Danas je nabavljen uređaj za mjerenje količine vlage (vode) u plinovima naziva Automatic Dewpoint Meter (SADP), proizvod britanske tvrtke Shaw iz 1996. godine. Tvrtka Shaw osnovana je 1960. godine i bavi se isključivo proizvodnjom raznih mjerača vlage za profesionalnu primjenu. Do danas je lansirala preko 60 tipova takvih mjerača.
Mjerači količine ili postotka vlage koriste se u mnogim granama industrije, proizvodnje, znanosti i istraživanja te je nemoguće pobrojati sve tvari za koje su razvijeni mjerači vlage. Mjerenje postotka vlage može se vršiti na plinovitim, tekućim i krutim tvarima, a to su uglavnom razne industrijske sirovine i proizvodi u svim agregatnim stanjima, drvo, tlo, zrak, građevinski materijali i objekti, brojne poljoprivredne kulture i drugo.
Mjerenje vlage u tvarima može se vršiti mehaničkim, kemijskim, apsorpcijskim, optičkim, akustičkim, termičkim, psihrometrijskim, kondenzacijskim i drugim metodama (u novije vrijeme i nano-strukturama), a nama su najzanimljivije električne i elektromagnetske metode mjerenja postotka vlage u tvarima.
Najraširenije su dvije električne metode mjerenja postotka vlage, a to je mjerenjem otpora (vodljivosti) ili mjerenjem kapaciteta (dielektriktričnih svojstva materijala). Osim ovih električnih metoda koriste se i elektromagnetske metode mjerenja poput reflektometrije u vremenskoj ili frekvencijskoj domeni, te mikrovalne i radarske metode gdje se koriste oscilatori i rezonatori na visokim radio frekvencijama (100 kHz – 1 GHz). Ove metode zbog primjene visoke frekvencije manje utječu na svojstva tvari pa su stoga preciznije, no s druge strane to su znatno složenije i skuplje metode mjerenja.
Kod mjerenja otpora ili vodljivosti koristi se princip da će određene tvari sa većim postotkom vlage imati manji specifični otpor, odnosno veću vodljivost. Primjenjuje se istosmjerna struja ili izmjenična struja niske frekvencije (do 10 khz). Elektrode se izrađuju u različitim pogodnim oblicima (iglične, kuglaste, valjkaste, cilindrične…) kako bi se što bolje prilagodile fizičkoj konzistenciji same tvari i ostvarile potrebni električni kontakt sa istom. Mjerenje se ovdje temelji samo na mjerenju omske otpornosti pri čemu se kroz ispitivanu tvar propušta električna struja. Ova struja može izazvati promjene određenih kemijskih svojstva materijala što će dovesti do pogreške u mjerenju. Posebno je nepovoljno mjerenje istosmjerne strujom jer dolazi do pojave elektrolize. Stoga se za mjerenje uglavnom koristi izmjenična struja niske frekvencije (100 Hz – 10 kHz), a sami mjerni uređaji dizajnirani su i kalibrirani za mjerenje samo jedne određene tvari i to su uglavnom tvari homogene strukture (zbog pravilnog kontakta sa elektrodama) koje ne mijenjaju svoja svojstva pod utjecajem električne struje. Ovakve vlagomjere opisali smo u objavama Vlagomjer HYGROMETTE I – Karl Weiss Greiz i Vlagomjer PIK. To su dakle najjednostavnije izvedbe vlagomjera sa elektrodama kojima se zatvara mjerni krug preko mjerene tvari, no postoje otpornički vlagomjeri koji koriste vlastite otporničke senzore. To su elementi izrađeni od materijala kojem se mijenja električni otpor ovisno o apsorbiranoj vlazi iz okoline.
Kad smo već kod električnih pretvornika vlage, spomenimo i piezoelektrični pretvornik. Ovdje je piezoelektrični kristal obloženog slojem higroskopnog materijala. Pri povećanju vlage povećati će se apsorpcija iste pa će se povećati i masa higroskopnog materijala što pak uzrokuje smanjenje rezonantne frekvencije kristala.
Kod metode mjerenja kapaciteta koristi se posebni kapacitivni senzori. Kod njih se mijenja dielektričnost dielektrika ovisno o apsorbiranoj vlazi. S obzirom na vrstu dielektrika najčešći su polimerni senzori i senzori s metalnim oksidima.
Kod polimernih senzora između elektroda se nalazi higroskopni dielektrični materijal obično od tankog listića (1 µm) polimera, poliamida ili acetata koji apsorbira vodu iz okoline pri čemu mu se mijenjanju dielektrična svojstva, a time i kapacitet senzora.
Kapacitivni senzor sa metalnim oksidom, kakav je ugrađen u vlagomjer SHAW Automatic Dewpoint Meter, posebno pogodan za mjerenje vrlo niske koncentracije vodene pare (molekula vode) u plinovima. Jedna ploču senzora čini površina od čistog aluminija koja je prekrivena slojem aluminijskog oksida (Al2O3). Taj metalni oksid sadrži kapilare i šupljine koje su tek malo veće od molekula vode čime je taj sloj uvelike selektivan na apsorpciju gotovo samo molekula vode jer ne propušta ni jedne druge veće molekule u sastavu plina, odnosno molekule koje bi mogle paralelno vodi utjecati na dielektričnost senzora. Druga elektroda je u obliku filma nanesena na sloj aluminijskog oksida, a sastoji se od poroznog zlata koje je također propusno za molekule vode. Osnovna prednost senzora sa metalnim oksidom ispred polimernih senzora je neosjetljivost na promjene temperature.
Senzori sa metalnim oksidima nazivaju se još i senzori impedancije točke rosišta i takvi senzori reagiraju na parcijalni tlak vodene pare unutar ostatka plina. Mjerna jedinica za tlak je Paskal ili milimetri stupca žive, no skale vlagomjera su najčešće baždarene u druge mjerne jedinice, u našem slučaju su to D.P. °C i p.p.m. (V). Oznaka D.P. °C (engl. Dew Point °C) označava tzv. “točku rose/rosišta”, “temperaturu rosišta” ili “gustoću pare”. Izražava se u stupnjevima Celzijusa (ili Fahrenheit) i to je u osnovi temperatura do koje se zrak (plin) mora hladiti da bi se voda u njemu počela kondenzirati, odnosno prelaziti iz plinovitog u tekuće stanje, što odgovara 100-postotnoj relativnoj vlažnosti zraka. Temperatura rosišta je dakle izravno je ovisna o relativnoj vlažnosti zraka pa se ove dvije veličine mogu međusobno preračunavati. Druga mjerna jedinica p.p.m. (V)(engl. Parts Per Million by Volume) “dijelova na milijun po volumenu” označava omjer između tlaka molekula vode prema tlaku ostalih molekula plina (suhog dijela plina). Sveukupno gledano točka rosišta u °C ili °F, tlak vodene pare u Pa ili mmHg, te dijelovi na milijun po volumenu p.p.m. (V) praktično su jedno te ista veličina prikazana na tri različita načina i međusobno se mogu preračunavati. Tako na primjer D.P. od -50 °C, odgovara D.P. od -58 °F, odnosno tlaku od 0,02961 mmHg ili je to 49,816 p.p.m. (V).
Kao što se vidi sa fotografija vlagomjer SHAW Automatic Dewpoint Meter vrlo je jednostavne konstrukcije. Ima svega dvije kontrole: sklopka za uključenje i provjeru napona baterija, te trimer potenciometar za eventualnu kalibraciju instrumenta. Tvornička kalibracija kazaljke na puni otklon (AUTOMATIC CALIBRATION) vrši se kod kratko spojenog konektora za spajanje senzora, a automatska kalibracija postupkom koji je opisan na kućuštu vlagomjera.
Samo mjerenje je također jednostavno. Senzor je smješten unutar kromirane cilindrične glave. Ova glava ima pokretni dio (poput poklopca senzora) koji sadrži tvar koja ne propušta vlagu te na taj način senzor stalno čuva (skladišti) u potpuno suhom okruženju tako da ne povlači vlagu iz okolnog zraka. Pokretni poklopac se podiže samo prilikom vršenja samog mjerenja, tako da kod mjerenja imamo uvijek spreman suh senzor. Zrak (plin) kojem mjerimo vlažnost upuhuje se preko jedne priključne cjevčice, struji unutar mjerne komore sa senzorom i izlazi van preko druge cjevčice. Brzina protoka plina kroz senzorsku glavu može biti u granicama 2-20 litara u minuti. Jedno mjerenje traje tipično 20 sekundi. Prema tvorničkim podacima točnost mjerenja je ±1 p.p.m. (V) ili ±2°C D.P. Uređaj se napaja preko 6 standardnih C baterija (R14P) od 1,5V. Dimenzije kućišta su 202x225x276 mm (320 mm sa izvučenom glavom senzora), a težina je oko 4 kg.
Mjerno pojačalo bazira se na tri integrirana kruga: TC4069UBP (šest invertera) i dva komada GL 358 (dva operacijska pojačala). Shemu pojačala naravno nemamo, no možemo pretpostaviti da je TC4069UBP u spoju oscilatora pravokutnog napona za napajanje izmjeničnog mjernog mosta, dok su operacijska pojačala u spoju preciznog ispravljačkog pojačala i naponskog pojačala za instrument. Blok shema je time vrlo slična mosnim mjeračima kapaciteta kakav smo primjerice opisali u objavi RLC mjerni most Iskra MA 4302.
Na primjeru Vlagomjera za plinove SHAW Automatic Dewpoint Meter (SADP) upoznali smo još jedan nesvakidašnji električni mjerni instrument. Vidjeli smo da se u osnovi radi o mjeraču kapaciteta, a najveća specifičnost samog instrumenta je njegov senzor, koji opet generalno gledano nije ništa drugo nego posebno prilagođena izvedba kondenzatora kojem se mijenja kapacitet u ovisnosti o tome koliko mu dielektrik povuče okolne vlage. Vidjeli smo također da se vlaga može mjeriti na desetke i desetke različitih načina, metoda, a time i tipova instrumenta, tako da se nadamo da ćemo uskoro opet nabaviti neki (stari) vlagomjer i imati priliku upoznati se sa kakvim drugim principom mjerenja vlage, vode, vodene pare i svih drugih oblika poželjne ili nepoželjne sveprisutne H2O 🙂