Relever le défi de la mesure de points de rosée très bas avec un hygromètre à miroir froid

Etape 1 - Le défi

Un hygromètre à miroir refroidi est un instrument de référence essentiel pour les étalonnages d'humidité à l'état de traces. Il mesure directement la formation de condensation sur une surface réfléchissante. La façon dont la mesure est effectuée repose sur la garantie que la formation du condensat est aussi répétable que possible.

Sans refroidissement externe, la spécification actuelle de la fin sèche pour les hygromètres à miroir refroidi est de 90 °C de point de congélation, ce qui équivaut à environ 95 ppb. Le défi consistait à étendre cette capacité à un point de gel de -100 °C, soit environ 14 ppb.

Des hygromètres à miroir refroidi offrant cette capacité existent, mais ils reposent sur un refroidissement externe qui les rend encombrants. L'extension de l'entrée de gamme des hygromètres à miroir refroidi permet aux instituts nationaux de métrologie et à d'autres laboratoires accrédités dans le monde de dépasser la limite du point de givre de -90 °C, aidant ainsi la communauté dans son ensemble à franchir une nouvelle étape en termes de mesures répétables et reproductibles aux extrêmes de la gamme du point de rosée/point de givre.

Sans refroidissement externe, l'hygromètre à miroir refroidi était capable de refroidir suffisamment pour obtenir une couche de condensat stable à -100 °C. Ce que nos ingénieurs doivent explorer davantage étaient :

La mesure de la température au point d'équilibre entre la couche de condensat et la quantité d'eau dans le chemin d'écoulement était essentielle. Ils savaient qu'ils devaient se pencher sur la PRT (thermistance à résistance de platine) effectuant cette.

Grâce aux précédentes tentatives de résolution du problème, les ingénieurs savaient que l'unité actuelle mesurerait jusqu'au niveau requis. En effet , une unité avait précédemment été étalonnée à -100 °Cdp par NPL, ce qui a mis en évidence certains des problèmes de répétabilité qui devaient être résolus. Il y avait une forte corrélation entre la valeur mesurée et le débit de l'échantillon.

Malgré les difficultés, il était essentiel de résoudre le problème de l'extension de la spécification de la partie sèche du miroir refroidi. Cela leur permettrait non seulement d'étendre leur accréditation UKAS jusqu'au niveau du point de givre de -100 °C, mais également de faire profiter aux clients de l’amélioration des performances de la partie sèche de leurs instruments étalonnés.

Etape 2 - Le prototype

Dans un premier temps, nous avons développé un prototype d'hygromètre à miroir refroidi, basé sur la conception précédente mais avec une tête de mesure et un chemin d'écoulement de gaz mis à jour pour s'assurer que la formation du condensat était aussi répétable que possible. Des tests antérieurs au NPL, utilisant le financement de Measurement for Recovery, ont aidé à faire évoluer la conception.

La spécification de la partie sèche du prototype de miroir refroidi était un point de congélation de -100 °C (environ 14 ppb). Avec la capacité de refroidissement disponible, ils avaient la possibilité d'obtenir une couche de condensat stable à -100 °C.

Bien que nous testions les prototypes dans notre usine de fabrication d'Ely, nous avons voulu impliquer le groupe de mesure et de normes d'humidité du NPL. L'expertise du NPL a fourni les dernières informations nécessaires concernant la conception actualisée de la tête de mesure.

Grâce à la participation du NPL et à l'utilisation de ses installations, de ses connaissances et de ses équipements, nos développeurs ont pu valider la conception sans avoir besoin d'impliquer une tierce partie comme site de test bêta.

Comme l'a expliqué Richard Gee, chef de produit, "nous ne pensions pas pouvoir effectuer le travail nécessaire à temps pour nous donner la confiance dans notre nouvelle conception afin de... lancer le produit dans sa version actuelle. Grâce à l'aide de NPL, nous avons réduit le délai de mise sur le marché d'au moins trois mois.'

Pourquoi mesurer avec précision les points de rosée bas est important

Les hygromètres à miroir refroidi sont utilisés comme références dans les laboratoires commerciaux pour l'étalonnage des traces d'humidité et des points de rosée de nombreux instruments et capteurs, tels que les transmetteurs de point de rosée. L'amélioration de la spécification de la partie sèche de cette référence assurera une fiabilité supplémentaire pour ces instruments étalonnés à leurs gammes de mesure inférieures.

Comment fonctionne un capteur à miroir refroidi

Les hygromètres à miroir refroidi à point de rosée sont des instruments de précision destinés aux applications critiques de mesure et de contrôle. Les capteurs à miroir refroidi mesurent une caractéristique primaire de l'humidité - la température à laquelle la condensation se forme sur une surface. Cela signifie que ces instruments sont intrinsèquement répétables, donnant des résultats fiables à chaque fois.

Le capteur à miroir refroidi se compose d'un miroir à température contrôlée et d'un système de détection optique avancé. Un échantillon de gaz est introduit dans le boîtier du capteur et s'écoule sur la surface du miroir refroidi qu'il contient. À une température qui dépend de la teneur en humidité du gaz et de la pression de fonctionnement, l'humidité du gaz se condense sur la surface du miroir. Un système optique est utilisé pour détecter le point auquel cela se produit, et cette information est utilisée pour contrôler la température du miroir et maintenir une épaisseur constante de la couche de condensation sur la surface du miroir.

À un point d'équilibre, où le taux d'évaporation et le taux de condensation sur la surface du miroir sont égaux, la température du miroir représente le point de rosée.

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