, ve specializované literatuře – pozn. red.). Firma Vaisala s většinou svých přístrojů k měření vlhkosti a teploty rosného bodu dodává kalibrační list obsahující popis procesu kalibrace a údaj o nejistotě měření.

Relativní vlhkost
Firma Vaisala nabízí přístroje s různou přesností a rozsahy pracovních teplot pro různé použití. Při měření relativní vlhkosti je velmi důležité, aby snímač měl stejnou teplotu jako měřený plyn. Zejména porovnávají-li se údaje dvou různých přístrojů, jak ilustruje následující, ve dvou krocích popsaný příklad z praxe:

1. Situace: Nově instalovaná sonda A udává 49 % RH a je kontrolována kalibrovaným přenosným přístrojem B, kterým se naměřilo 52 % RH; skutečná hodnota je 50 % RH. Obě zařízení, A i B, byla předtím seřízena tak, že na etalonu v laboratoři měřila stejně. Proč se hodnoty naměřené v provozu liší?

2. Možná vysvětlení: Nejistota sondy A je ±2 % RH a přístroje B ±1,5 % RH, a tudíž rozdíl mezi jejich údaji skutečně může být až 3,5 % RH, nebo obě zařízení měří správně a příčinou rozdílu v údajích o velikosti 3 % je rozdíl 1 K mezi teplotou snímače A a teplotou snímače B.

Teplota rosného bodu
Přesnost měření teploty rosného bodu závisí na provedení snímače. Převodník teploty rosného bodu Vaisala Drycap DMP248 měří v rámci daného rozsahu s přesností ±2 °C. Snímač Vaisala Dewcap, používaný v laboratorním hygrometru DM500, dokáže měřit teplotu rosného bodu s přesností až ±0,2 °C. Teplota rosného bodu sice nezávisí na provozní teplotě plynu, ale závisí na jeho tlaku, což je při přesných měřeních třeba brát v úvahu.

Doporučení pro kalibraci
Kalibrovat přístroje pro měření hygrometrických veličin lze různými způsoby, s použitím různých zařízení, různě často apod., podle konkrétních podmínek.

Jde-li o přístroj přenosný nebo takový, který lze odpojit a vyjmout z instalace, lze ho zaslat ke kalibraci do akreditované laboratoře nebo do servisního střediska firmy Vaisala.

Samotný kalibrační list s výsledky kalibrace ve dvou nebo více bodech informuje o přesnosti a linearitě přístroje v daném okamžiku. Neříká však nic o jeho stabilitě v čase. Představu o ní si lze vytvořit teprve na základě několika kalibrací uskutečněných v pravidelných časových odstupech.

Jak často kalibrovat?
Frekvence kalibrací závisí na podmínkách, v nichž je měřicí zařízení používáno. U většiny úloh se doporučuje kalibrace jednou za rok. Je-li sonda dlouhodobě vystavena velkým vlhkostem (nad 85 % RH), vysokým teplotám (nad 120 °C) anebo chemicky agresivnímu prostřední, mohou být nutné častější kontroly.

Kalibrace v jednom a několika bodech
Probíhá-li proces jen v úzkém rozpětí měřené veličiny, je výhodná kalibrace v jenom bodě, kterou lze provést na místě v provozu bez odpojování přístroje. Jednobodová kalibrace je vhodná také jako prostředek k rozhodnutí o potřebě další podrobné kalibrace či nastavení přístroje. Údaj ze zabudované sondy se při ní porovnává s údajem přenosného referenčního meřidla (viz již uvedený příklad). Referenční měřidlo by mělo být pravidelně kalibrováno a mělo by mít platný kalibrační list. Lze také použít ruční měřidlo vlhkosti a teploty Vaisala Humicap HM70 nebo ruční měřidlo teploty rosného bodu Vaisala Drycap DM70, která lze přímo připojit k zabudované sondě a zobrazit a porovnat měřené hodnoty na displeji.

Výhodou kalibrace v několika bodech oproti jednobodové je dosažení větší přesnosti přístroje v rámci celého měřicího rozsahu. K takovéto kalibraci je třeba mít několik stabilních referenčních komor, které jsou součástí např. kalibrátoru vlhkosti Vaisala HMK15.

Závěr

Úspěch při hygrometrických měřeních plynů závisí na správné volbě a instalaci přístroje a jeho periodické kalibraci. Firma Vaisala nabízí širokou škálu snímačů, sond, přístrojů a zařízení pro nejrůznější hygrometrická měření v plynech, zejména v průmyslu. V ČR a na Slovensku ji zastupuje společnost D-Ex Limited, spol. s r. o., se sídly v Brně a v Bratislavě.

Literatura:
[1] How to choose the right Vaisala product for measuring humidity and dewpoint. Firemní dokument, Vaisala, 2005.
[2] LABANIČ, M.: Ako si vybrať správny prístroj na meranie vlhkosti a rosného bodu. Interní dokument D-Ex Limited, spol. s r. o., 2006.
[3] KLASNA, M. – BUREŠ, J.: Senzorika a měření vlhkosti – 1. část. Automa, 1996, roč. 2, s. 10–13.

(D-Ex Limited, spol. s r. o.)

D-Ex Limited, spol. s r. o.
Optátova 37
637 00 Brno
tel.: 541 423 211
fax: 541 423 219
e-mail: medc@dex.cz
http://www.dex.cz