Dauwpunt spiegel hygrometer

De dauwpuntspiegel-hygrometer is een apparaat voor het bepalen van het dauwpunt van waterdamp in lucht of in procesgassen. Het dauwpunt is de temperatuur van vochtige lucht, die met onveranderde druk beneden moet worden gedaald zodat waterdamp zich kan afscheiden als dauw of nevel. De relatieve vochtigheid op het dauwpunt is 100%. De lucht is dan verzadigd met waterdamp. De dauwpuntspiegel-hygrometer gebruikt een temperatuurgestuurde spiegel om het dauwpunt te meten. Tijdens de meting wordt het reflectievermogen van de spiegel gemeten,
dat vervolgens begint af te nemen naarmate de temperatuur daalt, wanneer het dauwpunt wordt bereikt en de spiegel beslaat

Meetproces

De dauwpuntspiegelhygrometer moet goed worden geventileerd (of worden overstroomd met procesgas). Indien nodig wordt de spiegel eerst verwarmd totdat deze condensvrij is en dus niet meer beslaat. De spiegel wordt dan langzaam weer afgekoeld tot hij beslaat. Dit wordt gedetecteerd door optiek te meten, de bijbehorende spiegeltemperatuur is dan de dauwpunttemperatuur.

Lage vochtgehaltes en dus lage dauwpunttemperaturen vereisen langere meettijden. Hoewel een meting doorgaans slechts enkele seconden duurt bij hoge dauwpunttemperaturen, kan een meting langer dan een uur duren als er sporen van vocht zijn (bijv. Bij een zeer lage dauwpunttemperatuur). Zulke lange meettijden zijn niet te wijten aan het feit dat het lang duurt om de lage temperaturen te bereiken, maar eerder aan het feit dat het gas dan zeer weinig watermoleculen bevat. Je moet dus wachten of voldoende procesgas door de spiegel laten gaan zodat er voldoende moleculen kunnen worden afgezet om als condensaat zichtbaar te worde

Fysieke basis

Vochtmeters (hygrometers) die werken volgens het condensatieproces maken gebruik van de vorming van vloeibaar water of ijs (door sublimatie).

Het dauwpunt, als temperatuur van een vochtig gasmengsel, waarbij de condensatie en verdamping van de vochtige component exact in balans zijn, wordt bereikt als het gas net verzadigd is met de damp. De partiële dampdruk die in deze evenwichtstoestand heerst, is de verzadigde dampdruk. Hoe hoog de verzadigingsdampspanning bij een bepaalde temperatuur is, blijkt uit het fasediagram van het water of de stoffen in andere gasmengsels. Omdat de niet-condenseerbare delen van het gasmengsel vrijwel geen invloed hebben op het gedrag van de stoom, is het dauwpunt van vochtige lucht vrijwel uitsluitend afhankelijk van de partiële druk van het water dat het bevat. Elke dergelijke evenwichtstoestand wordt bepaald door een punt in het p-T-diagram. Als je al deze punten met elkaar verbindt, krijg je de dauwpuntcurve als fasegrenslijn.

Als de energiestroom kan worden geregeld om de temperatuur te verlagen, gelden de beschreven fysieke afhankelijkheden ook voor open systemen, zoals stroomprocessen.

Dauwpuntcurve in blauw. Een dauwpunt met dezelfde partiële waterdampdruk (blauwe punt) hoort bij elke toestand (rode punt). Het dauwpuntverschil (20 ° C) en de relatieve luchtvochtigheid zijn af te lezen op de horizontale en verticale hulplijnen.

Daniell dauwpunt-hygrometer

Daniell dauwpunt-hygrometer

Typen hygrometers

Daniell dauwpunt-hygrometer

In 1820 slaagde John Frederic Daniell erin de luchtvochtigheid te meten met behulp van een dauwpunt-hygrometer die hij had ontwikkeld.

Lay-out en functie

Een U-vormige glazen buis met naar beneden wijzende pootjes is bevestigd aan een kolom die een thermometer draagt om de luchttemperatuur te bepalen. De twee poten van de U-buis zijn aan de uiteinden tot kogels gevormd

De linker bol A is gedeeltelijk gevuld met diethylether. In been B bevindt zich een thermometer waarvan de punt in de ether is ondergedompeld. Dus de binnenkant van de hele U-buis C en ook de rechter bol D is etherdamp met een partiële druk die overeenkomt met de omgevingstemperatuur.

De rechter bol is aan de buitenkant bekleed met stof en van buiten besprenkeld met ether. Door de verdamping van de buiten aangebrachte ether daalt de temperatuur van de rechter bol en condenseert de binnenste etherdamp binnenin deze bol. Hierdoor wordt de partiële druk in het inwendige van de glasconstructie verlaagd. Omdat de partiële druk weer moet stijgen met de buitentemperatuur, verdampt de ether in de linkerbol. Dit leidt op zijn beurt tot een daling van de temperatuur in de linkerbol.

Als deze temperatuurdaling onder de condensatietemperatuur van de omgevingslucht op het oppervlak van de bol komt, vormt zich watercondensaat op het oppervlak van de linker bol. Op de linker bol is een streep verguld voor een betere herkenning van condensvorming.
Wanneer condensatie begint, wordt de temperatuur afgelezen van de binnenthermometer links.

Door het apparaat te kantelen kan de ether van de linker bol in de rechter stromen. De bol links neemt warmte op uit zijn omgeving en de condensvorming verdwijnt weer. De temperatuur wordt ook afgelezen op de linker thermometer. De dauwpunttemperatuur wordt bepaald uit het gemiddelde van de twee temperatuurmetingen.

Regnault dauwpuntkappen

Henri Victor Regnault, een Frans-Duitse natuurkundige en chemicus, ontwikkelde de dauwpuntkap in 1845

Lay-out en functie

Een gedeeltelijk gespiegeld glazen vat wordt in het gebied van de spiegeling gevuld met ether. Het glazen vat wordt na het vullen aan de bovenzijde gesloten. Glazen buisjes worden door twee openingen gestoken, een buis dompelt onder in de ether. Door de sluiting wordt de thermometer ook in de ether gebracht.

Lucht wordt door de buis geblazen, die uitsteekt in de ether. De ether verdampt in de ruimte door de opname van warmte uit deze luchtstroom.
De etherdamp komt uit de tweede opening.

De verdamping van de ether leidt tot een temperatuurdaling van de spiegelwand, waarop zich dan een laag condensaat uit het water uit de omgevingslucht vormt. De vorming van afzettingen wordt met het oog waargenomen en de temperatuur van het oppervlak, die gelijk is aan de temperatuur van de ether, wordt gemeten met de thermometer.

Deze oppervlaktetemperatuur is de dauwpunttemperatuur.

Toepassingsgebied

Het toepassingsgebied van de dauwpuntkappen voor het meten van dauwpunttemperaturen strekte zich uit tot enkele graden onder de omgevingstemperatuur. De meetonzekerheid was groot omdat enerzijds het tijdstip van condensatie afhangt van de gevoeligheid van het menselijk oog voor differentiatie en anderzijds de afleesonzekerheid van de thermometer door de mens wordt meegerekend.

Regnault dauwpuntkap

Regnault dauwpuntkap

Dauwpunt-hygrometer volgens Lambrecht

Dauwpuntbak volgens Lambrecht

Wilhelm Lambrecht verbeterde het vermogen om condensatie te detecteren aanzienlijk.

De grootste onzekerheid bij het meten met de dauwpuntdop is de bepaling van de condensatietijd. Het menselijk oog is erg traag bij sluipende veranderingen. Lambrecht introduceerde een gespleten spiegelwand.

Lay-out en functie

Een metalen plaat A, glanzend gepolijst aan de voorkant, draagt een ronde metalen doos B aan de achterkant, waarin van bovenaf een
thermometer Th uitsteekt. Het metalen blikje is voor de helft gevuld met ether.

Door middel van een handventilator wordt via een buis C lucht door de ether geblazen.
Dit verdampt en koelt het hele vat en de lucht in de directe omgeving.

Bij het bereiken van het dauwpunt condenseert de in de lucht aanwezige waterdamp en beslaat de kale plaat A. Om het moment waarop de plaat beslaat goed te kunnen waarnemen en de thermometer direct af te kunnen lezen, is het middelste deel van de kale plaat A oppervlak wordt bedekt door een spleet D van gescheiden van het onderliggende gedeelte.

De condensatiefilm verschijnt dan eerst alleen op het bovenste centrale deel van het oppervlak dat is verbonden met het metalen blik en kan gemakkelijk worden herkend tegen het niet-beslagen deel.

Automatisch werkende dauwpuntspiegels volgens Harold E. Edgerton

In 1965 slaagde Harold E. Edgerton er voor het eerst in een automatisch werkende, gekoelde dauwpuntspiegel te bouwen.

Lay-out en functie

Automatische koelspiegels bestaan uit een spiegelend oppervlak, dat meestal met een Peltier-element op condensatietemperatuur wordt gebracht. Wanneer de dauwpunttemperatuur is bereikt, condenseert het water op de spiegel, waardoor de reflectiviteit van de spiegel vermindert. Dit proces wordt automatisch gedetecteerd met een optiek en de huidige temperatuur wordt bepaald.

Een essentieel onderdeel van automatisch werkende spiegelgekoelde instrumenten is het verwarmings- en koelelement. Meestal worden hiervoor Peltier-elementen gebruikt, die teruggaan op een uitvinding van de Franse natuurkundige Jean Peltier in 1834. Hij herkende dat een soldeerverbinding tussen twee verschillende metalen, waardoor een elektrische stroom vloeit, opwarmt of afkoelt, afhankelijk van de richting van de stroom. Door de stroom elektrisch te regelen, kan een bepaalde temperatuur worden gegenereerd op een verbindingspunt tussen twee verschillende metalen. Het Peltier-element bleef tot het midden van de 20e eeuw grotendeels onopgemerkt. Pas met de ontwikkeling van halfgeleiders kregen Peltier-elementen een aanzienlijke boost en leidden in de jaren zestig tot het technische gebruik van Peltier-elementen in verwarmings- en koeltechnologie.

In 1965 slaagde Edgerton erin de waarneming van condensatie onafhankelijk te maken van het menselijk oog door elektro-optische scanning te ontwikkelen, gecombineerd met een automatische temperatuurmeting van het spiegeloppervlak. Hiermee en met het gebruik van temperatuurafhankelijke meetweerstanden was de laatste belangrijke stap naar de geautomatiseerde meting van de dauwpunttemperatuur in open systemen gezet. Sinds de jaren 70 worden gekoelde spiegels gebruikt om automatisch de dauwpunttemperatuur te meten in open systemen.

Dauwpuntspiegel vandaag

Het technische ontwerp van het gesloten menggasvolume en de manier waarop de temperatuur wordt verlaagd is voor de afzonderlijke apparaten verschillend geïmplementeerd. Moderne dauwpunt spiegels zijn meestal als volgt geconstrueerd:

Een spiegelend metalen oppervlak wordt door middel van een Peltier-element afgekoeld tot de condensatietemperatuur. Wanneer de dauwpunttemperatuur is bereikt, condenseert het water op de spiegel. Dit vermindert het reflectievermogen van de spiegel. Als de spiegel wordt verlicht door een lichtgevende diode en het gereflecteerde licht wordt opgevangen door een fotodiode, wordt een elektrische stroom gegenereerd
die afhankelijk is van het reflectievermogen van de spiegel.

Een tweede lichtstraal, die niet wordt beïnvloed door het condensatieverschijnselen, dient als referentiewaarde. Beide lichtstralen hebben dezelfde intensiteit voor condensatie en genereren dezelfde stroom op twee fotodiodes. De vergelijking van de twee stromen, bij voorkeur in een brugcircuit, wordt gebruikt om de Peltier-stroom te regelen. Als de gereflecteerde bundel afwijkt van de oorspronkelijke verlichtingssterkte, die wordt geregistreerd door de referentiestraal, vanwege het optreden van condens op de spiegel, wordt een verschilsignaal gegenereerd op de brug,
dat wordt gebruikt om de Peltier-stroom te regelen.

Automatisch werkende gekoelde spiegel met optiek, Peltier stroomregeling en temperatuurmeting met PT100

ComAir gekoelde spiegel van EdgeTech
(opvolger van EG & G)

Bij een constante dauwpunttemperatuur wordt de Peltier-stroom binnen zeer nauwe grenzen geregeld, zodat de temperatuur van het spiegeloppervlak stabiel is tot ± 0,05 ° C. Condensatie- en verdampingsprocessen zijn daarom in evenwicht.

De dauwpunttemperatuur wordt gemeten met behulp van een temperatuurafhankelijke platina meetweerstand (Pt100, Pt1000) als de oppervlaktetemperatuur (of lichaamstemperatuur) van de spiegel zonder drift en hysterese.

Dauwpuntspiegels met Peltier-koeling kunnen worden gebruikt voor een meetbereik van −100 ° C [5] tot 100 ° C met een minimale meetonzekerheid van ± 0,1 K. Dauwpuntspiegels kunnen cryostatische koeling met vloeibare stikstof hebben in plaats van of naast Peltier-koeling. Dergelijke meetopstellingen kunnen dauwpunttemperaturen tot −115 ° C meten

Dauwpuntspiegels zijn gevoelig voor vaste en vloeibare deeltjes in het meetgas, aangezien deeltjes van welke aard dan ook zowel de meetlichtbundel kunnen verstrooien als het reflectievermogen van de spiegel kunnen verstoren. De meetmethode kan niet onderscheiden of het verstrooiende deeltje gecondenseerd water of vuil is.

In combinatie met een gastemperatuursensor en een druksensor kunnen sommige apparaten niet alleen alle drie relevante fysische grootheden meten en weergeven, maar ook alle andere parameters van de luchtvochtigheid berekenen met behulp van een ingebouwde computer. Er zijn twee verschillende groepen apparaten: apparaten die bij de berekening rekening houden met de verbeteringsfactoren en apparaten die werken met de eenvoudige Magnus-formule.

Koolwaterstof dauwpunt

In de praktijk is het dauwpunt van water waarschijnlijk het meest gemeten dauwpunt. Koolwaterstoffen, b.v. B. Oplosmiddel, een zogenaamd koolwaterstofdauwpunt, dat, afhankelijk van het proces, significant is en gemeten moet worden.

Een ongewijzigde dauwpunt spiegel hygrometer is niet geschikt voor het meten van koolwaterstof dauwpunten, het condensaat van de koolwaterstoffen verandert de spiegel eigenschappen in geringe mate. Daarom wordt met koolwaterstofdauwpuntsensoren het verstrooide licht van opgeruwde oppervlakken, dat wordt verminderd door de vorming van condensatie, gemeten.

Bronnen: Wikipedia-de

Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z