Higrometry do pomiaru wilgotności powietrza – przeznaczenie, konstrukcja, właściwości

• Przeznaczenie higrometrów
  
• Zasada działania czujnika wilgotności w higrometrze
• Wrażliwość czujnika wilgotności na warunki otoczenia
• Szkodliwe warunki pracy dla czujnika wilgotności
• Serwisowa procedura regenerująca czujniki wilgotności

Przeznaczenie higrometrów

Higrometry produkowane przez LAB-EL działają w oparciu o opisane poniżej cienkowarstwowe czujnik wilgotności, które są przeznaczone do pomiarów wilgotności względnej powietrza atmosferycznego. Jeżeli higrometry są używane w pomieszczeniach, w których są zawarte substancje chemiczne i zanieczyszczenia nienależące do powietrza atmosferycznego, to może to powodować wystąpienie dodatkowego błędu pomiaru, który nie jest uwzględniany w deklarowanych parametrach metrologicznych oferowanych urządzeń. 

Zasada działania cienkowarstwowego pojemnościowego czujnika wilgotności w higrometrze

Czujniki nadzoru wilgotności powietrza to wysoce dokładne czujniki środowiskowe i jako takie nie są one zwykłymi podzespołami elektronicznymi. Elementem decydującym o pomiarze jest tu specjalny sensor, który przetwarza wielkość fizyczną (wilgotność powietrza) na wielkość elektryczną, którą można zmierzyć układami elektronicznymi.

W przypadku czujnika wilgotności sensorem tym jest kondensator, którego dwie elektrody są odizolowane od siebie przy pomocy porowatego dielektryka wykonanego z organicznych polimerów. Polimer, chłonąc wilgoć z powietrza, zmienia pojemność kondensatora, będącego czujnikiem wilgotności. Zmiany pojemności są mierzone układem elektronicznym i są przeliczane z wykorzystaniem charakterystyk kalibracyjnych higrometru na pomiar wilgotności względnej powietrza.

Wrażliwość cienkowarstwowego pojemnościowego czujnika wilgotności na warunki otoczenia

Czujniki cienkowarstwowe wilgotności, ze względu na swoja zasadę działania, nie są obojętne na warunki otoczenia, czyli temperaturę i wilgotność względną. Producenci czujników określają zwykle dopuszczalny obszar roboczy tych warunków oraz określają czas, po którym przebywając w tych warunkach, mogą zmieniać swoje właściwości pomiarowe, których objawem jest dryf pomiaru. Dryf, czyli powolne płynięcie wyniku pomiaru w górę, jest proporcjonalny do czasu przebywania czujnika w wyższej temperaturze i dużej wilgotności.

Czujniki cienkowarstwowe wilgotności względnej mają bardzo dobrą stabilność w normalnych warunkach pracy, dzięki czemu higrometry pracujące z ich wykorzystaniem nie wymagają adiustacji (potocznie: kalibracji) i wzorcowania z Laboratorium częściej niż raz na 2 lata. Przy temperaturze od około 40°C lub wilgotności względnej od około 80% RH (od ang.: relative humidity) proces starzenia czujników i dryf ich pomiarów wymaga odpowiednio częstszej adiustacji i wzorcowania. Na wykresie podano właściwości przykładowego czujnika cienkowarstwowego, przy czym pierwsza wartość czasu określa wymagany okres powtórnego serwisu w Laboratorium dla dopuszczalnego błędu bezwzględnego pomiaru +/- 2 % RH, a druga (w nawiasie) określa maksymalny czas dla dopuszczalnego błędu bezwzględnego pomiaru +/- 5 % RH.

Przeznaczenie czujnika wilgotności wymaga, aby podczas pracy kontaktował się on z otaczająca go atmosferą, chłonąc wilgoć z powietrza, a z nią (niestety) także inne zanieczyszczenia atmosferyczne. Zanieczyszczenia mechaniczne (drobiny kurzu) mogą „zapychać” pory polimerowego dielektryka czujnika wilgotności, pozostawiając mniej miejsca na drobiny wody. Powoduje to, że z czasem pomiar wilgotności przesuwa się w kierunku mniejszych wartości wilgotności tym szybciej, im atmosfera otaczająca czujnik wilgotności jest bardziej zapylona.

Co więcej, atmosfera otaczająca czujnik wilgotności zazwyczaj nie jest wolna od lotnych związków chemicznych, które mogą wchodzić w reakcję chemiczną z delikatną warstwą organicznego polimeru czujnika wilgotności, zmieniając charakterystykę pomiarową w nieprzewidywalny sposób.

Szkodliwe warunki pracy dla cienkowarstwowych pojemnościowych czujników wilgotności

Podczas całego procesu użytkowania, transportu i przechowywania higrometrów z cienkowarstwowymi czujnikami nadzoru wilgotności powietrza powinno się unikać wystawiania ich na wysokie koncentracje czynników chemicznych przez dłuższy okres czasu. Szkodliwe dla czujników wilgotności są takie substancje, jak:

• kleje (w tym silikonowe, epoksydowe i inne  odgazowujące w procesie schnięcia),
• adhezyjne taśmy klejące (np. typu Scotch Tape),
• pianki poliuretanowe,
• środki czyszczące,
• detergenty i rozpuszczalniki: alkohol izopropylowy, metanol, etanol, aceton, keteny, toluen itp.

Prawdziwym „kilerem” czujników wilgotności jest tlenek etylenu, który często jest wykorzystywany do sterylizacji sprzętu medycznego (szczególnie jednorazowego użytku), przypraw spożywczych oraz środków farmaceutycznych. Stosowany jest jako środek bakterio- i grzybobójczy (np. podczas konserwacji książek). Tlenek etylenu zabija drobnoustroje i równie szybko czujniki wilgotności.

Bardzo groźne dla czujników wilgotności są opary kwasów i zasad (np. HCl, H₂SO₄, HNO₃, NH₃ itp.) oraz H₂O₂ i ozon w wysokiej koncentracji, które degradują polimerowe warstwy urządzenia i mogą je nieodwracalnie zniszczyć. Stosowanie rozpuszczalników do czyszczenia czujników wilgotności może także prowadzić do dryfowania ich charakterystyk albo kompletnej awarii czujnika.

Podczas użytkowania higrometrów z cienkowarstwowymi czujnikami wilgotności należy zapewnić dobrą wentylację (świeże powietrze) w pomieszczeniach, aby uniknąć wysokich koncentracji lotnych chemikaliów.

Po wystawieniu higrometrów na ekstremalne warunki klimatyczne, opary chemiczne albo po kilkumiesięcznym składowaniu w zamkniętym szczelnie opakowaniu krzywa charakterystyczna czujnika wilgotności może się niekorzystnie zmienić.

W przypadku wystąpienia jednej z opisanych powyżej sytuacji należy poddać higrometry przeglądowi technicznemu w serwisie producenta oraz ponownej adiustacji i wzorcowaniu w akredytowanym Laboratorium Wilgotności, Temperatury i Ciśnienia LAB-EL.

Higrometry z cienkowarstwowym pojemnościowym czujnikiem wilgotności – serwisowa procedura regenerująca

Procedura regenerująca składa się z następujących etapów:

• odparowania lotnych zanieczyszczeń z czujnika wilgotności, które polega na wygrzewaniu urządzenia w temperaturze 110°C przez okres od 5 do 7 godzin,
• nawilżenia czujnika po ostudzeniu do temperatury pokojowej, które polega na wystawieniu urządzenia na wilgotność względną 80±10% na 16-24 godziny,
• adiustacji i wzorcowania w akredytowanym laboratorium.

Powyższa procedura regenerująca przeprowadzana dla higrometrów (kompletnych przyrządów z wmontowanymi czujnikami nadzoru wilgotności powietrza) wymaga wymontowania płytki z czujnikiem wilgotności z obudowy plastikowej przyrządu oraz wymontowania ewentualnych baterii i innych elementów wrażliwych na temperaturę z higrometru. Podczas procedury napięcia zasilające muszą być odłączone. Procedura regenerująca (a w szczególności wygrzewanie) może być prowadzona tylko w serwisie producenta w warunkach odpowiednio kontrolowanych i nie może być wykonywana przez użytkowników we własnym zakresie.

Procedura regenerująca usuwa tylko te zanieczyszczenia, które nie weszły jeszcze w reakcję chemiczną z powłokami polimerowymi czujnika wilgotności. W przypadku nieodwracalnego uszkodzenia powłok agresywnymi substancjami wymagana jest wymiana w higrometrze czujnika wilgotności na nowy egzemplarz oraz adiustacja i wzorcowanie w akredytowanym laboratorium.