Enfrentando o desafio de medir pontos de orvalho muito baixos com um higrômetro de espelho resfriado

A Michell Instruments fez uma parceria com o National Physical Laboratory (NPL) como parte de seu programa Measurement for Recovery (M4R) para desenvolver, testar e validar um higrômetro de espelho resfriado capaz de medir temperaturas de ponto de orvalho muito baixas, até -100 °C.

Etapa 1 - O desafio

Um higrômetro de espelho resfriado é um instrumento de referência essencial para calibrações de traços de umidade e umidade. Ele mede diretamente a formação de condensação em uma superfície espelhada. Garantir que a formação do condensado seja tão repetível quanto possível é a base para a forma como a medição é feita.

Sem resfriamento externo, a especificação atual de extremidade seca para higrômetros de espelho resfriado é de 90 °C de ponto de congelamento, o que equivale a aproximadamente 95 ppb. O desafio era estender essa capacidade até o ponto de congelamento de -100 °C, ou cerca de 14 ppb.

Existem higrômetros de espelho resfriado que oferecem essa capacidade, mas eles dependem de resfriamento externo, o que os torna volumosos. A ampliação da faixa inferior dos higrômetros de espelho resfriado internamente permite que a capacidade inferior dos Institutos Nacionais de Metrologia e de outros laboratórios credenciados em todo o mundo seja ampliada. Metrology Institutes e outros laboratórios credenciados em todo o mundo para ir além do limite do ponto de congelamento de -90 °C, ajudando a comunidade como um todo a dar o próximo passo em termos de segurança. toda a comunidade dê o próximo passo em termos de medições repetíveis e reproduzíveis nos extremos da faixa de ponto de orvalho/ponto de congelamento.

Sem resfriamento externo, o higrômetro de espelho resfriado foi capaz de resfriar o suficiente para atingir uma camada de condensado estável a -100 °C. O que nossos engenheiros precisam explorar mais foram:

  • a relação entre a formação de condensado e a dinâmica de fluxo resultante do projeto do cabeçote de medição
  • as propriedades do material do caminho do fluxo e a interface fria entre o motor Stirling e a superfície espelhada.
  • A medição da temperatura no ponto em que a camada de condensado e a quantidade de água no caminho do fluxo estavam em equilíbrio foi fundamental. Eles sabiam que precisavam examinar o PRT (termistor de resistência de platina) que fazia essa medição e quais melhorias poderiam ser feitas nele e em sua instalação.

    Com base em tentativas anteriores de solucionar o problema, os engenheiros sabiam que a unidade atual faria a medição até o nível necessário. De fato, uma unidade havia sido calibrada anteriormente a -100 °Cdp pela NPL, o que destacou alguns dos problemas de repetibilidade que precisavam ser resolvidos. Havia uma forte correlação entre o valor medido e a taxa de fluxo da amostra.

    Apesar dos desafios, era essencial resolver o problema de estender a especificação da extremidade seca do espelho resfriado. Isso não apenas permitiria que eles estendessem seu credenciamento UKAS até o nível de ponto de congelamento de -100 °C, mas também beneficiaria diretamente os clientes com um melhor desempenho da extremidade seca de seus instrumentos calibrados.

    Estágio 2 - O protótipo

    Como primeiro estágio, desenvolvemos um protótipo de higrômetro de espelho resfriado, baseado no projeto anterior, mas com um cabeçote de medição e um caminho de fluxo de gás atualizados para garantir que a formação do condensado fosse o mais repetível possível. Testes anteriores no NPL, usando o financiamento do Measurement for Recovery, ajudaram nessa evolução do projeto.

    A especificação da extremidade seca do protótipo do espelho resfriado era de -100 °C de ponto de congelamento (aproximadamente 14 ppb). Com a capacidade de resfriamento disponível, eles tinham a possibilidade de uma camada de condensado estável a -100 °C.

    Embora estivéssemos testando os protótipos em nossas instalações de fabricação em Ely, queríamos envolver o Grupo de Medição de Umidade e Padrões do NPL. A experiência do NPL forneceu as informações finais necessárias sobre o projeto atualizado do cabeçote de medição.

    Com o envolvimento do NPL e o uso de suas instalações, conhecimentos e equipamentos, nossos desenvolvedores puderam validar o projeto sem a necessidade de envolver terceiros como um local de teste beta.

    Como explicou o gerente de produtos Richard Gee, "Não acreditávamos que poderíamos realizar o trabalho necessário a tempo de nos dar a confiança necessária em nosso novo design para lançar o produto em sua iteração atual. Com a ajuda da NPL, reduzimos o tempo de lançamento no mercado em pelo menos três meses".

    Por que medir com precisão os pontos de orvalho baixos é importante

    Os higrômetros de espelho resfriado são usados como referências em laboratórios comerciais para calibrações de traços de umidade e ponto de orvalho de muitos instrumentos e sensores, como transmissores de ponto de orvalho. Melhorar a especificação da extremidade seca dessa referência garantirá mais confiabilidade para esses instrumentos calibrados em suas faixas de medição mais baixas.

    Como funciona um sensor de espelho resfriado

    Os higrômetros de ponto de orvalho com espelho resfriado são instrumentos de precisão para aplicações críticas de medição e controle. Os sensores de espelho resfriado medem uma característica primária da umidade - a temperatura na qual a condensação se forma em uma superfície. Isso significa que os instrumentos de espelho resfriado são inerentemente repetíveis, fornecendo sempre resultados confiáveis.

    O sensor de espelho resfriado consiste em um espelho com controle de temperatura e um sistema avançado de detecção óptica. Uma amostra de gás é passada para o compartimento do sensor e flui sobre a superfície do espelho resfriado contido nele. Em uma temperatura que depende do teor de umidade do gás e da pressão de operação, a umidade do gás se condensa na superfície do espelho. Um sistema óptico é usado para detectar o ponto em que isso ocorre, e essa informação é usada para controlar a temperatura do espelho e manter uma espessura constante da espessura constante da camada de condensação na superfície do espelho.

    Em um ponto de equilíbrio, em que a taxa de evaporação e a taxa de condensação na superfície do espelho são iguais, a temperatura do espelho representa o ponto de orvalho.

    O diagrama simplificado mostra os principais elementos de um sensor de espelho resfriado

    Caption: 'Diagrama simplificado mostra os principais elementos de um sensor de espelho resfriado'

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