Problem precyzyjnego pomiaru wilgotności w pieczarkarni

• lepsza stabilizacja wilgotności
• niższe koszty
  

Precyzyjna regulacja temperatury i wilgotności w hali uprawowej pieczarki często sprawia sporo kłopotu. Dlaczego tak się dzieje?

Rozróżnia się zasadniczo 2 typy psychrometrów:

Psychrometr Augusta – psychrometr stosowany do pomiaru wilgotności w pomieszczeniach, w których ruch powietrza wywołany jest tylko konwekcją naturalną. Korzystając z tego psychrometru wilgotność względną powietrza RH odczytuje się z tabeli lub z wykresu psychrometrycznego lub oblicza ze wzoru psychrometrycznego:



gdzie:
t_s – temperatura wskazywana przez termometr suchy (nr 1),
t_m – temperatura wskazywana przez termometr mokry (nr 2),
p_sm – ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze t_m,
p_ss – ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze t_s,
p_b  – ciśnienie powietrza w którym przeprowadzany jest pomiar,
A  – stała psychrometryczna.




Psychrometr Assmanna – psychrometr będący udoskonaleniem psychrometru Augusta tak, że dodano wentylator wymuszający przepływa powietrza wokół termometrów ze stałą prędkością 2,5 m/s. Psychrometr ten wraz z dokładnymi termometrami zapewnia dobrą dokładność pomiarów. Wentylator wymuszający przepływ powietrza wokół termometrów może być napędzany wentylatorem elektrycznym.

Na podstawie badań ustalono empiryczny wzór dla stałej psychrometrycznej dla powietrza:

 
gdzie w jest prędkością przepływu powietrza. Zależność stałej psychrometrycznej od prędkości przepływu powietrza przedstawiono na wykresie poniżej:

Na podstawie powyższych zależności można sformułować porady, jak uzyskać dokładne pomiary wilgotności psychrometrem:

1.  Najważniejszy problem to precyzyjny pomiar różnicy psychrometrycznej, czyli różnicy pomiędzy temperaturą termometru suchego t_s i mokrego t_m. Przykładowo:

• dla t_s = 20,0°C i t_m = 19,0°C, obliczona RH wynosi 90,6%,
• dla t_s = 20,0°C i _tm = 19,1°C, obliczona RH wynosi 91,5%,

czyli zmiana różnicy wskazań o 0,1°C przekłada się na różnicę zmierzonej wilgotności względnej o 0,9 % RH. W regulatorach LAB-EL wewnętrzna dokładność pomiaru temperatury wynosi 0,01°C, stąd błąd pomiaru wilgotności względnej nie powinien przekraczać 0,2% RH.

2.  Ważny problem to zapewnienie właściwego zwilżenia knota wokół termometru mokrego. Stosowana woda powinna być destylowana lub przegotowana tak, aby zminimalizować osadzanie się minerałów i kamienia na knocie, który utrudnia podciąganie wody przez knot. Knot powinien być bawełniany, dobrze nasiąkający wodą. Brak dobrego nawilżenia to błąd pomiaru termometru mokrego, dlatego knot powinien być często wymieniany.

3.  Kolejny problem to zapewnienie stabilnego przepływu powietrza wokół psychrometru. Dla pomiarów w pomieszczeniach bez wymuszonego przepływu, zwykle przyjmuje się prędkość powietrza w = 0,5 m/s, wówczas stała psychrometryczna wynosi A = 0,000785 1/°C. Ale w praktyce prędkość ruchu powierza jest zmienna. Przykładowo dla t_s = 20°C i t_m = 19°C:

• dla w = 0,2 m/s - A = 0,00090 1/°C, zmierzona RH wyniesie 90,1%,
• dla w = 0,5 m/s - A = 0,00078 1/°C, zmierzona RH wyniesie 90,6%,
• dla w = 1 m/s - A = 0,00072 1/°C, zmierzona RH wyniesie 90,9%,
• dla w = 2 m/s - A = 0,00068 1/°C, zmierzona RH wyniesie 91,1%.

Zaradzić temu można tylko poprzez zastosowanie dodatkowej obudowy psychrometru z wentylatorem zapewniającym stabilną prędkość przepływu powietrza wokół czujników (czyli zastosowanie psychrometru Assmanna zamiast psychrometru Augusta).

4.  W czujnikach elektronicznych temperatury występuje zjawisko samonagrzewania wynikające z przepływu prądu pomiarowego przez sensor czujnika, który w przypadku regulatorów LAB-EL wynosi około 150 µA (mikroamperów). Dla rezystancji czujnika około 12 kΩ i dla 20°C daje to wydzielanie mocy na sensorze około 280 µW (mikrowatów). Może to powodować zmianę wyniku pomiaru do 0,1°C zależną od prędkości przepływu powietrza wokół czujników. Na szczęście różnica psychrometryczna nie ulega istotnej zmianie, ponieważ samonagrzewanie wywołuje wzrost temperatury zarówno suchego, jak i mokrego termometru. Zmniejszyć ten wpływ można zwiększając prędkość przepływu powietrza i stabilizując jego prędkość wentylatorem zainstalowanym w obudowie psychrometru.

5.  Należy przypomnieć, że wilgotność względna RH, która w większości pieczarkarni jest podstawowym kryterium regulacji, silnie zależy od temperatury. Przykładowo, dla 20°C i dla wilgotności względnej 90%, spadek temperatury mierzonej o 0,5°C (do 19,5°C) spowoduje wzrost mierzonej wilgotności względnej do 92,8% (czyli prawie o 3% !). W tym przypadku układ regulacji wilgotności będzie niepotrzebnie chciał osuszać, mimo że wilgotność bezwzględna pozostaje bez zmian. Radą na to jest wprowadzona w regulatorach LB-762 LAB-EL stabilizacja wilgotności w/g tak zwanej „wilgotności przewidywanej”, (okno „Ustawienia sprzętowe”, zakładka „Klimatyzacja”), co w praktyce oznacza regulację w/g wilgotności bezwzględnej i uniezależnienie regulacji wilgotności od chwilowych wahań temperatury. Przeciwnie, regulacja w/g „Odczytu bieżącego” oznacza regulacje w/g wilgotności względnej ze wszelkimi jej wadami.

6.  Aby zwiększyć wiarygodność pomiaru wilgotności można zastosować oferowane opcjonalnie przez LAB-EL po dwa psychrometry w każdej hali i porównywać wyniki ich pomiarów oraz je uśredniać.

7.  Aby zabezpieczyć się przed awariami wentylatorów zapewniających wymuszony przepływ powietrza w psychrometrach, można zastosować oferowane przez LAB-EL kontrolery wentylatora psychrometru LB-768 - dodatkowe układy elektroniczne nadzorujące poprawną pracę tych wentylatorów i sygnalizujące stan zacięcia się wentylatora.

8.  Dokładność pomiaru wilgotności psychrometrem w zasadniczy sposób zależy od okresowej kalibracji wskazań czujników, która polega na porównaniu z termometrem wzorcowym i wyrównaniu wskazań pomiarów obu czujników temperatury wchodzących w skład psychrometru. Można to przeprowadzić umieszczając oba czujniki psychrometru i wzorcowy termometr w naczyniu z wodą o temperaturze około 20°C i intensywnie mieszaną. Sposób kalibracji w regulatorach LAB-EL wskazań pomiaru temperatury jest opisany w instrukcji regulatora LB-762. Zgodnie z tym, co podano w punkcie 1, różnica wskazań pomiędzy oboma czujnikami psychrometru o 0,1°C może spowodować błąd pomiaru wilgotności względnej o 0,9% RH, dlatego szczególną uwagę należy zwrócić na wyrównanie ich wskazań.

9.  Psychrometry pracują w trudnych warunkach wysokiej wilgotności, a często i wysokiej temperaturze zwłaszcza, jeżeli był wykonywany proces gotowania hali uprawowej, co powoduje ich naturalne zużycie i pogorszenie pomiarów. Dlatego może okazać się konieczna okresowa wymiana psychrometru co kilka lat. Zalecana jest także wymiana psychrometrów na model LB-767CT o poprawionej konstrukcji (dostępny od połowy 2019 roku), o ile aktualnie eksploatowana wersja to LB-767CN. Przy wymianie psychrometrów należy także zwrócić uwagę na wybranie w regulatorze właściwego typu sondy z odpowiednią charakterystyką pomiarową sensorów termometrów (TK dla LB-767CT i LB-767AT, albo TN dla LB-767CN i LB-767AN).

10.  W praktyce często można spotkać się z próbą wymiany przez użytkowników samych psychrometrów bez wymiany całego kabla łączącego psychrometr z regulatorem. Niestety, kabel też może ulegać degradacji i co kilka lat powinien być wymieniony razem z psychrometrem. Jednak w przypadku podjęcia decyzji o wymianie samego psychrometru, szczególną uwagę należy zwrócić na właściwe polutowanie kabli i wykonanie szczelnych izolacji połączeń osobno dla każdego przewodu i dla całego kabla przy pomocy odpowiednio dobranych rurek termokurczliwych, bowiem wnikanie wody w połączenie powoduje upływności i zniekształci pomiar temperatury. Przykładowo, niezalecane jest wykonywanie połączeń za pomocą niezaizolowanych złączek WAGO, jak to pokazano na fotografii poniżej. Dodatkowo, w rurce z wodą i knotem psychrometru wdać zielone glony, co świadczy, że nie jest utrzymywany przez użytkownika w czystości.

11.  I na koniec najważniejszy problem: Jeżeli zastosujemy w pieczarkarni psychrometr bez obudowy, podwieszony (jak na fotografii powyżej) pod półką z podłożem, to z dużym prawdopodobieństwem można przypuszczać, że z półki nad psychrometrem kapie na niego woda oraz jest regularnie moczony podczas podlewania, w efekcie czego czujnik termometru suchego wcale nie jest suchy i pomiar temperatury oraz wilgotności jest zupełnie bez sensu.

12. Przeprowadzono test porównawczy działania psychrometru bez obudowy (tzw. psychrometr Augusta) z psychrometrem umieszczonym w obudowie z wymuszonym przewiewem (tzw. psychrometr Assmanna). Oba psychrometry były tego samego typu LB-767CT, obudowa typu LB-764M, pomiary przeprowadzono w pomieszczeniu w warunkach około 44% RH i 27°C, oba psychrometry zostały dołączone do regulatora LB-762 LAB-EL.

Oba psychrometry zostały skalibrowane w naczyniu z woda termometrem wzorcowym LB-565 z dokładnością 0,02°C. Między 720 a 1100 sekundą psychrometry zostały wyjęte z wody i umieszczone na stanowiskach testowych, a ich pojemniki zostały napełnione wodą destylowaną.  W 1110 sekundzie został włączony obieg powietrza w obudowie jednego psychrometru. Ustabilizowanie się pomiaru psychrometru w obudowie z wymuszonym obiegiem powietrza nastąpiło już około 1700 sekundy, natomiast ustabilizowanie się pomiaru psychrometru bez obudowy dopiero około 6000 sekundy, przy czym błąd pomiaru psychrometrem bez obudowy wynosił wtedy około 10%, a temperatury 0,5 °C, co widać na wykresach załączonych  poniżej.

Wniosek: Psychrometr bez obudowy ma duże opóźnienia wyników pomiarów i duży błąd pomiaru, więc nie nadaje się do precyzyjnego pomiaru i regulacji mikroklimatu w pieczarkarni. Dobre wyniki i dobrą regulacją zapewni tylko psychrometr w obudowie z wymuszonym przewiewem.

Reasumując najważniejsze spostrzeżenia:

• obudowa psychrometru z wentylatorem wymuszającym stały przepływ powietrza znacznie poprawia szybkość, dokładność i stabilność pomiaru oraz zabezpiecza suchy termometr przed zamoczeniem,
  
• zastosowanie regulacji w/g wilgotności bezwzględnej zmniejsza wahania regulacji wilgotności,
• psychrometry mogą wymagać okresowej wymiany na nowe.