J. Možina Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Slovenija Ključne besede: viagomeri kondenzacijski z vlakni optičnimi, vlaga zraka, merjenje vlage, kondenzacija vlage, pogoji kondenzacije, vlakna optična, senzorji reflektivni, vlaga relativna, temperatura rosišča Povzetek: Kondenzacijski ali rosiščni vlagomer je med najbolj točnimi merilniki vlažnosti zraka. Merjenje temelji na zaznavanju kondenzata na hlajeni kovinski površini in preračunu temperature rosišča vlažnega zraka v relativno oziroma absolutno vlažnost zraka. V obravnavanem prototipnem vlagomeru so elementi klasične optike nadomeščeni z novo postavitvijo odbojnostnega zaznavala z optičnimi vlakni. Eksperimentalno so preverjeni nekateri dejavniki, ki vplivajo na proces kondenzacije in s tem tudi na točnost vlagomera. Key words: fiber-optic condensation hygrometers, air humidity, humidity measurement, humidity condensation, condensation conditions, optical fibers, reflective sensors, relative humidity, absolute humidity, dewpoint temperature Abstract: The condensation dewpoini hygrometer is a very accurate instrument for measuring air humidity. Its working principle is based on the optical detection of dew forming on a chilled mirror and computing absolute or relative humidity from the temperature of the mirror at the optical treshoid and the temperature of the surrounding air. The optical detection system most commonly used consists of a laser source and a photodetector, built into a measuring chamber. This design enables the detection of light reflected from the chilled mirror. The most accurate instruments also detect scattered light. The use of optical fibres enables light source and photodetector to be placed outside the measuring chamber. In such optical configuration, the fibres are oriented to the mirror surface normal to detect reflected light. The dewpoint hygrometer uses a temperature control system to actively chill the mirror. The protocol of setting the mirror temperature depends on the character of the measurement. Continuos mode hygrometer is sensitive to changes in thickness of the water layer on the mirror due to changes in humidity of the environment by adjusting the mirror temperature to maintain a constant water layer. Due to continous presence of water on the mirror surface, frequent cleaning is required. On the other hand, discrete mode hygrometers cool the mirror until dew is formed on it. This dew point temperature is measured and the mirror is heated back to the temperature of environment. Repeating the cycle enables changes in the humidity to be followed. Since dew is present on the mirror for only a short period of time in each cycle, frequent cleaning Is no longer necessary. A condensation dewpoint hygrometer using fibre optics and working in a discrete mode has already been proposed in literature. In this article several improvements of the basic design are proposed and implemented. Original inovations have improved properties of the hygrometer considerably, resulting in a very accurate yet simple instrument. In preliminary experiments, detection of scattered light was found to be much more accurate in detecting dew formation then reflected light detection. This observation was implemented by placing a reflection-type fibre optic sensor at an angle to the mirror surface. The sensor was built using one transmiting and one receiving glass fiber with core diameters 100 (jm and 500 |.im, respectively. Determination of the dewpoint temperature is more accurate using discrete mode, but only when heating and cooling optical detection (dew formation and evaporation) is performed. The dewpoint temperature must be calculated as an average of both temperatures that were measured at treshoid condition. Only with such a procedure the inherent hysteresis of condensation and the thermal capacity of the mirror and temperature sensor are removed. Using only the temperature measured at first detection of dew forming, as described in the literature, can lead to unpredictable systematic errors. Series of measurements were performed to obtain the dependence of the measured quantity on mirror position and orientation, velocity of the incoming air and cycle time. The hygrometer gave best results when the mirror faced downwards. Results with a vertical mirror are comparable, but a mirror facing upwards gave the largest fluctuations. Results were independent of the velocity of forced air over the mirror. Cycle time affects the width of hysteresis, but not the final result, if heating and cooling detection is employed. An emphasis was put on determining the systematic error caused by changing surface parameters of the metal mirror. This error depends on the surface roughness and varies for different surface compositions. The best repeatability with smallest systematic error was achieved using a polished surface with a thin anti-corrosion layer. 1.UVOD Merjenje vlažnosti zraka je relativno neraziskano področje merilne tehnike, kar se kaže na uporabi starih in preverjenih načel delovanja merilnikov, ki so se ohranila iz preteklosti /1,2,3,4/. Novo smer je odprla šele uporaba elektronskih sestavnih elementov, ki omogočajo miniaturizacijo zaznavala in celotnega merilnika. Točnost določanja relativne vlažnosti večine takih merilnikov ne presega vrednosti od 1 do 2 % RH /5/. Izstopa kondenzacijski vlagomer, katerega točnost je za skoraj razred točnosti boljša /6/. Njegovo delovanje temelji na optičnem zaznavanju nastanka kondenzata na hlajeni kovinski površini. V ta namen sta v merilno sondo vgrajena polprevodniški laserski izvor in optični sprejemnik. Uporaba optičnih vlaken omogoča name-stitev obeh optičnih elementov izven merilne sonde /7,8,9/. V prispevku opisujemo nekatere izsledke razvoja konden-zacijskega vlagomera nove generacije, pri katerem smo kot detekcijski element uporabili izvirno postavitev odbojnostnega zaznavala z optičnimi vlakni, in katerega delovanje je nadzorovano z novim načelom krmiljenja /10/. 2. FIZIKALNE OSNOVE Vlažen zrak je mešanica suhega zraka in vode. Slednja se v področju nenasičenosti nahaja v obliki vodne pare. Vsebnost pare se z zniževanjem temperature ne bo spreminjala do trenutka, ko so doseženi pogoji nasičenosti (delni tlak vodne pare doseže temperaturno odvisen tlak nasičenosti), nakar se bo pričela izločati iz zmesi v tekoči ali trdni obliki, odvisno od temperature zraka. Pojav je možno zaznati optično, kar je osnovno načelo delovanja vsakega kondenzacijskega in rosišč-nega vlagomera. Vsebnost vlage definiramo z razmerjem delnih tlakov sestavnih plinskih komponent v zraku. Absolutna vlažnost X je sicer razmerje mase vode in suhega zraka, v primeru opisa stanj v nenasičenem področju pa jo lahko izrazimo z razmerjem delnih tlakov vodne pare pp in suhega zraka psz ter celotnega tlaka vlažnega zraka p: x =0,622^ = 0,622- P-Pp (1) Z relativno vlažnostjo (p opisujemo le stanja v nenasičenem področju in je razmerje dejanskega delnega tlaka pare pp in nasičenega parnega tlaka ps pri isti temperaturi: Pričetek kondenzacijskega procesa na obravnavani površini se torej prične pri višji temperaturi, kot bi se na vodni gladini. Pojav je izrazit na gladinah solnih raztopin (slika 1), medtem ko je na suhih trdnih površinah opazen le pri izvajanju natančnih meritev. Posledica pojava je sistemski pogrešek izmerka kondenzacijskega vlagomera, v katerem se proces kondenzacije vrši na kovinskem zrcalu. 100 80 S. g 40 O. ä" 20 Slika 1: p{101,3kPa) rosUna krivulja/ / čiste vode / / (P«) / / / / ' ravnotežna krivulja / ' solne raztopine / (M ___1___^___i---^--—u 20 40 60 80 100 Temperatura [°C] 120 140 Temperaturna odvisnost nasičenega parnega tlal SVETLOBNI IZVOR tlaic niCTjeiwga zjBkB Slika 2: Shematski prikaz običajnega kondenzacij-skega viagomera Merilnik lahko deluje v dveh režimih: - zvezni režim delovanja izkorišča približno linearno odvisnost optičnega signala pri oblikovanju konden-zata na zrcalni površini. Krmilnik vtem primeru skrbi za vzdrževanje temperature zrcalne površine na vrednosti, ki bo pri dani vlažnosti merjenega zraka zagotavljala enakomerno debelino plasti kondenzata in s tem enakomerno razliko med merjenim in referenčnim signalom. Sistem torej odgovarja spremembi vlažnosti zraka s spremembo temperature površine (siika 3). V preteklosti se je izključno uporabljalo to načelo delovanja /5,13/. Pomanjkljivosti, kot so stalna prisotnost kondenzata na zrcalni površini, obvezna uporaba optične kompenzacijske metode in odmik izmerjene temperature od dejanske temperature rosišča, so botrovale razvoju merilnika z diskretnim režimom delovanja. pri diskretnem režimu delovanja se zrcalna površina enakomerno hladi. Ko je zaznana sprememba optičnega signala, povzročena s pojavom kondenzata, se proces obrne in poteka do trenutka, ko je zaznana sprememba na prvotno vrednost. Pri obeh mejnih trenutkih se odčita temperatura površine, srednja vrednost pa upošteva kot dejanska temperatura rosišča (slika 4). S tem so odpravljene po- / oblikovanje kondenzata referenčna vrednost ra C O) C >o "t o AT odstoixik optičnega signala Tni Tr2 Temperatura- nastavljiv prag zaznavanja zaznavanje rosiSča pri ohlajanju I KS C O) '55 C >ü 1 O zaznavanje rosišča j pri segrevanju Temperatura referenčni sigtjal krmilnik ^ U»-I 1 i temx>električni TO* 1 hladilnik 1 ' 1 rosiščna aktivna krivulja površina merilnik temperature preračun in prikaz (sorber odbite svetlobe vstop merjoiega zraka Gvm Slika 6: Prikaz izvedbe meiianskega dela in shema postavib/e izdelanega kondenzacijskega vlagomera S 7 3 & h- 5 \ na,slednji cikel \ hitro -fe^ \ohlajanje j \ hitro 1 \ : segrevanje/ \ 1 ' enakomerno 1 V segrevmje j enakomerno ohlajanje \ zaznavanje kondeiizata— 100 200 Čas [S] 300 130 110 « C O) W 70 50 10.5 enakomerno \ ' ohlajanje \ AT = 0,01 K/s At DP = - 11,2°C histereza prag zaznavanja 11 DP 11 5 Temperatura [°C] 12 Slika 7: Časovni potek temperature zrcalne površine in temperaturna odvisnost optičnega signala v enem merilnem ciklu izdelanega vlagomera. 4. MERITVE ZNACILNIC VLAGOMERA Z izvedenimi preizkusi srno določili značilnice izdelanega vlagomera, kot tudi raziskali vpliv nekaterih dejavnikov na delovanje merilnika. IVieritve so bile izvedene v zaprtem in glede poteka vlage kontroliranem prostoru s primerjavo odčitkov izdelanega in izbranega primerjalnega ali referenčnega merilnika. Z uvodnimi preizkusi je bilo ugotovljeno, da odčitki kondenzacijskega vlagomera sledijo odčitkom referenčnega merilnika s sistemskim merilnim pogreškom (-1-3 ±0,5 % RH pri normalnih pogojih). Vzrok za nastalo sistemsko razliko smo prvotno iskali v postavitvi temperaturnega zaznavala, legi zrcalne površine, hitro-sti obtekanja merjenega zraka In hitrosti spreminjanja temperature zrcalne površine. Rezultati preizkusov, katerih namen je bil lociranje vzroka odstopka, so z navedbo odstopka relativne vlažnosti ARH in širine histereze optičnega signala podani v preglednicah 1 do 3. Navedene so povprečne vrednosti 10-ih ponovljenih meritev pri nespremenjenih zunanjih pogojih (referenčni merilnik: ROTRONIC MP 100A&C94 z deklarirano merilno točnostjo ± 1 % RH). Preglednica 1: Vpliv lege zrcalne površine in dodatne toplot-ne izolacije temperaturnega zaznavala Preglednica 2: Vpliv hitrosti obtekajočega zraka lega dodatna izolacija brez dodatne izolacije ARH [%RH] histereza [K] ARH [%RH] histereza ! [K] t 4,5 ±0,16 4,9 ±0,16 4,4 ±0,24 4,8 1 ±0,25 1 i 5,7 ±0,35 6,1 ±0,35 1 hitrost obtekanja konvekcija 0,2 m/s 0,8 m/s 1 ARH [%RH] 3,8 4,0 3,6 j histereza [K] 0,24 0,16 0,15 Preglednica 3 .■ Vpliv hitrosti spreminjanja temperature zrcalne površine AT/At 0,01 K/s 0,03 K/s 1 0,06 K/s ARH |%RH1 3,5 4,5 ........i histereza [K] 0,11 0,27 0,41 I Ker je vpliv dodatne toplotne izolacije temperaturnega zaznavala opazen, je treba tega vgraditi v samo osnovo zrcalne površine. S tem je preprečeno njegovo segrevanje zaradi obtekajočega zraka, ki je bistveno toplejši od zrcalne površine. Vpliv lege površine je očiten le pri navzgor obrnjeni površini, saj tanka plast ohlajenega zraka nad njo, ki je prisotna kljub prisilnem obtoku, deluje kot toplotni izolator. Pri ostalih dveh legah je izmenjevanje te plasti olajšano s konvekcijo. Hitrost obtekanja zraka na merilni pogrešek bistveno ne vpliva, medtem ko je vpliv hitrosti spremembe temperature opazen. Pojav je možno pojasniti s počasnim procesom kondenzacije in izrazitejšim vplivom dinamičnih značilnosti same zrcalne površine in temperaturnega zaznavala. Bistveni vzrok merilnega pogreška pa je očitno treba iskati v pomiku ravnotežne kondenzacijske krivulje (slika 1). Rezultat preverjanja vpliva hrapavosti in snovi zrcalne površine je prikazan na slikah 8 in 9 (0 O C >N > « C > « a> a 10 0 2 4 Meritev ——— 10 12 14 16 17.7 ■ 17.6- P 17,5- H i7.d -17.3- 17.2- 42,5- X 42.0- a: vp 41.5- Ö- 410- 40 5- 40 0- 43 5 - X 43.0- a: 42.5- 42.0- 415- 1.6 ■ X 1.4- Q£ 1 2' sS 1.0-