چرا اندازه گیری دمای نقطه شبنم مهم است؟

نقطه شبنم چیست؟

نقطه شبنم dew point به دمایی گفته میشئد که در آن نقطه (دما)، هوا از بخار آب اشباع میشود. به عبارت دیگر با سرد شدن هوا (در یک فشار ثابت و بدون تغییر رطوبت)، به دمایی می‌رسیم که در دما، هوا توسط بخار آب اشباع خواهد شد و بخار آب موجود در هوا شروع به میعان کرده و قطرات ریز آب تشکیل خواهد شد. به صورت علمی تر اگر بخواهیم نقطه شبنم را توضیح دهیم باید به این نکته اشاره کنیم که با سرد شدن هوا و کاهش دما، در دمای نقطه شبنم نرخ میعان بخار آب و تبخیر بخار آب برابر شده و  میتوان گفت بخار آب موجود در هوا با آب مایع به تعادل میرسد. در این حالت بخار آب بصورت قطرات مایع روی سطوح جامد نشسته و تشکیل قطرات شبنم را خواهد داد. مهم‌ترین عامل برای رسیدن به نقطه شبنم یا همان ایجاد قطرات بر روی سطوح، تغییر و کاهش دما بدون هیچ تغییری در فشار و رطوبت نسبی محیط میباشد.

اندازه گیری دمای نقطه شبنم کاربردهای بسیار زیاد و گسترده ای در صنایع، علوم تهویه مطبوع و هواشناسی دارد. در اینجا لازم است به تفاوت های بین رطوبت نسبی نقطه شبنم اشاره کرده و روابط ریاضی بین آنها را توضیح دهیم.

مقایسه رطوبت نسبی (RH%) و نقطه شبنم (Td)

در یک دمای ثابت، نسبت فشار بخار آب موجود در هوا به فشار اشباع بخار آب را رطوبت نسبی می‌نامند. رطوبت نسبی را در علوم مهندسی با درصد نشان می‌دهند. با بیانی دیگر میتوان اینگونه توضیح داد که هنگامی که رطوبت نسبی 50% میباشد به این معنی میباشد میزان رطوبت موجود در هوا برابر با نصف مقدار ماکزیمم ممکن آن است. و همچنین زمانی که رطوبت نسبی برابر با 100% میباشد، دمای نقطه شبنم و دمای هوا یکسان هستند. در این شرایط اگر دما اندکی افت کند، میعان رخ می‌دهد و آب مایع شروع به شکل گرفتن می‌کند. در اینجا باید اشاره کنیم که دمای نقطه شبنم همواره کمتر از دمای هوا است. 

یکی از مثال هایی که مفهوم رطوبت را جا می اندازد این است که اختلاف دمای میان روز و شب در مناطق مرطوب، کمتر از مناطق با آب و هوای خشک (کویری) میباشد. دلیل این موضوع این است که در محیط‌های مرطوب، مقادیر بخار آب بیشتری در هوا وجود دارد و خورشید سخت تر هوا را گرم میکند.

رطوبت نسبی را می‌توان با مقایسه دمای هوا و دمای نقطه شبنم، محاسبه کرد. رابطه بین پارامترهای بیان شده به شکل زیر نشان داده می‌شود.

محاسبه نقطه شبنم

همانطور که بالاتر نیز اشاره کردیم، دمای نقطه شبنم که دمایی است که در آن هوای مرطوب باید تا آن درجه دمایی سرد شود تا نسبت بخار آب موجود در هوا به میزان  اشباع آن برسد.  برای محاسبه دمای این نقطه، فرمول و روش های مختلفی وجود داشته یکی از آنها روش ریاضی زیر میباشد.

Td= T-((100-RH)/5)

در این دما Td دمای نقطه شبنم، T دمای هوا و RH درصد رطوبت نسبی میباشد.

برای این منظور دستگاه ها و تکنولوژی های مختلفی در صنایع مورد استفاده قرار میگیرند که با نام دستگاه های نم سنج یا رطوبت سنج شناخته میشوند. این دستگاه ها بصورت کاملآ فیزیکی دمای نقطه شبنم را اندازه گیری میکنند و آن را در قالب سیگنال های آنالوگ به سیستم های کنترل ارسا کرده یا بصورت محلی آن را نمایش میدهند. با استفاده از نمودار زیر نیز می‌توان دمای نقطه شبنم هوا در یک دمای معین و در رطوبت نسبی‌های مختلف را مورد محاسبه قرار داد.

روشی ساده برای اندازه‌گیری دمای نقطه شبنم

برای اندازه گیری دمای نقطه شبنم، درون یک ظرف که دارای جداره ای کاملآ صاف و صیقلی میباشد، مخلوط آب و یخ ریخته و آن را در تماس با هوای محیط قرار ‌می‌دهیم. پس از سپری شدن مدت زمانی کوتاه، بر روی جداره خارجی ظرف، قطرات آب به صورت مایع تشکیل خواهد شد. این قطرات همان شبنم هستند. در ادامه دمای آب را به کمک دماسنج اندازه می‌گیریم که این دما، دمای نقطه شبنم Dew Point میباشد.

محاسبه دمای نقطه شبنم به کمک دستگاه Dew Point Meter:

برای محاسبه دمای نقطه شبنم در صنایع، از دستگاه‌ها و شاخص‌های مختلفی استفاده می‌شود که دارای سزعت پاسخ دهی سریع و دقت بسیار بالاتری نسبت به روش بالایی هستند. یکی از این دستگاه ها، دستگاه‌های رطوبت سنج میباشد. رطوبت سنج از دو دماسنج تشکیل شده که وظیفه این دماسنج‌ها اندازه گیری رطوبت و دمای هوا میباشد. با محاسبه دو پارامتر رطوبت و دما، و جایگذاری آنها در فرمول یا نمودار بالا ‌دمای نقطه شبنم قابل محاسبه خواهد بود. برخی از این دستگاه‌های الکترونیکی دارای یک صفحه نمایش دیجیتالی میباشند که بر روی آن عواملی نظیر هوای نسبی و رطوبت نسبی دما و سایر پارامترها را نشان میدهد.

پارامترهای متعددی در انتخاب یک Dew Pont Meter تاثیر گذار میباشند.

1- رنج دمایی دستگاه اندازه گیری شاید مهمترین فاکتور در انتخاب یک دستگاه اندازه گیری نقطه شبنم باشد. رنج دمایی، محدوده ای از دما میباشد که سنسور می تواند نقطه شبنم را در آن بازه دمایی اندازه گیری کند.

2- رنج فشار دستگاه اندازه گیری نیز از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. ما به هنگام انتخاب یک دستگاه اندازه گیری دمای شبنم باید بدانیم که دستگاه در چه بازه ای از فشار سیستم قادر به اندازه گیری خواهد بود.

3- سیگنال های خروجی دستگاه از دیگر مشخصات مهم برای انتخاب سنسور دمای نقطه شبنم است. این خروجی ها نشان می دهند که سنسور می تواند اطلاعاتی که اندازه گیری کرده است را با چگونه نمایش داده و برای سیستم کنترلی ارسال کند.

4- ثبت داده ها و اطلاعات و آنالیز آنها یکی دیگر از مشخصه های دستگاه اندازه گیری میباشد. باید بتوانید تشخیص دهید که اطلاعات ثبت شده می توانند آنالیز شوند یا خیر.

انواع سنسور های دستگاه های اندازه گیری نقطه شبنم

دستگاه های اندازه گیری دمای نقطه شبنم از سنسور ها و تکنولوژی های مختلفی برای این کار استفاده میکنند که در ادامه به معرفی برخی از آنها اشاره خواهیم کرد

نقطه شبنم سنج آینه سرد:

این سنسور ها یک سطح آینه ای شکل را در داخل سیستم خنک می کنند، تا زمانی که بخار آب موجود در هوای سیستم شروع به متراکم شدن روی آن خواهد کرد. این نوع دستگاه بسیار دقیق میباشد و برای سرویس ها و سیستم هایی که دقت در آنها مهم است مورد استفاده میباشد. بیشترین کاربرد این نوع سنسور های آزمایشگاه ها میباشند.

نقطه شبنم سنج خازنی:

وقتی هوا بیشتر مرطوب می شود، خواص الکتریکی (ظرفیت خازنی) سنسور این دستگاه تغییر می کند. این دستگاه یک سنسور اندازه گیری این تغییرات را داشته که هنگامی که سطح رطوبت هوا به نقطه شبنم می رسد، این ویژگی ها تغییر می کند. این دستگاه ها قابل اعتماد هستند و از آنها برای استفاده در محیط های سخت مانند فرآیندهای صنعتی استفاده میشود.

نقطه شبنم سنج مقاومتی:

مکانیزم عملکرد شبنم سنج مقاومتی تغییر در رطوبت نسبی میباشد که می تواند باعث تغییر در مقاومت بین کاتد و آند شود. رطوبت نسبی و دمای نقطه شبنم با اندازه گیری تغییر رسانایی سنسور مقاومتی تعیین می شود. از مزایای نقطه شبنم سنج مقاومتی می توان به ضریب دمای کم، مصرف برق کم و هزینه کم اشاره کرد. محدودیت این شبنم سنج این است که در استفاده طولانی مدت نیاز به کالیبراسیون و نگهداری منظم خواهد داشت. همچنین برای محیط هایی که دارای آلاینده و ذرات جامد و خورنده هستند مناسب نمیباشد.

اندازه گیری دمای نقطه شبنم در صنایع مختلف

اندازه گیری نقطه شبنم و همینطور رطوبت یکی از مهمتریم پارامترهای مورد اندازه گیری در صنایع میباشند. برای مثال در بسیاری از صنایع برای راه اندازی تجهیزات پنوماتیکی از هوای فشرده استفاده میشود. کیفیت این هوا اط نظر رطوبت، خشکی و تمیز بودن و عاری بودن از هزگونه  ناخالصی و ... از عواملی هستند که برای ما در صنایع از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند. با کنترل کیفیت این هوا می‌توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرد. همچنین در صنایعی که نیاز به میزان مشخصی از رطوبت در تجهیزات میباشد، از خشکی بیش از حد تجهیزات جلوگیری کرد یا در صنایعی که وجود هرگونه رطوبت منجر به خوردگی و آسیب دیدن تجهیزات میشود از ورود رطوبت به تجهیزات و رسیدن دما به دمای نقطه شبنم جلوگیری به عمل آورد.

در مثالی  دیگر، در صنایع مختلف، برای جلوگیری از خوردگی دستگاه‌ها باید دمای نقطه اسید شبنم را محاسبه کرده و گرما را متناسب با آن کنترل کنند. از آنجا که اسید سبب خوردگی فلزات و دستگاه‌ها می‌شود، این خوردگی آسیب و ضرر‌های بسیاری را به همراه می‌آورد. در نتیجه تما‌می ‌پالایشگاه‌ها و کارخانه‌ها برای کارایی مطلوب و ایمنی بالاتر باید دما و نقاط شبنم را محاسبه کنند.  این چالش خوردگی در تصفیه خانه‌های آب و فاضلاب، پالایشگاه‌ها و… بسیار حائز اهمیت است. همچنین نقطه شبنم و تراکم هوای تحت فشار مشکلاتی نظیر انسداد لوله ها، خرابی ماشین آلات، آلودگی و یخ زدگی و… را نیز به همراه دارد.

در ادامه به سایر صنایعی که اندازه گیری دمای نقطه شبنم در آنها کاربرد دارد اشاره میکنیم:

• تهویه مطبوع یا HVAC
• هواشناسی 
• صنایع غذایی و دارویی
• صنایع فولاد