проблемы с измерением относительной влажности бытовыми гигрометрами на основе биморфной спирали

[Baboon 0]

коллеги, кто знаком с устройством и принципами пружинных гигрометров? предлагаю обсудить способы компенсации проблем с погрешностями, вызванными несовершенством конструкции таких приборов. Хочу сразу сказать, что это - не "профессиональная" метрологическая тема, а скорее - инженерная, поэтому, тех, кто готов выдать рекомендацию "не морочить голову самоделками и купить настоящую измерительную технику" я прошу не беспокоиться. Я заранее согласен с такой вашей позицией, но не могу применять проф.технику для решения своей задачи, поэтому ищу более простое решение. В этих поисках я столкнулся со странностями, требующими правильной интерпретации, и хочу спросить мнения специалистов.

задача простая - обеспечить надежную индикацию отклонений от заданного уровня относительной влажности в нескольких десятках небольших хумидоров с продукцией. Ящики маленькие, настольного формата, т.е. это даже не шкафы, аспирационный гигрометр туда не влезет, да и не будет нормально обдуваться. Точности в 10% вполне достаточно, более того, достаточно иметь только индикацию а не собственно измерение. Т.е. предполагается периодически, не открывая ящики, смотреть через прозрачные стенки и узнавать: находится ли отн.влажность в области заданного диапазона (примерно 60-65% при 24 цельсия или 70-75% при 20 цельсия) либо она стала выше/ниже. В случае заметного отклонения ящик и его содержимое либо плавно подсушивается путем приоткрытия его крышки, либо увлажняется добавлением воды на губку, которая стоит внутри каждого ящика. Вот и все. Поскольку ящиков много (более 20 шт.), применять даже недорогие бытовые цифровые гигрометры оказалось неудобно. Во первых - батарейки нужны в огромном количестве и они непредсказуемого качества, во вторых - сами бытовые приборы на 60-80 процентах влажности быстро портятся (промокает основа измерительного датчика) и начинают врать, систематически завышая.

простое решение давно найдено, только плоховато работает. Речь про пружинные гигрометры на основе биморфной спирали. Их несложно калибровать с помощью водяной и солевой камеры, они маленькие, удобной формы, не требуют обслуживания. Хумидоры часто комплектуются такими индикаторами как штатной опцией. Я перепробовал несколько разных типов этих стрелочников, но пока калибровал и использовал их, столкнулся с очень странным явлением, за объяснением которого обращаюсь к специалистам. Сразу скажу что методические огрехи скорее всего исключены. Т.е. все наблюдения проводились при температуре 22-26, индикаторы выдерживались в камере по 24 часа и т.д. Использовались камеры на 96% (дист. вода) и на 75% (насышенный водяной раствор поваренной соли). В качестве "третьей камеры" было помещение, куда приборы выкладывались на просушку и для проверки нижней части шкалы. В помещении бывает 25-40% влажности, она меняется медленно, по погоде, перед измерением всегда проверяется на висящем рядом ВИТ, по его штатной методике. Шкалам приборов доверять нельзя, это я понял сразу, поэтому просто ставил отметки на три точки: 96 \ 75 \ (25-40) - чтобы хватило для аппроксимации. В качестве четвертой - один из хумидоров, где как мне кажется, примерно 60% (так говорит цифровой девайс, но ему я верю с осторожностью, он сам не поверялся давно). На самом деле неважно сколько там в процентах, потому что влажность в нем (по состоянию содержимого) именно та которая надо. Ее уровень я и хочу воспроизвести в остальных ящиках.

Наблюдаемые странности в общих чертах такие. Пружинный гигрометр, помещенный, к примеру из сухой комнаты в камеру 96% - за несколько часов довольно стабильно подходит к ранее сделанной на шкале отметке 96% а затем (оставаясь в неизменных условиях) сдает назад, процентов на 20 и там уже останавливается окончательно. Наоборот - из мокрого в сухое, за несколько часов приходит на отметку 30% а затем в неизменных условиях уходит с нее на 45-50. На отметку 75 все приборы выставлены одинаково - солевой камерой (сутки в ней при ровной температуре), но помещаемые из разных условий в одну камеру (60%-реальный хумидор или же в 75%-солевая), они показывают ту же странную динамику, сначала "перелет" до правильного значения, потом небольшой 15-20% "возврат" за 10-12 часов, и в итоге все стрелки успокаиваются каждая по своему, с разбросом в 15%-20%. Непонятно как им доверять. Как будто у каждой из пружин есть "любимое" значение, показать которая она стремится независимо от реального уровня влажности и к нему она постепенно дрейфует после первых активных смещений стрелок, вызванных сменой камеры... Причем у каждого приборчика это "любимое значение" свое, у всех видимо разное... Неизвестно, является ли оно стабильным для каждого из приборов (я пока не собираю подробную статистику, да и не хочу так глубоко запариваться.)

Кто видел нечто подобное с пружинами? подскажите - как тут быть. В чем физика этой фигни?

[libra 508]

Не нашел Вашу старую тему. И не помню рекомендовал я Вам книгу "Измерения в промышленности" П.Профоса, т.3, стр.140? Интересно ,а волосяные гигрометры намного дороже?

[libra 508]

Вот как там с размерами: http://www.ccenter.msk.ru/?page=5&sid=32&iid=39

или для сигар: http://www.humidordiscount.ru/Cigar-Accessories_Humidor-Accessories/Adorini_hair_hygrometer_for_cigars.html

[Baboon 0]

Не нашел Вашу старую тему. И не помню рекомендовал я Вам книгу "Измерения в промышленности" П.Профоса, т.3, стр.140? Интересно ,а волосяные гигрометры намного дороже?

спасибо, я посмотрю что там полезного.

А волосяные - да, дороже и главное - крайне редко встречаются в круглом компактном варианте. Указанный Вами Адолини - это легенда, их по факту нигде нет, одни только фотки. Или по 40 евро за штуку. Дороже чем старинные волосяные барабанные самописцы (гигрографы). Но барабанный - это слишком большая штуковина, в ящик такую никак, даже за бесплатно.Для заводки механизмов еженедельно или ежедневно открывать каждый из более чем 20 ящиков - нереально и вредно для дела. Особенность хранения продукции в том, что открывать ящики желательно как можно реже - только затем чтобы забрать или добавить содержимое или скорректировать влажность. Некоторые открываются на несколько минут каждый день, по многу раз. Другие не открываются месяцами. Группировка в ящиках идет в основном по происхождению и вкусовой группе. Предугадать когда и что потребуется забрать с хранения невозможно. Разнообразия добавляет еще и тот факт что исходная влажность загружаемого содержимого варьируется от 30%(ниже тоже бывает, но это уже близко к некондиции, с трудом поддающейся восстановлению) до 85%-90% (и тут надо срочно, но плавно сушить пока не появилась плесень). Ускоренную подсушку или увлажнение до загрузки в ящик применять затруднительно - из за неравномерности высыхания и увлажнения слоев материала изделия портятся. Т.е. в хумидор они попадают как раз затем, чтобы дойти в нем до оптимальной влажности и затем лежать там годами, не теряя качество. В случае большого избытка влаги новой порции содержимого просто на время вынимается увлажняющая губка. И кстати, потом, после ее возврата в ящик, очень непросто найти новый оптимальный уровень ее влажности, чтобы искомые 60-75% поддерживались бы сами собой. Летом воздух от 40 до 100% а зимой и 10%-15% бывает. Короче - возни и так много, а тут еще и стрелки бесятся :)/> Владельцам прохладных влажных подвалов со стабильным микроклиматом сильно повезло.

Изменено 22 Декабря 2012 пользователем Baboon

[Baboon 0]

"Измерения в промышленности" П.Профоса, т.3, стр.140?

посмотрел я книгу. Интересно, особенно графики. Я эмпирически знал что в комнатном диапазоне температур и давлений на каждый доп градус выше 20 надо отнимать два процента от 70 (т.е. если 70% на 20С - это то, что считается оптимальным для хранения, тогда при 25С влажность в 60% даст примерно ту же кондицию продукции, которую нам надо, а при температуре выше 34 летом вообще желательно убрать доп увлажнение из коробок во избежания плесени и активизации спящих яиц табачного жука). Эмпирика сходится с книгой...

видимо вся беда в нестабильности материала пружин. То ли от изменений температуры они меняют упругость, то ли у них водочувствительный слой недостаточно тверд и сначала активно меняет геометрию пружины а затем через более длительное время от давления съеживается обратно. В общем - проблема осталась мутной, ждем еще комментарии спецов .

... вот что я еще заметил: Этой проблемой совершенно не страдают пружинные индикаторы Бонеко и Орлеан Балли, у которых при увеличении влажности спираль идет на раскручивание. А болеют ей лишь несколько разных индикаторов разных фирм (если это слово применимо к китаю), у которых конструкция такова, что спираль при повышении влажности должна наоборот - свертываться туже. Т.е. их спирали скручены распухающим чувствительным слоем наружу а у Бонеко 7057 - он внутри спирали. Это довольно левая гипотеза, возможно что просто так совпало что у бонеков сталь термостабильная а у других - всякая разная, и направление скрутки тут ни при чем.... В любом случае - спасибо книге, я узнал там про слой неизвестного материала, нанесенный на спираль и делающий ее чувствительной к влаге.

Изменено 22 Декабря 2012 пользователем Baboon

[libra 508]

В идеальном случае для материала пружины использовать биметалл, для компенсации теплового расширения или конструкцию пружины в виде цилиндрической спирали как у морского хронометра. А модель Бонеко 7057 стоит всего 195 рублей (http://www.boneco.ru/catalog/accessories/7057/) стоит ли покупать продукцию великих восточных иммитаторов?

[Baboon 0]

В идеальном случае для материала пружины использовать биметалл, для компенсации теплового расширения или конструкцию пружины в виде цилиндрической спирали как у морского хронометра. А модель Бонеко 7057 стоит всего 195 рублей (http://www.boneco.ru/catalog/accessories/7057/) стоит ли покупать продукцию великих восточных иммитаторов?

да, вывод по 7057 уже сделан. Это примитивный но вполне годный и недорогой индикатор. Единственный недостаток его конструкции - картонная шкала, добавляющая немного инерционности и гистерезиса. Их стоит просушивать перед каждой калибровкой и при перемещениях их ящика в ящик, и эти недостатки перестают проявляться. И разумеется - надо сразу же удалять у них стекла шкалы, препятствующие доступу воздуха к пружинам. Но их у нас всего шесть штук, остальное - китайский сброд.

Вот я и пытаюсь ради интереса и общего развития выяснить можно ли что-то сделать с остальными приборами, с теми, которые показывают аномалию с заскоком и возвратом. Например - механически ослабить пружины, размотав их пошире...

первый ценный вывод уже сделан, все приборы, в ч.т. электронные надо периодически просушивать. кроме аспирационных разумеется

[Baboon 0]

В идеальном случае для материала пружины использовать биметалл, для компенсации теплового расширения или конструкцию пружины в виде цилиндрической спирали как у морского хронометра.

подумал чуточку над динамикой и, кажется, понял.

Во первых - для пружин нужен не биметалл (он то как раз от изменений температур более активно меняет упругость и крутизну заворота пружины - это внесет ненужные погрешности), а наоборот - сплав, максимально инертный к температурным изменениям. Вроде такие есть... Тогда пружина из этого сплава, покрытая с одной из сторон разбухающей от влаги пленкой будет стабильно менять свой угол заворота в зависимости от отн.влажности. Ожидать линейности на диапазоне 0-100 конечно трудно, но для наших целей достаточно и диапазона 50-80.

во вторых - с какой стороны этот слой: изнутри или снаружи пружины. В случае когда пружина стабильна по температуре - это не важно. Пружина покрытая слоем изнутри будет разматываться при повышении влажности. Пружина покрытая снаружи - сматываться. Перемены температур не будут влиять на угол.

А вот если материал обычный, нестабильный - получается интересно. Пружина, ничем не покрытая, будет при нагреве разматываться. Теперь наложим эти явления друг на друга. Еще вспомним, что в герметичной среде ящика, при неизменном абсолютном количестве влаги, относительная меняется в обратной зависимости от температуры (в интересующем нас диапазоне 20-30С и 50-80% - почти линейно: примерно два процента на градус). Что получается?

Нестабильная пружина, покрытая водочувствительным слоем изнутри, будет шевелиться весьма лениво. Нагрев ее разматывает а снижающаяся при нагреве отн. влажность - сматывает. Итого - можно теоретически ожидать что пружина вообще будет стоять. Но практически пружина все таки будет шевелиться, просто стрелка будет ходить в более узком диапазоне углов отклонения, чем ожидалось, но хотя бы близко к линейной зависимости угла от влажности.

А вот та же нестабилизированная пружина, покрытая снаружи - будет шевелиться преувеличенно энергично. Реагировать на изменения быстрым ходом в "нужную" сторону. Даже если покрытие хилое и набухает не очень - термическая деформация все равно шевелит стрелку. Эффекты складываются.. Вроде бы здорово когда стрелка вдвое шустрее шевелится? Нет. Потому что такой механике мы будем иметь довольно широкий диапазон углов отклонения стрелки (намного шире чем в первом случае) и при этом совершенно случайный результат измерений, сильно зависящий от температуры, управлять которой я не могу, она всегда комнатная. Хуже того - поскольку стрелка-то бегает, возникает ложное ощущение того что измеритель работает и ему надо верить, т.е. в ответ на его колебания добавлять воды на губку или наоборот - сушить ящик. Хотя влага на самом деле нормальная, просто от включенного освещения ящик прогрелся на пару градусов....

если мои рассуждения верны - такой второй тип пружин надо как-то по особенному калибровать.... с термометром..... проще наверное все же выкинуть