Como melhorar as medições de umidade em ambientes extremamente secos

Exemplo de caso em gases de alta pureza na indústria de processos

Normalmente, entende-se que a melhor maneira de alcançar alta precisão é adquirir um instrumento de medição com as melhores especificações. Para medições de umidade, isso significa um instrumento do tipo analisador, já que, em teoria, são muito precisos. No entanto, os analisadores são mais caros do que instrumentos industriais mais robustos. Eles também são mais sensíveis aos efeitos ambientais e, portanto, exigem condições específicas e estáveis. 

Normalmente, os analisadores não medem diretamente do processo. Em vez disso, uma amostra de gás é retirada, conduzida ao analisador e, em seguida, descartada. Os problemas com amostras de gás são comuns em todas as medições: 

• Elas podem não ser representativas das condições reais do processo.
• Também podem ser afetadas por fatores externos durante o amostragem e a análise.
• Podem ser afetadas por vazamentos ou até mesmo ser a fonte de vazamentos.  

Por exemplo, imagine que você está pesando um pó. Se o pó ficar molhado pela chuva entre a amostragem e a pesagem, a amostra não refletirá o peso e a composição reais do pó. Da mesma forma, o vapor d'água pode facilmente alterar e aumentar a umidade de uma amostra de gás, levando a resultados imprecisos, mesmo com os instrumentos mais avançados e novos.

Experimentos

Para demonstrar o problema e estudar seus impactos, construímos uma configuração de teste (demonstrada na Figura 1). A ideia básica da configuração era manter uma umidade constante, que foi então perturbada ao alterar a temperatura da tubulação em um intervalo de 20 °C a 27 °C. Em teoria, isso resultaria em um efeito de adsorção/desorção, que influencia a quantidade total de vapor d'água que sai da câmara de calor. Da mesma forma, um tubo de amostragem do campo até o laboratório de medição pode estar exposto às condições climáticas externas e, portanto, às mudanças de temperatura. Em uma escala menor, as variações de temperatura internas também podem ter um impacto semelhante. Durante os experimentos, a pressão do gás foi mantida dentro de um intervalo de 1 bar(a) a 2 bar(a) e a vazão foi, em todos os momentos, inferior a 1 l/min, o que corresponde às vazões dos analisadores.

A configuração foi composta por um gerador de umidade, dois instrumentos de ponto de orvalho Vaisala DMT152, uma câmara de calor com um tubo de aço eletropolido de 6,7 m e um analisador CRDS. Um instrumento de ponto de orvalho DMT152 foi colocado antes e depois da câmara de calor (Figura 1). A tubulação do segundo DMT152 para o analisador foi mantida o mais curta possível para minimizar os efeitos ambientais entre o DMT152 e o analisador. A temperatura da câmara de calor foi monitorada com dois sensores de temperatura.
 

Resultados

Várias medições foram realizadas com diferentes pressões, caudais e umidades. A câmara de calor foi controlada da mesma forma em cada um dos experimentos. (Veja a Figura 2.)

Na Figura 2, conforme a temperatura (preta) é perturbada cada vez mais, o DMT152 na saída detecta uma umidade mais instável, enquanto a umidade de entrada permanece constante durante a medição. No final da medição, a temperatura é estabilizada na temperatura de laboratório e ambos os instrumentos DMT152 voltam a estar estáveis e indicam a mesma temperatura de ponto de orvalho. Esta imagem demonstra claramente o efeito da estabilidade da temperatura do tubo de amostragem na umidade de saída - e, portanto, nas medições de umidade.

Outra medição é mostrada na Figura 3. Aqui, a umidade de entrada não foi tão estável quanto na Figura 2, mas tanto os instrumentos DMT152 quanto o analisador CRDS indicam uma tendência semelhante. No entanto, na Figura 3, a umidade de entrada é muito menos instável em comparação com o analisador CRDS ou o DMT152 na saída. De fato, a umidade na saída muda tanto que nem o DMT152 nem o analisador CRDS indicam a umidade de entrada correta, e ambos estão fora de suas especificações. No entanto, aqui os instrumentos estão totalmente funcionais e seu desempenho é conhecido por aderir às suas especificações; o problema está no tubo de amostragem. A variação de temperatura causa um fenômeno de adsorção/desorção, o que resulta em variações na umidade na saída do tubo de amostragem.

Resultados da campanha de medição indicaram:

• A mudança máxima na temperatura do ponto de orvalho causada por adsorção/desorção foi superior a 4 °C.
• Impactos da vazão: maior vazão, maior ruído.
• Quanto mais mudanças de temperatura, maior o efeito de adsorção/desorção na tubulação.
• Quanto menor a umidade, maior o efeito relativo.
   

Principais Conclusões

Neste artigo, foram testados os efeitos ambientais na amostragem. Se o ambiente de medição ou a amostragem não forem ideais, isso pode ter um impacto significativo nos resultados da medição. Como mostrado nas Figuras 2 e 3, o DMT152, mais acessível e localizado na entrada, supera o analisador mais caro devido à melhor representatividade da medição do processo em linha. Portanto, é recomendado realizar medições diretamente no local de interesse e minimizar o uso de amostragem sempre que possível. Essa abordagem também é significativamente mais econômica, graças à configuração e ao princípio de medição mais simples.
 

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