دیوپوینت متر چیست؟ نقطه شبنم و روش اندازه گیری آن

در بسیاری از سیستم های صنعتی، دانستن میزان رطوبت و دمای نقطه شبنم اهمیت زیادی دارد، چون رطوبت می تواند به تجهیزات حساس آسیب بزند و کیفیت محصول را کاهش دهد.

در صنایع سرمایشی و سیستم های هوای فشرده، اگر دمای لوله ها به زیر نقطه شبنم برسد، رطوبت میعان می شود و می تواند باعث خوردگی، یخ زدگی و مسدود شدن لوله ها شود. به همین دلیل از دستگاهی به نام دیوپوینت متر (Dew Point Meter) یا سنسور نقطه شبنم استفاده می شود تا رطوبت پایش شود و از میعان ناخواسته و مشکلات آن جلوگیری شود.

دیوپوینت متر به ویژه برای اندازه گیری رطوبت در خطوط هوای فشرده و گازهای صنعتی و کنترل عملکرد درایرهای هوای فشرده کاربرد دارد. در این مقاله ابتدا با مفهوم نقطه شبنم آشنا می شویم و سپس اصول کار دیوپوینت متر را بررسی می کنیم.

نقطه شبنم چیست؟

نقطه شبنم (Dew Point) دمایی است که اگر هوا یا گاز در فشار ثابت تا آن دما سرد شود، از بخار آب اشباع می شود و بخار آب شروع به میعان و تشکیل شبنم یا مه می کند.

طبق تعریف آزمایشگاه ملی فیزیک بریتانیا (NPL)، نقطه شبنم دمایی است که هنگام سرد کردن یک گاز، شبنم یا میعان در آن تشکیل می شود. اگر به جای آب مایع، یخ تشکیل شود، به آن نقطه یخ (Frost Point) می گویند.

به بیان دیگر، در نقطه شبنم، سرعت تبخیر آب با سرعت میعان بخار آب برابر می شود. مثل یک بزرگراه که تعداد خودروهای مسیر رفت و برگشت آن برابر است و در مجموع جابه جایی خالصی وجود ندارد؛ در نقطه شبنم هم بین تبخیر و میعان تعادل برقرار است.

نکات مهم درباره نقطه شبنم

• اگر هوا تا دمایی پایین تر از نقطه شبنم سرد شود، بخار آب اضافی به آب مایع تبدیل می شود. اگر این اتفاق در تماس با یک سطح سرد رخ دهد، شبنم روی آن سطح تشکیل می شود.

• هرچه هوا بخار آب بیشتری داشته باشد، نقطه شبنم آن بالاتر است.

• اگر نقطه شبنم پایین تر از صفر درجه باشد، بخار آب مستقیما به یخ تبدیل می شود (چگالش مستقیم بخار به جامد) و به آن نقطه یخ می گویند.

عوامل موثر بر نقطه شبنم

مقدار بخار آب

نقطه شبنم مستقیما به مقدار بخار آب موجود در گاز بستگی دارد، نه به دمای فعلی هوا. اگر دمای هوا تغییر کند اما مقدار بخار آب ثابت بماند، نقطه شبنم تغییر نمی کند؛ فقط رطوبت نسبی تغییر می کند.

فشار

فشار عامل مهم دیگری است. وقتی گاز فشرده می شود، فشار جزئی بخار آب در آن افزایش می یابد و بخار آب در دمای بالاتری میعان می شود. بنابراین:

• افزایش فشار، نقطه شبنم را بالا می برد.

• کاهش فشار، نقطه شبنم را پایین می آورد.

به همین دلیل در صنعت هوای فشرده، دو مفهوم متفاوت وجود دارد:

• نقطه شبنم تحت فشار (Pressure Dew Point یا PDP): نقطه شبنم در فشار کاری سیستم هوای فشرده

• نقطه شبنم اتمسفری (Atmospheric Dew Point): نقطه شبنم همان هوا پس از انبساط تا فشار اتمسفر که مقدار آن پایین تر است

برای جلوگیری از میعان در لوله های هوای فشرده، باید نقطه شبنم تحت فشار در نظر گرفته شود.

چرا اندازه گیری رطوبت دشوار است؟

برخلاف متغیرهای دیگر فرایند مانند دما، فشار و جریان، رطوبت دو ویژگی خاص دارد:

• اندازه گیری دقیق آن دشوار است، چون به شدت تحت تاثیر دما و فشار قرار دارد.

• رطوبت در بسیاری از فرایندها یک آلاینده است و می تواند به تجهیزات آسیب جدی بزند و کیفیت محصول را کاهش دهد.

تفاوت رطوبت و نقطه شبنم

میزان رطوبت

میزان رطوبت (Moisture Content) مقدار مولکول های آب موجود در یک گاز یا مایع است. همیشه مقداری رطوبت در هوای اطراف ما وجود دارد، اما در فرایندهای صنعتی معمولا باید کنترل شود. رطوبت می تواند به شکل بخار آب در هوا یا آب مایع در مواد غذایی، محصولات و خاک وجود داشته باشد.

میزان رطوبت به صورت نسبت حجمی یا جرمی، معمولا بر حسب قسمت در میلیون (ppm)، بیان می شود و برخلاف رطوبت نسبی و نقطه شبنم، با تغییر دما یا فشار تغییر نمی کند.

رطوبت مطلق، ویژه و نسبی

• رطوبت مطلق: جرم بخار آب موجود در واحد حجم هوا (مثلا گرم بر متر مکعب). چون حجم گاز با دما و فشار تغییر می کند، این مقدار هم با انبساط یا فشردگی گاز تغییر می کند.

• رطوبت ویژه: نسبت جرم بخار آب به جرم کل هوای مرطوب. این مقدار تا زمانی که میعان یا تبخیر رخ ندهد، با تغییر دما ثابت می ماند.

• رطوبت نسبی (RH): نسبت فشار بخار آب موجود در هوا به بیشترین فشار بخاری که هوا در همان دما می تواند داشته باشد (فشار بخار اشباع)، بر حسب درصد. رطوبت نسبی نشان می دهد هوا چقدر به حالت اشباع نزدیک است.

هوا در دمای بالاتر و فشار پایین تر می تواند بخار آب بیشتری نگه دارد. بنابراین اگر دما کاهش یابد یا فشار افزایش یابد، رطوبت نسبی بالا می رود و وقتی به ۱۰۰ درصد برسد، میعان آغاز می شود.

نقطه شبنم

نقطه شبنم به جای ظرفیت هوا برای نگه داشتن رطوبت، دمایی را که میعان در آن آغاز می شود نشان می دهد. مانند رطوبت نسبی، نقطه شبنم هم به فشار گاز بستگی دارد.

نقطه شبنم در کاربردهایی که باید از میعان جلوگیری شود، مثلا لوله هایی که ممکن است در معرض دمای زیر صفر قرار گیرند، بسیار مفید است. همچنین پارامتر رایجی برای پایش خروجی درایرهای صنعتی است و در بسیاری از استانداردهای کیفیت تعیین شده است.

نحوه محاسبه نقطه شبنم

فرمول ساده

برای رطوبت نسبی بالای ۵۰ درصد، یک فرمول تقریبی ساده و نسبتا دقیق وجود دارد:

Tdew ≈ T − (100 − RH) / 5

که در آن Tdew دمای نقطه شبنم و T دمای هوا بر حسب درجه سانتیگراد و RH رطوبت نسبی بر حسب درصد است.

مثال: اگر دمای هوا ۳۰ درجه و رطوبت نسبی ۷۰ درصد باشد، نقطه شبنم تقریبا برابر است با: ۳۰ − (۱۰۰ − ۷۰) / ۵ = ۲۴ درجه سانتیگراد.

فرمول دقیق تر (ماگنوس)

برای محاسبه دقیق تر، از فرمول ماگنوس استفاده می شود:

γ = ln(RH/100) + (b × T) / (c + T)

Tdew = (c × γ) / (b − γ)

که در آن b برابر ۱۷.۶۲ و c برابر ۲۴۳.۱۲ درجه سانتیگراد است. این ضرایب برای نقطه شبنم بالای صفر درجه و روی سطح آب مایع به کار می روند؛ برای نقطه یخ، ضرایب متفاوتی استفاده می شود.

محدوده معمول نقطه شبنم در هوای فشرده

نقطه شبنم هوای فشرده بسته به نوع سیستم، از دمای محیط تا حدود منفی ۸۰ درجه سانتیگراد متغیر است:

• کمپرسور بدون درایر: هوای خروجی معمولا در دمای محیط اشباع است و نقطه شبنم آن تقریبا برابر دمای هواست.

• درایر تبریدی: هوای فشرده را از یک مبدل حرارتی سرد عبور می دهد تا رطوبت آن میعان شده و خارج شود. نقطه شبنم تحت فشار خروجی معمولا حدود ۳ تا ۵ درجه سانتیگراد است.

• درایر جذبی: بخار آب را با مواد جاذب رطوبت حذف می کند و نقطه شبنم تحت فشار حدود منفی ۴۰ درجه سانتیگراد یا حتی پایین تر، تا منفی ۷۰ درجه، فراهم می کند.

دیوپوینت متر چیست؟

دیوپوینت متر نوعی رطوبت سنج است که نقطه شبنم گاز را اندازه گیری می کند. رطوبت سنج ها در انواع مکانیکی، الکترونیکی و دیجیتال وجود دارند و دیوپوینت متر یکی از دقیق ترین آنهاست.

انواع دیوپوینت متر

• دیوپوینت متر آینه سرد (Chilled Mirror): دقیق ترین روش اندازه گیری که نقطه شبنم را مستقیما و بر اساس تعریف آن اندازه می گیرد و به عنوان مرجع کالیبراسیون نیز استفاده می شود.

• سنسورهای خازنی: بر اساس تغییر ظرفیت خازنی یک لایه پلیمری یا اکسید آلومینیوم در اثر جذب رطوبت کار می کنند. این سنسورها کوچک و مقرون به صرفه هستند و در پایش پیوسته هوای فشرده بسیار رایج اند.

اجزای دیوپوینت متر آینه سرد

• آینه صیقلی: سطحی براق که دمای آن کنترل می شود و یک حسگر دما (ترموکوپل یا دماسنج مقاومتی پلاتینی) به آن متصل است.

• سیستم خنک کننده: که آینه را سرد می کند؛ در دستگاه های امروزی معمولا یک خنک کننده ترموالکتریک (پلتیه).

• نازل یا محفظه نمونه: که جریان گاز نمونه را روی سطح آینه هدایت می کند.

• منبع نور: که نور را به طور پیوسته روی آینه می تاباند.

• آشکارساز نوری (فوتوسل): که مقدار نور بازتابیده از آینه را اندازه گیری می کند.

نحوه کار دیوپوینت متر آینه سرد

اصول کار این دستگاه بر پایه تعریف نقطه شبنم است: سرد کردن سطحی که در تماس با گاز است تا زمانی که میعان آغاز شود.

۱. سرد کردن آینه

گاز نمونه از روی آینه عبور داده می شود و سیستم خنک کننده، آینه را به تدریج سرد می کند. حسگر دمای متصل به آینه، دمای سطح آن را به طور پیوسته اندازه گیری می کند.

۲. تشکیل شبنم

وقتی دمای آینه به نقطه شبنم گاز می رسد، بخار آب روی سطح آینه میعان شده و قطرات بسیار ریز شبنم (یا بلورهای یخ در نقطه یخ) تشکیل می شود.

۳. تشخیص و اندازه گیری

قطرات شبنم نور را پراکنده می کنند و مقدار نور بازتابیده به آشکارساز کاهش می یابد. با تشخیص این کاهش، دمای آینه در آن لحظه به عنوان دمای نقطه شبنم ثبت می شود.

در دیوپوینت مترهای خودکار، یک سیستم کنترل بازخوردی، دمای آینه را طوری تنظیم می کند که لایه نازک و ثابتی از شبنم روی آینه باقی بماند. در این حالت، دمای آینه به طور پیوسته برابر نقطه شبنم گاز است.

کاربردهای دیوپوینت متر

• هوای فشرده: کنترل عملکرد درایرها و اطمینان از کیفیت هوا مطابق ISO 8573-1

• صنعت نفت و گاز: اندازه گیری نقطه شبنم آب و هیدروکربن در خطوط انتقال گاز طبیعی

• صنایع دارویی و غذایی: کنترل رطوبت در فرایندهای تولید و بسته بندی

• صنعت پلاستیک: کنترل خشک شدن مواد اولیه پیش از قالب گیری

• صنعت برق: پایش رطوبت گاز SF6 در تجهیزات فشار قوی

• صنعت نیمه رسانا: کنترل گازهای بسیار خالص

• هواشناسی و تهویه مطبوع: پیش بینی مه و شبنم و کنترل شرایط آسایش

سوالات متداول درباره دیوپوینت متر

نقطه شبنم چیست؟

دمایی که اگر هوا در فشار ثابت تا آن دما سرد شود، بخار آب شروع به میعان می کند.

تفاوت نقطه شبنم و رطوبت نسبی چیست؟

رطوبت نسبی نشان می دهد هوا چقدر به اشباع نزدیک است و با دما تغییر می کند، اما نقطه شبنم دمایی است که میعان در آن آغاز می شود و به مقدار بخار آب و فشار بستگی دارد.

نقطه شبنم تحت فشار چیست؟

نقطه شبنم هوای فشرده در فشار کاری سیستم که از نقطه شبنم همان هوا در فشار اتمسفر بالاتر است.

نقطه شبنم مناسب برای هوای فشرده چقدر است؟

بستگی به کاربرد دارد؛ با درایر تبریدی حدود ۳ درجه و با درایر جذبی حدود منفی ۴۰ درجه سانتیگراد یا کمتر.

دقیق ترین روش اندازه گیری نقطه شبنم کدام است؟

روش آینه سرد که نقطه شبنم را مستقیما و بر اساس تعریف آن اندازه گیری می کند.

جمع بندی

دیوپوینت متر دمایی را تعیین می کند که در آن بخار آب موجود در یک گاز، در فشار مشخص، شروع به میعان می کند. اگرچه نقطه شبنم معمولا با گزارش های هواشناسی شناخته می شود، در بسیاری از فرایندهای صنعتی، به ویژه هوای فشرده، نفت و گاز و صنایع دارویی، اهمیت حیاتی دارد. رطوبت بیش از حد می تواند به کیفیت محصول، عملکرد تجهیزات و مواد آسیب بزند و اندازه گیری دقیق آن برای کنترل کیفیت ضروری است.

برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود رایگان کاتالوگ ها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• ISO 8573-1, Compressed air, Contaminants and purity classes

• National Physical Laboratory (NPL)

• ScienceDirect