Měření rosného bodu stlačeného vzduchu

Měření vlhkosti vzduchu se provádí za účelem zaznamenání specifických hodnot obsahu vlhkosti. Význam vlhkosti v průmyslu, biologii a medicíně se časem zvýšil. V mnoha výrobních procesech může vlhkost vzduchu rozhodujícím způsobem ovlivnit kvalitu výrobků. Proto je neustálé monitorování vlhkosti důležitým faktorem v průmyslové výrobě. Sušení stlačeného vzduchu a měření rosného bodu mohou být odlišné oblasti technologie, ale mnohé aspekty procesní a měřicí technologie jsou často úzce propojeny. Adsorpční sušení a měření rosného bodu se ideálně doplňují. S rostoucím rozšířením používání adsorpčních sušiček se měřicí technologie rosného bodu stane důležitějším nástrojem pro zlepšení monitorování, ekonomie, provozní bezpečnosti a spolehlivosti.

Zabývání se stlačeným nebo sušeným vzduchem je předmětem protichůdných názorů. Na jedné straně je nutné se vyhnout vysoké vlhkosti za všech okolností, ale na druhé straně by vzduch měl být sušen pouze do té míry, aby jeho absolutní vlhkost neovlivňovala systémy ani kvalitu produktu. Nízký obsah vlhkosti ve vzduchu se dosahuje za cenu vysokých provozních nákladů. Snažení přizpůsobit rosný bod výrobnímu procesu představuje optimální kompromis.

Výrobci čistých plynů nebo granulí z plastů, stejně jako meziproduktů, musí zaručovat kvalitu produktu v souvislosti s obsahem vlhkosti vzhledem k stále přísnějším požadavkům na kvalitu a odpovědnost za výrobky. Mnoho plastů, jako je polyester nebo modifikovaný polycarbonát, nesmí být zpracováváno, pokud obsah vlhkosti překračuje 0,01 %. Většina sušiček proto pracuje s bezpečnostní rezervou, aby se udržely v rámci zaručených zbytkových obsahů vlhkosti.

Zlepšené výkony sušiček, přesněji specifikované charakteristiky produktů a ekologické hledisko jsou rozhodujícími faktory při řízení vlhkosti. Vedle vyhýbání se příliš vysoké vlhkosti vzduchu se stává důležitým i vyhýbání se příliš nízké vlhkosti vzduchu. Pokud se například zmíněné polycarbonáty vysuší příliš, ztrácejí kvality, jako je izolace nebo lesk povrchu. Příliš vysoká úroveň sušení také vede ke změnám barvy nebo křehkosti materiálu.

Rosný bod označuje teplotu, při které dochází ke kondenzaci vody, když se vzduch ochladí na teplotu rosného bodu. Teplota rosného bodu ve stupních Celsia je vzhledem k absolutní vlhkosti vzduchu obvykle nižší než teplota vzduchu. Pouze při relativní vlhkosti vzduchu 100 % jsou obě teplotní hodnoty identické.

Z tohoto důvodu je rozdíl mezi teplotou rosného bodu a teplotou vzduchu, známý také jako mezera teploty rosného bodu, velmi významným ukazatelem pro včasné varování před tvorbou kondenzované vody.

Absolutní vlhkost vzduchu nebo skutečný obsah vodní páry ve vzduchu je nezávislý na teplotě. Pro všechny výrobní postupy, kde je nutné sledovat vypadávání vody ze vzduchu, je rozhodující právě tato teplota rosného bodu.

Dříve, než mohlo být měření rosného bodu účinně použito pro řídicí systémy sušiček, musela být ujita dlouhá a náročná cesta k dosažení současného stavu techniky.

Senzory pro měření vlhkosti vzduchu existují přibližně 400 let. Hodnota relativní vlhkosti (RH), kterou měřily, byla dlouhou dobu považována za neproblematickou, protože měření nejvyšší přesnosti byla požadována pouze v omezené míře. Samotný koncept relativní vlhkosti již naznačuje závislost tohoto parametru na druhé základní hodnotě podléhající silným kolísáním, teplotě vzduchu.

Rosný bod byl dříve stanoven pomocí jednoduchého měřidla vlhkosti vzduchu, jako je vlhkoměr. Tento přístroj však vyžadoval neustálou údržbu a regeneraci, protože jinak byly možné chyby čtení až 20 %. Kvůli silné závislosti na teplotě byla indikovaná hodnota platná pouze pro aktuální teplotu na místě měření.

Vlhkoměr například ukazuje různé hodnoty v závislosti na tom, zda je umístěn blízko zdroje tepla nebo namontován na chladné zdi, ačkoli absolutní vlhkost vzduchu v dané místnosti je stejná. V mnoha případech nemá fyzikální smysl měřit relativní vlhkost vzduchu, protože z hlediska procesní technologie musí být sledován skutečný obsah vodní páry ve vzduchu, nezávisle na teplotě v daném okamžiku.

S rostoucími požadavky na kvalitu v průmyslu byla měření RH stále více vnímána jako nepřesná metoda měření, spojená s náročnou instalací a údržbou. K tomu přistupovala obtížná rekvalibrace senzorů, která musela být často prováděna.

Vývoj měřicího prvku lithný chlorid (LiCl) otevřel cestu pro přesnější určení skutečného obsahu vodní páry ve vzduchu a dalších plynech.

Princip měření spočívá ve zahřívání hygroskopického lithného roztoku na měřicím prvku tak dlouho, dokud není dosaženo rovnováhy tepelné výměny mezi roztokem LiCl a okolním vzduchem, takže částečný tlak vody nad roztokem LiCl je také identický s tím v okolním vzduchu. Teplota lithného roztoku, která je dosažena při dosažení tohoto stavu rovnováhy, představuje přímé měření absolutní vlhkosti vzduchu. Měřicí prvek LiCl se skládá z tenké skleněné trubice, přes kterou byla navlečena speciálně připravená hadička ze skleněné vaty po namočení do speciálního roztoku LiCl. Dva drahé kovy izolované jeden od druhého jsou navinuty kolem hadičky ze skleněné vaty. Na svobodné konce je přiveden střídavý proud 24 voltů, což způsobí průtok proudu skrz roztok LiCl. Teplo generované proudem odpařuje vlhkost a tvoří se krystaly, takže se snižuje vodivost a tím i proud. Roztok LiCl znovu začne z vzduchu absorbovat vlhkost, obnoví se ohřev, dokud není dosaženo rovnovážného stavu při určité teplotě.

Teplota měřená pomocí teploměru určuje hodnotu absolutní vlhkosti. Ani vlhkoměr, ani měřicí prvek LiCl neposkytly technicky proveditelné řešení, které by mohlo být využito pro řízení adsorpčních sušiček. Další úsilí bylo vynaloženo na nalezení univerzálního a přesně fungujícího systému měření vlhkosti platného v náročných provozních podmínkách. Inženýři hledali vhodný senzor rosného bodu.

Rozhodující krok vpřed nastal v roce 1968, kdy David Chleck, americký inženýr, požádal o světový patent na senzor vlhkosti z oxidu hliníku, pokrytý zlatem metodou naprašování. Poprvé tento měřicí senzor poskytl absolutní měřicí charakteristiky a eliminoval rušivé teplotní a hysterézní efekty.

Obecně vzato, měření vlhkости je obtížnější než měření teploty, tlaku, délky nebo hmotnosti. Mnoho rušivých faktorů je schopno ovlivnit výměnný mechanismus mezi sušenými látkami (stlačený vzduch) a povrchem pevné látky (povrch senzoru). Dnešní známá senzorová technologie byla testována a zdokonalována během vývoje.

Charakteristiky senzorů z oxidu hliníku splňují extrémní požadavky průmyslové aplikace. Odolávají škodlivým látkám nebo znečištění prachem, jsou nečitlivé vůči proudění, kondenzaci, vibracím nebo teplotním šokům a jsou dlouhodobě stabilní.

To vše přispělo k tomu, že procesní parametr vlhkost lze nyní přesně a bez větších problémů měřit jako univerzální ukazatel kvality. Pro sušení stlačeného vzduchu bude technologie měření vlhkosti hrát stále důležitější roli.

Technologie měření vlhkosti se opírá o fyzikální základy vlhkosti, které byly popsány jinde. Zde se zaměříme pouze na vysvětlení nezbytná pro pochopení měřených hodnot. Definice a jednotky v oblasti technologie měření vlhkosti nejsou jednotné. Vlhkost plynu je například udávána v g/m3 nebo g/kg, ve výměrných poměrech nebo teplotách rosného bodu. V závislosti na oblasti použití jsou však určité definice preferovány z důvodu výhodných měřicích možností. Pro měření vlhkosti v plynech jsou to:

• obsah vlhkosti v teplotě rosného bodu
• obsah vlhkosti ve výměrných poměrech

Pokud se stanoví poměr mezi hmotností vody a hmotností plynu, nebo také mezi objemem vody a objemem daného plynu, získáváme čisté poměrové údaje. Zkratka ppm (parts per million, části na milion) se ukázala jako užitečná. Z důvodů měřicí techniky se v případě plynů používají výměrné podíly, ppmv.

Určení objemu vodní páry představuje značné obtíže. Na základě plynových zákonů se výměrný podíl ppmv určuje stanovením proporcionálního podílu tlaku vodní páry ve vztahu k celkovému tlaku.

Popis zařízení:
Monitorování úrovně vlhkosti v systému stlačeného vzduchu se provádí s ohledem na typ aplikace a zaznamenává se pomocí přístroje pro měření rosného bodu. Přístroj pro měření rosného bodu pro monitorování vlhkosti se ve své běžné formě skládá z kodéru hodnoty vlhkosti (senzor vlhkosti) s integrovanou elektronikou a senzoru měření vlhkosti. Obě jednotky jsou propojeny senzorovým vedením. V závislosti na požadavcích monitorované instalace je k terminálům měřicího přístroje pro vlhkost připojen plotter nebo vysílač signálu.

Měřicí přístroje rosného bodu se používají pro nepřetržité měření absolutní vlhkosti stlačeného vzduchu v měřicím rozsahu od -80°C do +20°C. Digitální indikace odkazuje na tlak pabs = 1 bar. Pro jiné provozní tlaky je nutná rekvalibrace (ověření) pro cílenou korekci hodnoty. Možnost výběru měřicího rozsahu umožňuje přesné přizpůsobení měření konkrétní aplikaci. Kodér měření vlhkosti se skládá z senzoru vlhkosti a integrované elektroniky. Skutečným měřicím prvkem je hliníkový válec, jehož čelní plocha je pokryta tenkou vrstvou porézního oxidu hliníku. Jako protielektroda je na toto nanášena velmi tenká vrstva zlata metodou naprašování.

V závislosti na úrovni částečného tlaku vodní páry proniká více či méně molekul vody do porézní vrstvy oxidu na senzoru. Změna vlhkosti způsobená tímto vede k změně schopnosti spotřeby energie v kodéru měření vlhkosti.

Kapacita senzoru je součástí oscilátoru (generátoru vibrací) integrovaného do senzoru a určuje jeho frekvenci. Pulzy proudu vysílané kodérem měřicích hodnot jsou převedeny na pulzy napětí a poté přeměněny na stejnosměrné napětí na vstupu měřicího přístroje. Linearizované napětí se stává digitálním čtením prostřednictvím převodníku a digitálního počítacího obvodu.

Celý kodér měření má charakteristický graf, který je linearizován. To zajišťuje vysokou úroveň přesnosti a jednoduchou adaptaci pro měnící se provozní parametry. Přednastavený limitní spínač pro vhodnou hodnotu teploty rosného bodu nebo obsahu vlhkosti signalizuje limitní hodnotu jako alarm nebo přepínací vlajku. Tyto signály jsou vydávány s 4 – 20 mA jako analogové výstupy.

Měření vlhkosti představuje komplexní výzvu, která je ztížena dvěma základními jevy: vysokým obsahem vlhkosti v běžném okolním vzduchu, který může dosahovat až 10 000 ppm, a sklonem vody k adsorpci kvůli její vysoké polaritě. Tyto faktory mohou vést k nesprávným měřením způsobeným malými úniky v potrubním systému nebo kvůli adsorpci na materiálu potrubí.

Instalace senzoru

Pro dosažení přesných měření vlhkosti je důležité umístit senzor uvnitř měřicí komory a alokovat jej na místo v síti stlačeného vzduchu, kde má být určen obsah vlhkosti. Přímá instalace měřicího senzoru do potrubí by měla být vyhnuta kvůli možným zkreslením čtení způsobeným znečištěním. Kontaminace v potrubí, jako je uhlík nebo olej, by měla být považována za dodatečné nosiče uložené vlhkosti, což vede ke zpomalení reakční doby indikace.

Měřicí potrubí

Materiál měřicího potrubí má zásadní vliv na adsorpci vlhkosti. Nevhodné materiály pro měřicí potrubí zahrnují především gumu nebo plasty s výjimkou PTFE. Pro teploty rosného bodu nad -25°C jsou vhodné mědi, hliník nebo mosaz. Pro teploty rosného bodu pod -50°C jsou ideálním materiálem nikl nebo nerezová ocel.

Vliv tlaku

Parciální tlak vodní páry stlačeného vzduchu se mění v poměru k absolutnímu tlaku monitorovaného plynu. Měření však není závislé na tlaku a senzor rosného bodu vždy ukazuje aktuálně panující teplotu rosného bodu v měřicím bodě bez nutnosti korekční hodnoty. Naopak, efekty adsorpce a desorpce způsobují větší zkreslení, čím nižší je teplota rosného bodu.

Vliv teploty

Teplota systému pro odběr vzorků musí být udržována konstantní, protože každá změna teploty vede ke změně v podmínkách adsorpce a tím dočasně k změně hodnot, které mají být měřeny.

Úniky

I nejmenší úniky do systému vždy způsobují nesprávná měření, protože okolní vlhkost obvykle mnohonásobně převyšuje obsah vlhkosti suchého plynu, který má být monitorován. Rozdíl mezi parciálním tlakem vodní páry uvnitř a vně potrubí způsobuje, že vlhkost proniká do potrubí s přepravovaným plynem, i když je pod tlakem.

Reakční doba indikace

Rychlost indikace měření závisí nejen na samotném senzoru, ale významně také na systému, do kterého je senzor instalován. Parametry, které rozhodujícím způsobem ovlivňují reakční dobu měření, zahrnují materiálové vlastnosti měřicího systému, rychlost toku monitorovaného plynu, teplotu měřicího potrubí, vliv znečištění a vliv změn vlhkosti v jakémkoli okamžiku.

Při návrhu systému pro měření vlhkosti je klíčové zohlednit tyto aspekty, aby bylo dosaženo co nejpřesnějších a nejspolehlivějších výsledků. Tato opatření minimalizují vliv zkreslujících faktorů a zajišťují, že měření vlhkosti bude co nejpřesnější a nejefektivnější.

Řízení rosného bodu představuje klíčovou součást efektivního využívání adsorpčních sušiček ve spojení s přístroji pro měření rosného bodu. Cílem je nejen monitorování, ale především efektivní řízení rosného bodu, což umožňuje dosáhnout značných úspor energie při sušení adsorpcí a zároveň snížit opotřebení zařízení způsobené příliš suchým stlačeným vzduchem.

Adsorpční sušičky v kombinaci s měřicím systémem vlhkosti umožňují zlepšení kvality stlačeného vzduchu až na hranice současných technických možností. Na rozdíl od tradičních časově závislých systémů nabízejí systémy řízené na základě rosného bodu proměnné cykly v závislosti na aktuálních podmínkách, jako jsou nasycení vlhkostí, rozdíly ve výtokovém objemu, teplotní nebo tlakové fluktuace.

Tradiční časově závislá řídicí systémy spouštějí regeneraci v pevně stanovených časových intervalech bez ohledu na aktuální stav zatížení sušicího materiálu. V kombinaci s měřicím systémem rosného bodu je možné dosáhnout kontinuálního a bezstupňového nastavení regenerace adsorpčních sušiček, přesně sladěného s požadovaným rosným bodem.

Elektronické programovatelné systémy, propojené s měřicím přístrojem vlhkosti, dokáží detekovat změny provozních podmínek, vyhodnotit je a přenést je jako zabezpečené signály. Tímto způsobem je každé částečné zatížení adsorpční sušičky přímo převedeno na prodloužení adsorpčního období, zatímco doba desorpce zůstává konstantní. Úspora energie pro desorpci vychází z rozdílu mezi proměnnou dobou adsorpce a konstantní dobou desorpce.

Specifická vlastnost, která musí být zohledněna při používání řídicích systémů závislých na zatížení s adsorpčními sušičkami regenerovanými pomocí části vysušeného vzduchu, spočívá v tom, že při časově závislém řízení, pokud je využití sušičky nastaveno na 70 % kapacity při konstantním výkonu kompresoru, je množství vzduchu pro desorpci nastaveno právě pro těchto 70 % výkonu kompresoru. Při použití systémů závislých na zatížení je toto nastavení vždy pro 100 %, protože závislé na zatížení řízení využívá sušičku na 100 % prostřednictvím odpovídajícím způsobem prodlouženého cyklu.

Přetížení adsorpční sušičky principiálně nemůže být kompenzováno systémem závislým na zatížení. Systémy řízení rosného bodu jsou vhodné pro všechny adsorpční sušičky, bez ohledu na použitý režim regenerace. Tyto systémy nabízejí flexibilní a energeticky efektivní řešení pro udržení optimální kvality stlačeného vzduchu, zatímco minimalizují provozní náklady a prodlužují životnost zařízení.