Messung sehr niedriger Taupunkte mit einem Taupunktspiegel-Hygrometer als Herausforderung

Phase 1 - Die Herausforderung

Ein Taupunktspiegel-Hygrometer ist ein unentbehrliches Referenzinstrument für Spuren- und Feuchtekalibrierungen. Es misst direkt die Bildung von Kondensat auf einer verspiegelten Oberfläche. Die Grundlage für die Messung ist die Sicherstellung, dass die Bildung des Kondensats so reproduzierbar wie möglich ist. wie die Messung durchgeführt wird.

Ohne externe Kühlung liegt die derzeitige Trockenendspezifikation für Taupunktspiegel-Hygrometer bei 90 °C Frostpunkt, was etwa 95 ppb entspricht. Die Herausforderung bestand darin, diese Fähigkeit auf -100 °C Frostpunkt oder etwa 14 ppb zu erweitern.

Taupunktspiegel-Hygrometer, die diese Fähigkeit bieten, gibt es bereits, sie sind jedoch auf eine externe Kühlung angewiesen, was sie unhandlich macht. Durch die Erweiterung des unteren Bereichs von innengekühlten Taupunktspiegel-Hygrometern können die nationalen Metrologie Instituten und anderen akkreditierten Laboratorien auf der ganzen Welt über die Frostpunktgrenze von -90 °C hinaus und hilft der Gemeinschaft insgesamt den nächsten Schritt in Bezug auf wiederholbare, reproduzierbare Messungen an den Extremen des Taupunkt-/Frostpunktbereichs zu machen.

Ohne externe Kühlung konnte das Taupunktspiegel-Hygrometer ausreichend kühlen, um eine stabile Kondensatschicht bei -100 °C zu erreichen. Was unsere Ingenieure weiter erforschen müssen, sind:

Die Temperaturmessung an dem Punkt, an dem sich die Kondensatschicht und die Wassermenge im Strömungsweg im Gleichgewicht befinden, war entscheidend. Sie wussten, dass sie den PRT (Platin-Widerstandsthermistor), der diese Messung vornimmt, selbst untersuchen und prüfen mussten, welche Verbesserungen an ihm und seiner Installation vorgenommen werden konnten.

Aus früheren Versuchen, das Problem zu lösen, wussten die Ingenieure, dass das derzeitige Gerät den erforderlichen Wert erreichen würde. In der Tat, Ein Gerät war zuvor von NPL bei -100 °Cdp kalibriert worden, was einige der Wiederholbarkeitsprobleme aufzeigte, die es zu lösen galt. Es bestand eine starke Korrelation zwischen dem gemessenen Wert und dem Probendurchsatz.

Trotz der Herausforderungen war die Lösung des Problems der Erweiterung der Spezifikation für das trockene Ende des Kühlspiegels von entscheidender Bedeutung. Sie würde es nicht nur ermöglichen, die UKAS-Akkreditierung bis zum Frostpunkt von -100 °C zu erweitern, sondern auch den Kunden direkt zugute kommen durch eine verbesserte Trockenlaufleistung ihrer kalibrierten Instrumente.

Phase 2 - Der Prototyp

In einem ersten Schritt entwickelten wir einen Prototyp eines Taupunktspiegel-Hygrometers, der auf dem vorherigen Design basierte, jedoch mit einem aktualisierten Messkopf und Gasströmungsweg, um um sicherzustellen, dass die Bildung des Kondensats so reproduzierbar wie möglich ist. Frühere Tests bei NPL, die im Rahmen der Finanzierung von Measurement for Recovery durchgeführt wurden, trugen zu dieser Weiterentwicklung des Designs bei.

Die Trockenspezifikation des Prototyp-Kühlspiegels war -100 °C Frostpunkt (ca. 14 ppb). Mit der verfügbaren Kühlkapazität war eine stabile Kondensatschicht bei -100 °C möglich.

Obwohl wir die Prototypen in unserer Produktionsstätte in Ely testeten, wollten wir die NPL Humidity Measurement and Standards Group einbeziehen. Das Fachwissen von NPL lieferte die endgültigen Informationen, die für das aktualisierte Messkopfdesign benötigt wurden.

Mit der Beteiligung von NPL und der Nutzung ihrer Einrichtungen, ihres Wissens und ihrer Ausrüstung, waren unsere Entwickler in der Lage, das Design zu validieren, ohne eine dritte Partei als Betateststelle einbeziehen zu müssen.

Produktmanager Richard Gee erklärte: "Wir glaubten nicht, dass wir die notwendigen Arbeiten rechtzeitig durchführen könnten, um das Vertrauen in unser Redesign zu gewinnen und das Produkt in seiner aktuellen Version auf den Markt zu bringen. um das Produkt in seiner jetzigen Form auf den Markt zu bringen. Mit Hilfe von NPL konnten wir die Zeit bis zur Markteinführung um mindestens drei Monate verkürzen.

Warum die genaue Messung niedriger Taupunkte wichtig ist

Taupunktspiegel-Hygrometer werden in kommerziellen Labors als Referenz für Spurenfeuchte- und Taupunktkalibrierungen vieler Instrumente und Sensoren verwendet, wie z. B. Taupunkt-Transmittern. Die Verbesserung der Spezifikationen für das trockene Ende dieser Referenz gewährleistet zusätzliche Zuverlässigkeit für diese kalibrierten Instrumente in ihren unteren Messbereichen.

Wie ein Kühlspiegelsensor funktioniert

Taupunktspiegel-Hygrometer sind Präzisionsinstrumente für kritische Mess- und Regelanwendungen. Kühlspiegelsensoren messen ein Hauptmerkmal von Feuchtigkeit - die Temperatur, bei der sich Kondensation auf einer Oberfläche bildet. Dies bedeutet, dass Kühlspiegelgeräte von Natur aus wiederholbar sind und jedes Mal zuverlässige Ergebnisse liefern.

Der Kühlspiegelsensor besteht aus einem temperaturgesteuerten Spiegel und einem fortschrittlichen optischen Erkennungssystem. Eine Gasprobe wird in das Sensorgehäuse geleitet und strömt über die Oberfläche des darin enthaltenen Kühlspiegels. Bei einer Temperatur, die vom Feuchtigkeitsgehalt des Gases und dem Betriebsdruck abhängt, kondensiert die Feuchtigkeit des Gases an der Oberfläche des Spiegels aus. Ein optisches System erkennt den Punkt, an dem dies geschieht, und diese Information wird zur Steuerung der Spiegeltemperatur und zur Aufrechterhaltung einer konstanten Dicke der der Kondensationsschicht auf der Spiegeloberfläche.

An einem Gleichgewichtspunkt, an dem die Verdampfungsrate und die Kondensationsrate an der Spiegeloberfläche gleich sind, stellt die Spiegeltemperatur den Taupunkt dar.

Beschriftung: 'Vereinfachtes Diagramm zeigt die Hauptelemente eines Kühlspiegelsensors'