Tekniker för daggpunktsmätning och deras prestandaskillnader i tryckluftstillämpningar

De vanligaste problemen med daggpunktssensorer i tryckluft har ofta att göra med följande: 

• Svarstid 
• Mätvärdets tillförlitlighet 
• Återhämtning från vattenspikar eller kondensation 
• Exponering för kompressorolja

För att bättre förstå dessa utmaningar är det värt att först undersöka prestandaskillnaderna mellan de vanligaste sensorteknikerna.

Tekniker med kyld spegel kan erbjuda den högsta noggrannheten över ett brett område av daggpunkter. Driftsprincipen bygger på den grundläggande definitionen av daggpunkt – att kyla en viss volym luft tills kondensation uppstår. Ett gasprov passerar över en metallisk spegelyta som kyls av en kylare. Sedan riktas ljus mot spegeln, vilket gör att en optisk sensor kan mäta mängden reflekterat ljus. När spegeln har kylts ner till den punkt då kondens börjar bildas på dess yta (dvs. daggpunkten har uppnåtts), minskar mängden ljus som reflekteras av spegeln, vilket i sin tur detekteras av den optiska sensorn. Nedkylningshastigheten regleras sedan noggrant av en temperatursensor på spegeln. När jämvikt har uppnåtts mellan avdunstning och kondensation är spegeltemperaturen lika med daggpunkten. På grund av den optiska mätprincipen som används med den kylda spegeln är sensorn mycket känslig för förekomst av smuts, olja, damm och andra föroreningar på spegelytan. Noggranna enheter med kylda speglar tenderar att vara dyra och används ofta när absolut noggrannhet är avgörande och frekvent underhåll och rengöring kan utföras.

Nästa alternativ är kapacitiva metalloxidsensorer, inklusive aluminiumoxidteknik, vilka är konstruerade för mätning av mycket låga daggpunkter i industriella processer. Även om de material som används vid konstruktionen kan variera, förblir sensorstrukturen och funktionsprincipen generellt sett desamma. Dessa kapacitiva sensorer är uppbyggda i flera lager, vilka omfattar ett substratbaslager, en undre elektrod, ett hygroskopiskt metalloxidlager i mitten och en övre elektrod som släpper igenom vatten. Kapacitansen mellan den övre och undre elektroden förändras beroende på mängden vattenånga som absorberas av metalloxidlagret (kondensatorns dielektrikum), vilket är en funktion av daggpunkten. Även om de ger utmärkt mätnoggrannhet vid låga daggpunkter på -100 °C och lägre tenderar de att ha bristande långtidsstabilitet i processer med varierande daggpunkter vid högre nivåer (t.ex. kylmedelstorkade system). Metalloxidsensorer kan också lätt skadas av hög fuktighet och kondens. Denna drift i utgångsavläsningen innebär att kalibrering måste utföras ofta, och detta kan vanligtvis endast göras i tillverkarens kalibreringslaboratorium.

Den sista sensortypen är kapacitiva polymersensorer, vilka ger noggranna mätningar över ett brett fuktighetsintervall och dessutom erbjuder utmärkt stabilitet på lång sikt. Sedan januari 1997, då Vaisala lanserade den första polymersensorn för daggpunktsmätningar, har DRYCAP®-teknik använts i en mängd olika industriella och meteorologiska tillämpningar. Nya innovationer har gjort det möjligt att använda polymersensorer även i tillämpningar med låg daggpunkt. Den kapacitiva funktionsprincipen liknar den för metalloxid, men finns det några viktiga skillnader. Utöver den uppenbara materialskillnaden i det hygroskopiska lagret (polymer i stället för metalloxid) är en kapacitiv polymersensor även sammanbunden med en resistiv temperatursensor. Polymersensorn mäter fuktigheten (mängden vattenmolekyler i den uppmätta gasen) som relativ luftfuktighet (RH), medan temperatursensorn mäter polymersensorns temperatur. Utifrån dessa två värden beräknar mikroprocessorn i transmitterns elektronik daggpunktstemperaturen. En automatisk kalibreringsfunktion, som också har utvecklats av Vaisala, används för att mäta korrekta daggpunktsvärden under mycket torra förhållanden med hjälp av polymersensorn. När den relativa luftfuktigheten närmar sig noll kan även små förändringar i fuktighet resultera i ganska stora förändringar i daggpunktsvärdena. Daggpunkter på till exempel -40 °C och -50 °C vid rumstemperatur motsvarar relativa luftfuktigheter på 0,8 % RH respektive 0,3 % RH. Med den typiska noggrannhetsspecifikationen på ±2 % RH för polymersensorer kan en daggpunktsnoggrannhet på ±2 °C uppnås ned till -9 °C. Automatisk kalibrering utökar denna noggrannhet på ±2 °C till att gälla ända ner till -80 °C.

Under den automatiska kalibreringen värms sensorn, som sedan får svalna, medan fuktigheten och sensoravläsningarna registreras och plottas. Dessa data analyseras och används för att justera avläsningen av fuktighetssensorn. 

Nyckeln till denna noggranna kalibrering är att sensorns mätvärde är ekvivalent med relativ luftfuktighet (RH), vilken förändras i förhållande till temperaturen. Detta välkända fysiska samband gör att den automatiska kalibreringen kan utvärdera om den låga fuktighetsavläsningen vid 0 % RH är korrekt. Eventuell drift korrigeras sedan automatiskt av mikroprocessorn. Detta resulterar i en noggrannhet som är bättre än ±2 ºC även vid låga daggpunkter. 

Polymerteknik, som är resultatet av många års tester och noggrant materialval, i kombination med intelligent elektronik erbjuder en högpresterande lösning för tillämpningar där minimalt underhåll krävs för daggpunkttransmittern.