Zawartość wody w sprężonym powietrzu

Na co zwrócić uwagę wykonując pomiary zawartości wody w sprężonym powietrzu za pomocą mierników wykorzystujących kondensację

 

Przenośne sondy punktu rosy, inaczej zawartości wody w sprężonym powietrzu wykorzystujące zasadę kondensacji są w stanie precyzyjnie mierzyć ciśnieniowy punkt rosy w całym zakresie pomiarowym. Sondy wilgotności najczęściej umieszcza się bezpośrednio w instalacji sprężonego powietrze (główna nitka) w celu szybkiego uzyskania wyniku zawartości wilgoci (ciśnieniowego punktu rosy) w warunkach rzeczywistych badanej ciśnieniowej instalacji technicznej. Czujnik pomiaru wilgotności zabezpieczony jest przed kondensacją pary wodnej, co ma znaczenie poprawności otrzymywanych wyników.

Cenną funkcją wybranych modeli urządzeń do pomiaru ciśnieniowego punktu rosy jest możliwość autokalibracji, co pozwala na uzyskanie poprawnych wartości pomiarowych nawet w okresie kilkunastu miesięcy po ostatnim wzorcowaniu sondy. Na czym polega funkcja autokalibracji w mierniku wilgotności sprężonego powietrza? W trakcie autokalibracji sonda wykrywa i koryguje dryftu czujnika w stosunku do zapisanej w pamięci urządzenia krzywej kalibracyjnej.

Wybierając sondę pomiaru wilgotności w sprężonym powietrzu warto również zdecydować się na model posiadający funkcję wewnętrznego osuszania i podgrzewania. Jest to szczególnie ważna funkcja, gdy podczas pomiaru kluczowy jest krótki czas powrotu z warunków rzeczywistych panujących w instalacji sprężonego powietrza, do warunków suchych.

W wielu przypadkach instalacji sprężonego powietrza o bardzo niskiej zawartości wody w sprężonym powietrzu, stabilizacja mierzonych wartości wilgotności może zająć od kilkudziesięciu minut do nawet dwóch godzin. Zakładając, że miernik ma być wykorzystywany do pomiaru sprężonego powietrza o niskich wartościach ciśnieniowego punktu rosy, warto zdecydować się w urządzenie pomiarowe posiadające funkcję rejestratora danych.

Norma ISO 8573-3 wskazuje na potrzebę przeliczania punktu rosy z wybranych warunków pomiarowych na inne. Warto nadmienić, że wybrane czujniki ciśnieniowego punktu rosy posiadają wbudowaną funkcję  konwersji punktu rosy z ciśnienia pracy instalacji do ciśnienia otoczenia.

Analizując dostępne na rynku urządzenia do pomiaru zawartości wody w sprężonym powietrzu należy również zwrócić uwagę na sposób, w jaki dane urządzenie może zostać podłączone do instalacji sprężonego powietrza. Istnieje kilka standardów przyłączy, które najczęściej stosuje się do podłączenia czujnika celem wykonania pomiaru:

• szybkozłączka,
• złączki Swagelok,
• połączenie gwintowane np. G⅜ i G¼.

Decydując się na wybór mirnika zawartości wody warto więc przeanalizować występujące już na linii standardy przyłączy, tak aby zmniejszyć ilość stosowanych przejściówek (ryzyko przecieku, ryzyko kondensacji pary wodnej w układzie do poboru próbki).

 

Definicje – czym jest „punkt rosy” oraz „ciśnieniowy punkt rosy”

Punkt rosy jest parametrem właściwości fizycznych gazu, definiowanym jako temperatura, do której gaz , na przykład sprężone powietrza, może zostać chłodzone przy stałym ciśnieniu a para wodna zaczyna skraplać się do wody w ciekłym stanie skupienia. Można powiedzieć, że po osiągnięciu temperatury rosy gaz jest całkowicie nasycony parą wodną i dalsze jego schładzanie spowoduje pojawienie się w gazie (i na wewnętrznych ściankach instalacji) ciekłej wody.

Termin „ciśnieniowy punkt rosy” stosowany jest w fizyce do określenia temperatury punktu rosy gazu pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia atmosferycznego. Mówiąc o pomiarach zawartości wody lub punkcie rosy sprężonego powietrza pod ciśnieniem, poprawnie powinno się mówić o „ciśnieniowym punkcie rosy sprężonego powietrza”, a nie o „punkcie rosy sprężonego powietrza”.

Podczas obniżania temperatury gazu, para wodna znajdująca się w fazie gazowej zaczyna się skraplać tj. przechodzić ze stanu gazowego w stan ciekły. Moment pojawienia się kondensacji określa temperatura, przy której następuje przemiana gazu w ciecz. Temperatura ta jest zdefiniowana jako temperatura punktu rosy. Przy 100% RH (wilgotności względnej) temperatura otoczenia równa jest temperaturze punktu rosy. Im większa jest różnica temperatury punktu rosy od temperatury otoczenia tym mniejsze ryzyko wystąpienia zazwyczaj niekorzystnego zjawiska jakim jest kondensacja pary wodnej. Punkt rosy bezpośrednio koreluje z ciśnieniem pary nasyconej (Pws). Ciśnienie cząstkowe pary wodnej w punkcie rosy można bardzo łatwo wyliczyć. W przeciwieństwie do RH (wilgotności względnej), punkt rosy nie jest zależny od temperatury ale jedynie od aktualnego ciśnienia.

 

Dlaczego zawartość wody w sprężonym powietrzu jest tak ważna w branży farmaceutycznej i spożywczej?

Sprężone powietrze stosowane jest nie tylko do sterowania zaworami oraz układami pneumatycznymi w liniach produkcyjnych. Sprężone powietrze bardzo często jest medium kontaktującym się z wyrobem gotowym, półproduktami, surowcami wykorzystywanymi do produkcji farmaceutycznej i spożywczej. Sprężone powietrze często wykorzystuje się w procesach czyszczenia trudno dostępnych miejsc instalacji technologicznych (np. tabletkarki, maszyny pakujące, wieże suszarnicze, przenośniki), do czyszczenia których nie jest zalecane stosowanie roztworów wodnych. Minimalizowanie zawartości wody w sprężonym powietrzu może przyczynić się do pozostawania na linii po czyszczeniu mniejszej ilości wody i tym samym zapewnienia braku zbrylania się surowców/ półproduktów/ wyrobów gotowych, a w niektórych przypadkach również wydłużonej trwałości mikrobiologicznej wyrobów. Poddane filtracji i dobrze wysuszone sprężone powietrze (tj. o małej zawartości wody), jest kluczowe jakościowo dla zapewnienia sprawnego i bezpiecznego transportu materiałów stałych i sypkich. Fakt braku zależności temperatury punktu rosy od temperatury otoczenia, wykorzystuje również do monitorowania przebiegu procesu suszenia.

Kontrola temperatury punktu rosy jest często wymogiem projektowym dla nowobudowanych instalacji dystrybucji sprężonego powietrza wykorzystywanego w szczególności do procesów suszenia i pakowania wyrobów o małej zawartości wody. Kondensacja wody w instalacji dystrybucyjnej sprężonego powietrza, na linii produkcyjnej czyszczonej sprężonym powietrzem, czy w masie wyrobu, może być przyczyną awarii osprzętu lub wręcz rozwoju drobnoustrojów w wyrobie gotowym.

 

Klasy jakości sprężonego powietrza wg. ISO 8573-1. W jaki sposób zawartość wody w sprężonym powietrzu wyrazić jako klasę czystości sprężonego powietrza.

Norma ISO 8573-1 wskazuje limity zawartości wody (wilgotności) dla poszczególnych klas czystości sprężonego powietrza. Gdy temperatura punktu rosy wynosi ≤ -70 ºC, mówimy o klasie czystości 1. Klasa 2 dopuszcza wilgotność na poziomie poniżej -40°C (temperatura punktu rosy). Klasa 3 czystości sprężonego powietrza to już punkt rosy poniżej -20°C, a klasa 4 poniżej +3°C. Klasa 4 to punkt rosy odpowiednio maksymalnie +7°C, a klasa 5 maksymalnie +10°C.

 

Szczegółowy opis zasady działania czujników do pomiaru wilgotności sprężonego powietrza

 

Metoda pomiaru wilgotności sprężonego powietrza z chłodzonym lustrem kondensacyjnym

Wyróżnia się tutaj metodę z wizualnym odczytem wskazań termometru oraz metodę z automatycznym wykrywaniem kondensacji i urządzeniem pomiarowym temperatury. W pierwszej z nich w optycznym mierniku kondensacyjnym punktu rosy sprężonego powietrza, kondensacja pary wodnej jest wywoływana na lustrze wy­stawionym na działanie przepływającego sprężonego powietrza, przez chłodzenie lustra. Temperatura, w której zaczyna się konden­sacja, może być zaobserwowane jako zmiana stopnia odbijania światła – wartość ta jest przyjmowana za temperaturę punktu rosy sprężonego powietrza.

Metoda z automatycznym wykrywaniem kondensacji i urządzeniem pomiarowym temperatury wykorzystuje elektroniczne urządzenie do wykrywania kondensacji i do pomiaru tempera­tury. Metoda ta jest metodą bardziej zautomatyzowaną i wygodniej niż opisana wcześniej.

 

Pomiar wilgotności sprężonego powietrza z użyciem czujnika elektrycznego

Ten typ czujnika do pomiaru wilgotności sprężonego powietrza) jest zbudowany z materiału higroskopijnego, którego własności elektryczne zmieniają się wraz z pochłanianiem cząsteczek wody obecnych w sprężonym powietrzu. Zmiany wilgotności gazu sprężonego są mierzone jako zmiany pojemności lub rezystancji albo dowolnej kombinacji obu tych własności elektrycznych czujnika. Sonda powinna być wyposażona w filtr, aby uniknąć zanieczyszczenia. Higrometry impedancyjne są zazwyczaj także wyposażone w czujnik temperatury. Wskazania są widoczne bezpośrednio, cza­sem z możliwością wyboru wielkości (np. wilgotność względna lub punkt rosy sprężonego powietrza), możliwe jest również uzyskanie na wyjściu sygnału elektrycznego (np. napięcie analogowe).

Czujnikiem elektrycznym może być:

• Czujnik pojemnościowy

Ten typ czujnika jest bardziej odpowiedni do pomiaru wilgotność względnej sprężonego powietrza niż do pomiaru punktu rosy sprężonego powietrza Czujnik posiada charakterystykę najbardziej zbliżoną do liniowej przy małej wilgotność względnej. Na ogół nie następuje uszkodze­nie czujników pojemnościowych na skutek kondensacji (tj. przy wilgotności względnej wynoszącej 100 %).

• Czujnik rezystancyjny

Ten typ czujnika jest bardziej odpowiedni do pomiaru wilgotności względnej niż punktu rosy, z charakterystyką najbardziej zbliżoną do liniowej przy wysokiej wilgotności. Większość czujników rezystancyjnych nie toleruje kondensacji. Niektóre czujniki mają „ochronę przed nasyceniem’, w postaci automatycznego ogrze­wania. w celu zapobiegania kondensacji.

• Czujnik impedancyjny punktu rosy

Ten typ czujnika jest specjalną odmianą higrometru impedancyjnego i służy do pomiaru bardziej w jednostkach absolutnych niż w jednostkach wilgotności względnej. Działając na podobnej zasadzie ogólnej, czujnik posiada element aktywny w postaci tlenku glinu lub tlenków innych metali albo materiału na bazie silikonu. Ten typ czujnika jest czuły na ciśnienie cząstkowe pary wodnej. Zwykle sygnał jest zamieniany na inne jednostki abso­lutne, których wartości są przedstawiane w postaci punktu rosy lub w cząstkach na milion, wyrażających ułamek objętości.

 

Metoda psychrometryczna (termometry: mokry i suchy) w pomiarze wilgoci sprężonego powietrza

Psychrometr wykorzystywany do pomiaru wilgotności sprężonego powietrza składa się z dwóch umieszczonych blisko siebie lecz wzajemnie odizolowanych termicznie czujni­ków temperatury. Wokół czujników temperatury rozciąga się wilgotne środowisko. Jeden czujnik temperatury jest owinięty porowatą otuliną (czujnik mokry), która jest utrzymywana w stanie mokrym przez zwilżanie wodą pobieraną ze zbiornika dzięki zjawisku włoskowatości.

Woda odparowuje z otuliny w stopniu proporcjonalnym do wilgotności sprężonego powietrza. Parowanie wody powoduje chłodze­nie mokrego czujnika. Różnica temperatur między mokrym a suchym czujnikiem jest używana do obliczenia wilgotności sprężonego powietrza.

 

Pomiar wilgotności sprężonego powietrza metodą reakcji chemicznej

W tej metodzie pomiarowej wilgotności sprężonego powietrza stosuje się rury do bezpośredniego odczytu (szklane) z chemicznie reagującą zawartością. Podstawową zasa­dą działania rury do bezpośredniego odczytu jest reakcja chemiczna pomiędzy parą wodną w próbce sprężonego powie­trza a materiałem wypełniającym rurę, co powoduje zmianę barwy. Reakcja jest proporcjonalna do całkowitej ilości wody wprowadzonej do rury, w której przepływa określona objętość sprężonego powietrza.

Metody spektroskopowe w pomiarze zawartości wody

Ogólnie, technika spektroskopowa jest jedną z takich, w których skład mieszaniny gazu jest określany na podstawie analizy pochłaniania (lub emitowania) światła o określonych długościach fali lub częstotliwościach. Każda substancja chemiczna ma swój charakterystyczny częstotliwościowy „identyfikator” znajdujący się w ultrafioletowej lub podczerwonej części widma. Zastosowanie metody pomiaru spektroskopowego może być dogodne, jeśli mają być mierzone stężenia różnych substancji, w tym również pary wodnej w sprężonym powietrzu.

Technika spektroskopowa stosowana do pomiaru wysokich lub umiarkowanych wilgotności jest oparta na po­chłanianiu podczerwieni. Woda pochłania promieniowanie podczerwone o kilku długościach fali w zakresie od 1 µm do 10 µm. Intensywność przepuszczanego promieniowania o jednej z tych długości fali jest mierzona i porównywana z intensywnością przepuszczanego promieniowania fali o długości odniesienia, z użyciem komórki fotoelektrycznej. Ilość promieniowania pochłoniętego przez sprężony gaz jest proporcjonalna do stężenia (lub ciśnienia cząstkowego) pary wodnej w sprężonym powietrzu. Techniki spektroskopowe mogą być także stosowane do pomiaru krańcowo małych stężeń pary wodnej w sprężonym powietrzu.

 

 

Niezalecane metody pomiaru wilgotności sprężonego powietrza

Istnieje kilka innych znanych metod, które nie są jednak zalecane do pomiaru wilgotności w układach sprężo­nego powietrza ani nie są związane z klasyfikacją zanieczyszczeń opisaną w normie ISO 8573-1.

 

Metody mechaniczne

Czułym elementem czujnika jest higroskopijne medium; absorpcja wody powoduje zmianę jego własności mechanicznych. Jednym z przykładów jest dobrze znany higrometr włosowy, w którym długość wiązki włosów zmienia się wraz z wilgotnością. Zmiany te są powiększane i pokazywane na skali.

 

Metoda nasyconego roztworu chlorku litu

Czułym elementem czujnika jest sól higroskopijna absorbująca wodę z powietrza. Przez sól podłącza się napię­cie elektryczne: natężenie przepływającego prądu zależy od ilości zaabsorbowanej pary wodnej. Jednocześnie prąd również ogrzewa sól.

Ostatecznie osiągana jest równowaga pomiędzy pochłanianiem i ogrzewaniem. Temperatura, w której występu­je to zjawisko odpowiada ciśnieniu pary wodnej. Czujnik ma zwykle postać sondy, a wskazania są temperaturą punktu rosy.

 

Metoda elektrolityczna (pięciotlenku fosforu)

Czujnik zawiera cienką, warstwę silnego środka osuszającego, pięciotlenku fosforu, który silnie pochła­nia parę wodną z otaczającego gazu. Pod wpływem napięcia podłączonego do czujnika, następuje elektroliza rozkładająca wodę na jej składniki: wodór i tlen. Prąd, który płynie podczas tego procesu, zależy od ilości wody ulegającej elektrolizie, a wartość natężenia prądu zależy od wilgotności gazu podlegającego pomiarowi. Czujniki te są odpowiednie do pomiaru bardzo małych wilgotności chociaż wymagają one ustalonego (znanego) przepływu gazu. Przyrząd ten mierzy stężenie objętościowe wody, ze wskazaniami w jednostkach absolutnych, takich jak stężenie objętościowe w częściach na milion lub ciśnienie cząstkowe pary. Zwykle przyrząd ten jest stosowany w układzie pobierania próbek, a nie w postaci sondy.

 

Miernik punktu rosy z komorą wahadłowych zmian ciśnienia

Próbka sprężonego powietrza jest sprężana i adiabatycznie (w teorii) rozprężana. Przeprowadza się kilka prób dla różnych, coraz większych, ciśnień. Ciśnienie, przy którym formuje się pierwsza mgła podczas obniżania ciśnienia, umożliwia obliczenie temperatury rozprężania, a więc i punktu rosy.