Misure di Umidità: Principi di misura e Valutazione dell’incertezza  Marco Dell’Isola  Professore di Fisica Tecnica e Misure e Regolazioni Termofluidodinamiche  Responsabile Settore Umidità - Centro SIT n.105  Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Cassino Via Di Biasio, 43 – Cassino (Fr)

Igrometri relativi meccanici (principio di misura)  Basato sul fenomeno dell'elongazione di capelli umani in funzione dell'umidità.  Elementi sensibili: membrane, sia animali che sintetiche, carta, tessuti.  Esistono dispositivi ad uscita elettrica (potenziometro o estensimetro)

Igrometri relativi meccanici (Cause di incertezza)  Deriva di zero (stress meccanici, esposiz. ambienti secchi)  Isteresi  Contaminazione superficiale (ammoniaca, polveri, grassi)  Sensibilità alle vibrazioni  (elevato tempo di risposta)

Igrometri relativi resistivi (principio di misura)  Misurano la variazione di resistenza dell’elemento sensibile.  Si distinguono due tipi di sensori: a) conduzione di superficie; b) conduzione di massa.  La caratteristica del sensore è di tipo non lineare del tipo: (Un esempio di substrato utilizzato é il polistirene trattato con acido solforico).

Igrometri relativi capacitivi (principio di misura)  La variazione dell’umidità relativa provoca una variazione della capacità del sensore  Generalmente uno degli elettrodi è permeabile al vapor d’acqua.  La caratteristica del sensore è di tipo non lineare del tipo: (Un esempio di substrato utilizzato é l’acetato di cellulosa e la poliammide)

Igrometri relativi elettrici (Cause di incertezza)  temperatura dell’aria  contaminazione dell’elemento sensibile  fenomeni di condensazione  tensioni meccaniche indotte sull’elemento  irraggiamento diretto  tensione di alimentazione  impedenza di carico

Trasformazioni termodinamiche degli Igrometri indiretti ts, °C w, g/kg

Igrometri a condensazione (principio di misura)  Basato sulla progressiva diminuzione della temperatura superficiale di un elemento sensibile e conseguente raggiungimento della condizione di saturazione  La trasformazione termodinamica corrisponde ad un raffreddamento isotitolo a pressione costante (fino a T r o T b ) è tale che: Sorgente di luce (1), specchio riflettente (2), rilevatore di condensa (3), sistema di controllo (4), sensore di temperatura (5), sistema di raffreddamento/riscaldamento (6) scambiatore (7)

Igrometri a condensazione (Cause di incertezza)  incertezza sensore di temperatura  gradienti di temperatura: i) aria-condensato; ii) condensato-superficie raffreddata;ii) superficie raffreddata-sensore di temperatura;  effetto Kelvin(grado di finitura specchio)  effetto Raoult(presenza di contaminanti solubili)  attenuazione del segnale di trigger (la presenza di particolato sulla superficie dello specchio)  tipo e consistenza del film di condensa (liquido o solido)  fenomeni di condensazione, adsorbimento, desorbimento e perdite di carico (lungo la linea di campionamento)  portate di campionamento inadeguata (portata pulsante, troppo bassa o elevata dm3/h)

Psicrometri (principio di misura)  Basato sulla misura della differenza di temperatura tra la temperatura dell’aria e la temperatura di bulbo umido (temperatura alla quale si porta un termometro mantenuto costantemente bagnato mediante una garza ed investito dalla corrente d’aria umida)  Il funzionamento dello psicrometro é descritto dalla relazione di Ferrel :

Psicrometri (Cause di incertezza)  Incertezza dei sensori di temperatura  Variazioni del flusso conduttivo: i) garza e sensore di temperatura; ii) sensore di temperatura e serbatoio di alimento  Variazioni del flusso convettivo (velocità dell’aria): i) aria umida e film saturo; ii) film saturo e garza  Variazioni del flusso radiativo tra sensore e l’ambiente  Eccessivo essiccamento della garza  Sporcamento della garza  Intrusività in ambienti di dimensioni ridotte

Igrometri a sali saturi (principio di misura)  Basato sul principio che la pressione di vapore di una soluzione salina aumenta al crescere della temperatura e diminuisce all'aumentare della concentrazione del sale disciolto.  La soluzione salina viene riscaldata, la pressione di vapore della soluzione aumenta fino ad eguagliare quella del vapore d’acqua:

Igrometri a sali saturi (Cause di incertezza)  incertezza sensore di temperatura  variazione del flusso radiativo  variazione del flusso convettivo (velocità dell’aria)  variazione del flusso conduttivo (differenza di temperatura e lunghezza stelo)  contaminazione superficiale (sostanze solubili)

Igrometri elettrolitici (principio di misura)  Basato sull’essiccazione in una cella sensibile al P 2 O 5 ed una successiva elettrolisi dell'acqua adsorbita dal film di in ossigeno ed idrogeno  La misura della corrente richiesta é proporzionale al numero di molecole d'acqua dissociate (due elettroni per ogni molecola d'acqua)

Igrometri elettrolitici (Cause di incertezza)  incertezza sensore di corrente  ricombinazione di idrogeno ed ossigeno  fenomeni di occlusione  variazioni della portata  presenza di idrogeno e di ossigeno nel campione  presenza contaminanti che possono reagire con il P 2 O 5 (ammina, ammoniaca, alcool, ecc.)

Determinazione dell’incertezza tipo composta (ISO Guide)  Data una generica funzione  L’incertezza tipo composta uy può ricavarsi mediante la relazione :  che può scriversi più semplicemente come: avendo indicando con  i coefficienti di sensibilità definiti come  In alternativa l’incertezza tipo composta può ricavarsi mediante la relazione

Stima dell’incertezza di misura dell’umidità (misura indiretta dell’umidità relativa)  Misura indiretta di  mediante la misura di Tr e Ta  Misura indiretta di  mediante la misura di Tu e Ta  Misura indiretta di  mediante la misura di w e Ta

Esempio 1: Misura indiretta dell’umidità relativa Misure di Tr e Ta non correlate  Dati Ta=20°C; Tr=9,3°C (  =50%U.R). u(Ta)=0,32°C; u(Tr)=0,3°C  Dalla tabella ricaviamo che  (Ta)=-18,2  (Tr)=19  Risultato Misure di Tr e Ta perfettamente correlate  Dati Ta=20°C; Tr=9,3°C (  =50%U.R). u(Ta)=0,32°C; u(Tr)=0,3°C r(coeff. correlazione)=1  Dalla tabella ricaviamo che  (Ta)=-18,2  (Tr)=19  Risultato

Esempio 2: Misura indiretta dell’umidità relativa Misure di Tu,Ta e P non correlate  Dati Ta=20°C;Tu=10°C;P=101kPa (  =24%U.R). u(Ta)=0.24°C; u(Tu)=0,17°C; u(Tu)= 4 kPa;  Dalla tabella ricaviamo che  (Ta)=-50,3  (Tu)=68,5  (P)=-10,5  Risultato Misure di Tu,Ta e P correlate  Dati Ta=20°C;Tu=10°C;P=101kPa (  =24%U.R). u(Ta)=0.24°C; u(Tu)=0,17°C; r(Ta,Tu)=0,5  Dalla tabella ricaviamo che  (Ta)=-50,3  (Tu)=68,5  Risultato

Esempio 3: Misura indiretta del titolo Misure di Tr e P non correlate  Dati Tr=20°C; P=101,325 kPa (w=  g/kg). u(Tr)=0,16°C; u(P)=1,0 kPa  Dalla tabella ricaviamo che  (Tr)=18,6  (P)=-1,02  Risultato Misure di , Ta e P non correlate  Dati  =50%UR;Ta=20°C; P=101,325 kPa (w=  g/kg). u(Ta)=0,16°C; u(  )=0,5%U.R u(P)=1,0 kPa  Dalla tabella ricaviamo che  (Tr)=18,4  (  )=-  (P)=1,01  Risultato