Affrontare la sfida di misurare punti di rugiada molto bassi con un igrometro a specchio raffreddato

Fase 1 - La sfida

Un igrometro a specchio raffreddato è uno strumento di riferimento essenziale per le calibrazioni dell'umidità in tracce. Misura direttamente la formazione di condensa su una superficie a specchio. Garantire che la formazione della condensa sia il più ripetibile possibile è la base su come viene effettuata la misurazione.

Senza raffreddamento esterno, l'attuale specifica finale a secco per gli igrometri a specchio raffreddati è di 90 °C di punto di gelo, che equivale a circa 95 ppb. La sfida era quella di estendere questa capacità a -100 °C frost point, o circa 14 ppb.

Esistono igrometri a specchio raffreddati che offrono questa capacità, ma si basano su un raffreddamento esterno che li rende ingombranti. L'estensione della gamma inferiore degli igrometri a specchio raffreddati internamente permette la capacità di fondo degli Istituti Nazionali di Metrologia nazionali di metrologia e di altri laboratori accreditati in tutto il mondo di andare oltre il limite del punto di congelamento di -90 °C, aiutando la comunità nel suo complesso a fare un passo avanti in termini di sicurezza e sicurezza. aiutando l'intera comunità a fare il passo successivo in termini di misurazioni ripetibili e riproducibili agli estremi della gamma punto di rugiada/punto di gelo.

Senza raffreddamento esterno, l'igrometro a specchio raffreddato era in grado di raffreddarsi sufficientemente per ottenere uno uno strato di condensa stabile a -100 °C. Ciò che i nostri ingegneri hanno bisogno di esplorare ulteriormente sono stati:

La misura della temperatura nel punto in cui lo strato di condensa e la quantità d'acqua nel percorso del flusso quando sono in equilibrio erano fondamentali. Sapevano che dovevano esaminare il PRT (termistore a resistenza di platino) che effettuava quella misurazione e quali miglioramenti potevano essere apportati ad esso e alla sua installazione.

Dai precedenti tentativi di risolvere il problema, gli ingegneri sapevano che l'unità attuale avrebbe misurato fino al livello richiesto. Infatti, un'unità era stata precedentemente calibrata a -100 °Cdp da NPL, il che ha evidenziato alcuni dei problemi di ripetibilità che dovevano essere risolti. C'era una forte correlazione tra il valore misurato e la portata del campione.

Nonostante le sfide, risolvere il problema di estendere la specifica dell'estremità secca dello specchio refrigerato era essenziale. Non solo avrebbe permesso loro di estendere il loro accreditamento UKAS fino al livello del punto di congelamento di -100 °C, ma avrebbe beneficiato direttamente i clienti con un miglioramento delle prestazioni a secco dei loro strumenti calibrati.

Fase 2 - Il prototipo

Come prima fase, abbiamo sviluppato un prototipo di igrometro a specchio raffreddato, basato sul design precedente, ma con una testa di misurazione aggiornata e un percorso di flusso del gas per garantire che la formazione della condensa fosse il più possibile ripetibile. I test precedenti al NPL, utilizzando il finanziamento di Measurement for Recovery, hanno contribuito a questa evoluzione del progetto.

La specifica di fine secco del prototipo di specchio raffreddato era di -100 °C di punto di gelo (circa 14 ppb). Con la capacità di raffreddamento disponibile, avevano la possibilità di uno strato di condensa stabile a -100 °C.

Anche se stavamo testando i prototipi nel nostro stabilimento di produzione di Ely, abbiamo voluto coinvolgere il gruppo NPL Humidity Measurement and Standards. La competenza di NPL ha fornito le informazioni finali necessarie per il design aggiornato della testa di misura.

Con il coinvolgimento di NPL e l'uso delle loro strutture, conoscenze e attrezzature, i nostri sviluppatori sono stati in grado di convalidare il progetto senza dover coinvolgere una terza parte come sito di beta testing.

Come ha spiegato il product manager Richard Gee, "Non credevamo di poter svolgere il lavoro necessario in tempo per darci la fiducia nella nostra riprogettazione per lanciare il prodotto nella sua attuale iterazione. Con l'aiuto di NPL, abbiamo ridotto il time to market di almeno tre mesi".

Perché è importante misurare accuratamente i punti di rugiada bassi

Gli igrometri a specchio raffreddato sono utilizzati come riferimento nei laboratori commerciali per la calibrazione dell'umidità in tracce e del punto di rugiada di molti strumenti e sensori, come i trasmettitori del punto di rugiada. Migliorare le specifiche del punto di rugiada di questo riferimento assicurerà un'affidabilità extra per questi strumenti calibrati ai loro campi di misura più bassi.

Come funziona un sensore a specchio raffreddato

Gli igrometri a specchio raffreddato sono strumenti di precisione per applicazioni critiche di misurazione e controllo. I sensori a specchio raffreddato misurano una caratteristica primaria dell'umidità - la temperatura alla quale si forma la condensa su una superficie. Questo significa che gli strumenti a specchio raffreddato sono intrinsecamente ripetibili, dando risultati affidabili ogni volta.

Il sensore a specchio raffreddato consiste in uno specchio a temperatura controllata e in un sistema avanzato di rilevamento ottico. Un campione di gas viene fatto passare nell'alloggiamento del sensore e scorre sulla superficie dello specchio raffreddato contenuto all'interno. Ad una temperatura che dipende dal contenuto di umidità nel gas e dalla pressione operativa, l'umidità nel gas si condensa sulla superficie dello specchio. Un sistema ottico viene utilizzato per rilevare il punto in cui ciò avviene, e questa informazione viene utilizzata per controllare la temperatura dello specchio e mantenere uno spessore costante dello dello strato di condensazione sulla superficie dello specchio.

In un punto di equilibrio, dove il tasso di evaporazione e quello di condensazione sulla superficie dello specchio sono uguali, la temperatura dello specchio rappresenta il punto di rugiada.

Caption: 'Il diagramma semplificato mostra gli elementi chiave di un sensore a specchio raffreddato'