Pomiar wilgotności powietrza
Poza temperaturą, wilgotność jest bardzo ważnym parametrem procesu. Przykładowo, względna wilgotność otaczającej atmosfery ma daleko idący wpływ na nasze samopoczucie i zdrowie. W procesach przemysłowych właściwa regulacja wilgotności jest często decydująca dla konkurencyjności i jakości produktu. Pomiar temperatury i wilgotności w pomieszczeniach może również przyczynić się do znacznych oszczędności w zużyciu energii oraz do wykrycia miejsc zagrożonych pod kątem pleśni. Lista zastosowań, w których pomiar wilgotności powietrza jest uważany za istotny, może być rozszerzana w nieskończoność. Wszędzie tam, gdzie zawartość pary wodnej może wytwarzać lub wpływać na procesy chemiczne, fizyczne lub biologiczne, bardzo ważne jest, aby wilgotność była stale monitorowana.
Czyste i suche powietrze zawiera następujące składniki (w % objętościowych):
78,10 % azotu
20,93 % tlenu
0,93 % argon
0,03 % dwutlenku węgla
0,01 % wodór
oraz niewielkie ilości neonu, helu, kryptonu i ksenonu.
Oprócz tych składników, powietrze w pomieszczeniach i poza nimi zawiera pewną ilość gazów i substancji stałych oraz pewną ilość wilgoci w postaci pary wodnej. Powietrze jest zatem jednorodną mieszaniną różnych gazów i można je uznać za "gaz idealny". Promieniowanie słoneczne i wiatr zapewniają jednorodne mieszanie wchodzących w jego skład gazów, dzięki czemu nie dochodzi do rozwarstwienia pomimo różnic w ciężarze właściwym składników powietrza.
Całkowite ciśnienie mieszaniny gazów składa się z sumy ciśnień cząstkowych jej składników. Wyrażone w uproszczeniu, powietrze składa się zatem z suchego powietrza i pary wodnej.
P = P_w + P_dry
gdzie (P_w) oznacza ciśnienie cząstkowe wytwarzane przez parę wodną, a (P_dry) - sumę ciśnień cząstkowych wszystkich innych gazów.
Powietrze jest zdolne do pochłaniania i magazynowania pewnej ilości pary wodnej w zależności od jej temperatury. Ilość ta wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Przy danej temperaturze cząsteczki powstałe ciśnienie pary wodnej może wzrosnąć tylko do granicy nasycenia, która jest określona jako ciśnienie nasycenia pary wodnej PS.
Ciśnienie atmosferyczne i obecność innych gazów lub zanieczyszczeń nie mają wpływu na opisane powyżej zachowanie.
Krzywa ciśnienia pary wodnej wskazuje maksymalne nasycenie powietrza parą wodną w różnych temperaturach.
Temperatura punktu rosy Td to temperatura, w której powietrze jest nasycone parą wodną; dalsze dodawanie pary wodnej lub chłodzenie powietrza powoduje jego kondensację. Nadmiar pary wodnej kondensuje się w postaci deszczu, mgły lub kondensatu. Stan nasycenia jest utrzymywany. Temperatura, jaką osiąga ciśnieniowy punkt rosy, jest równa temperaturze nasycenia parą wodną i może wynosić maksymalnie 100 °C. Monitoring temperatury punktu rosy prowadzi się, by uniknąć m.in. problemów związanych z pleśnią.
Aby obliczyć punkt rosy, można skorzystać z przybliżonego wzoru:
gdzie:
td – temperatura punktu rosy [°C]
t – temperatura
H - wilgotność względna w %
Dostępne są dwie zmienne pomiarowe do identyfikacji zawartości wilgoci w powietrzu. Rozróżnia się tu wilgotność względną i absolutną.
Wilgotność względna jest definiowana jako stosunek między rzeczywistym cząstkowym ciśnieniem pary Pw w gazie a maksymalnym możliwym ciśnieniem pary, tj. nasyconym ciśnieniem pary Ps, w danej temperaturze.
rH=100 * ( Pw / Ps (t) ) [%].
Wilgotność względna jest wartością bezwymiarową. Stanowi ona stosunek i jest określona w procentach. Ponieważ ciśnienie nasycenia zależy tylko od temperatury powietrza, wynika z tego, że wilgotność względna jest również zależna od temperatury.
Wilgotność bezwzględna a jest to ilość pary wodnej zawartej w określonej objętości powietrza.
a= masa pary wodnej / objętość powietrza
Jednostka dla wilgotności bezwzględnej to g/m3. Pomiar wilgotności bezwzględnej ma tę zaletę, że reprezentuje on ilość wody rzeczywiście znajdującej się w gazie, niezależnie od temperatury.
Tutaj pokazany jest stosunek masy pary wodnej do masy suchego gazu. Najczęściej używane jako jednostki g/kg suchego powietrza i %.
Wskazuje on zatem, ile gramów pary wodnej znajduje się w jednym kilogramie suchego powietrza. W inżynierii procesowej ważną rolę odgrywa określenie zawartości wody, ponieważ dostarcza ona znacznie bardziej znaczących danych niż wilgotność względna.
Wymiary wilgotności bezwzględnej i względnej znajdują się w stałym stosunku do siebie. Jednostki wilgotności bezwzględnej mogą być dobierane zgodnie z odpowiednimi wymaganiami.
Najczęstszymi jednostkami są:
Jednostki wilgotności bezwzględnej w stosunku do wilgotności względnej
Odpowiednie zależności są pokazane na wykresie i-x (wykres Molliera).
Przykład użycia diagramu:
a) Ustalenie zawartości wody X i ciśnienia pary wodnej e
Zmierzone:
Temperatura powietrza 28 °C
Wilgotność 60 % rH
Metoda:
Znajdź zmierzone wartości na wykresie i wyznacz punkt przecięcia A. Wyznacz pionową linię na punkcie przecięcia i przeciągnij do górnej i dolnej krawędzi wykresu. Punkt przecięcia na górnej krawędzi daje ciśnienie pary wodnej e = 17 mm QS, które na dolnej krawędzi daje zawartość wody X = 14 g/kg.
b) Punkt rosy — jak obliczyć?
Zmierzone:
Temperatura powietrza 28 °C
Wilgotność 60 % rH
Jak opisano w punkcie a) Wyznaczyć punkt przecięcia A. Z punktu przecięcia A przejść pionowo do maksymalnej wilgotności 100% i od tego punktu narysować linię na osi (po lewej) z podziałem temperatury. Nowy punkt przecięcia wyznacza temperaturę punktu rosy na poziomie 19,4 °C. Z tego punktu należy narysować linię na osi (po lewej) ze skalą temperatury. Temperatura punktu rosy 19,4 °C jest taka sama jak temperatura punktu rosy 19,4 °C.
Zależność między temperaturą, wilgotnością i wilgotnością względną
Temperaturę określamy za pomocą różnych metod pomiarowych. Wybór najbardziej odpowiedniej metody pomiarowej jest zazwyczaj dokonywany przez klienta w zależności od obiektu, który ma być przedmiotem pomiaru. Często możliwe jest osiągnięcie większej dokładności pomiaru lub spełnienie pożądanych wymagań używając prosty, ale prawidłowo rozmieszczony miernik wilgotności. Dla ogólnej pomocy poniżej opisano niektóre z najbardziej znanych i najczęściej stosowanych metod pomiaru wilgotności i ich obszary zastosowania.
Psychrometr elektryczny
Struktura rezystora temperatury
Metodą pomiaru psychometrycznego dokonuje się bezpośredniego pomiaru wilgotności względnej powietrza. Metoda pomiarowa opiera się na zasadzie wymiany ciepła.
Psychrometr składa się zasadniczo z dwóch niezależnych czujników temperatury, z których jeden jest stosowany jako czujnik temperatury "wilgotny", a drugi jako czujnik temperatury "suchy". Czujnik temperatury wilgotności jest otoczony chłonną tkaniną nasączoną wodą. W zależności od temperatury lub wilgotności krążącego powietrza, pewna ilość pary wodnej jest uwalniana przez odparowanie poprzez niezbędny przepływ powietrza. Powoduje to zauważalne schłodzenie powierzchni wilgotnego termometru (temperatura mokrej główki). W tym samym czasie za pomocą drugiego czujnika temperatury mierzona jest temperatura powietrza otoczenia (temperatura "sucha"). Określona w ten sposób psychometryczna różnica temperatur jest miarą wilgotności względnej powietrza.
Temperatura mokrego termometru to najniższa temperatura, do jakiej można schłodzić ciało przy pomocy parowania w danej wilgotności powietrza i ciśnieniu atmosferycznym. Aby ją odczytać, termometr należy zmoczyć, a następnie umieścić w strumieniu powietrza. Metoda ta służy do tego, by określić poziom wilgotności. Gdy wilgotność względna wynosi 100%, temperatura termometru suchego i mokrego nie różni się. Przy niższej wilgotności termometr mokry wskazuje niższą temperaturę, ze względu na występowanie zjawiska zwanego chłodzeniem wyparnym.
Przy pomocy psychrometru i starannej obsługi można przeprowadzić dokładne pomiary wilgotności powietrza. Na przykład psychrometry aspiracyjne według Assmanna są stosowane jako uznane na całym świecie urządzenia referencyjne i kontrolne. Wbudowany wentylator z uzwojeniem sprężynowym zapewnia średnią stałą prędkość przepływu powietrza ok. 3 m/s, które przepływa wokół termometrów. Różnica temperatur jest odczytywana na dwóch skalibrowanych szklanych termometrach.
Ocenę przeprowadza się ręcznie za pomocą tabeli lub panelu graficznego psychrometru. Dla większej dokładności pomiaru można również wykorzystać wykresy psychrometru aspiracyjnego Niemieckiej Agencji Pogodowej, podzielone na dziesiąte części stopnia.
Oprócz psychrometrów aspiracyjnych dostępne są również różne wersje wykresów. Zakres zastosowania większości psychrometrów mechanicznych z termometrami szklanymi jest ograniczony do zakresu temperatur pomiaru ≤ 60 °C. Zaletą tych konstrukcji jest to, że nie jest wymagane zasilanie elektryczne.
Psychrometry elektryczne umożliwiają rozszerzenie zakresu zastosowań. Pomiar temperatury "mokrej" i "suchej głowicy" odbywa się za pomocą termometrów oporowych Pt-100. Oznacza to, że wilgotność względna określona zgodnie z "wzorem Sprungsche" może być bezpośrednio wyświetlana lub dalej przetwarzana w sterowanych mikroprocesorem urządzeniach wyświetlających, sterujących i rejestrujących z odpowiednim obwodem wejściowym. Zakres temperatur wynosi od prawie 0 do 100 °C.
Psychometryczna metoda pomiarowa jest niewrażliwa na inne metody pomiaru wilgotności i dlatego w dużym stopniu umożliwia pomiary w brudnych, zawierających rozpuszczalniki i agresywnych gazach. Na przykład psychrometry elektryczne są stosowane do ciągłych pomiarów w przemyśle masarskim i serowarskim.
Dzięki znanej od ponad stu lat psychrometrycznej metodzie pomiaru zrealizowano prostą i ekonomiczną metodę pomiaru wilgotności. Niezawodne pomiary ciągłe wymagają jednak spełnienia specyficznych dla danego zastosowania kryteriów. Na przykład wystarczająca wentylacja i nawilżanie, jak również konserwacja urządzeń pomiarowych. Szczegóły można znaleźć w instrukcji obsługi i danego urządzenia.
Wilgotność powietrza atmosferycznego, zależna od temperatury, przenika do higroskopijnej górnej elektrody czujnika wilgotności jako para wodna i dociera do aktywnej warstwy polimeru.
Ilość pary wodnej pochłoniętej w folii polimerowej zmienia właściwości elektryczne czujnika wilgotności i ma wpływ na zmianę jego pojemności. Zmiana pojemności jest proporcjonalna do zmiany wilgotności względnej i jest analizowana przez dalszą elektronikę i przekształcana na znormalizowany sygnał wyjściowy. Elektronika pomiarowa musi być dostosowana do podstawowej pojemności danego czujnika wilgotności.
Dzięki specjalnej konstrukcji i małej masie własnej pojemnościowych czujników wilgotności uzyskuje się bardzo krótkie czasy reakcji. Ponadto, są one w dużej mierze niewrażliwe na lekkie zabrudzenia i kurz. W celu ochrony przed kontaktem z powierzchniami, czujniki są zamknięte w obudowie z tworzywa sztucznego. Dla zastosowań w zakresie wysokiej wilgotności dostępne są specjalne wykonania czujników.
Pojemnościowe metody pomiarowe stosowane są np. w sektorze klimatycznym oraz w procesach przemysłowych, w których nie występuje wysokie stężenie gazów korozyjnych lub roztworów.
Standardowy zakres pomiarowy dla pojemnościowych czujników wilgotności to przede wszystkim 10 do 90 % RH. W przypadku bardziej zaawansowanych jakościowo wersji możliwe są pomiary w zakresie od 0 do 100 % RH.
Zakres roboczy pojemnościowego czujnika wilgotności do zastosowań przemysłowych
Zmiana długości włosa w zależności od wilgotności względnej (metoda pomiaru higrometrycznego)
Jedną z głównych zalet metody pomiaru pojemnościowego jest możliwy do osiągnięcia zakres temperatur, w których można przeprowadzać pomiary wilgotności. Na przykład, nowoczesne czujniki wilgotności do zastosowań przemysłowych umożliwiają pomiary w zakresie od -40 do +180 °C, przy czym temperatura jest jednocześnie rejestrowana i dostępna jest również w postaci znormalizowanego sygnału wyjściowego.
W zależności od wersji przyrządu możliwe są odchylenia wyświetlanego zakresu roboczego.
Ze względu na czysto elektryczny pomiar, metoda pomiaru pojemnościowego oferuje jeszcze jedną zaletę. Na przykład, wysokiej jakości czujniki wilgotności wyposażone w najnowszą technologię mikroprocesorową mogą być wyposażone w wiele możliwych opcji i funkcji.
Ponieważ różne ciśnienia gazu i prędkości powietrza nie mają prawie żadnego wpływu na pojemnościowy czujnik wilgotności, dostępne są wersje urządzeń, które umożliwiają pomiary w układach ciśnieniowych od 0 do 100 bar.
Dokładność pomiaru wynosi od ±2 do ±5 % rf, w zależności od wersji przyrządu. W pewnych warunkach można uzyskać nawet dokładność pomiaru ±1 % RH.
Metoda pomiaru higrometrycznego wykorzystuje specjalne właściwości higroskopijnych materiałów włóknistych do określania wilgotności powietrza. Jeżeli włókna te są wystawione na działanie otaczającego powietrza, to po upływie czasu kompensacji, w zależności od wilgotności powietrza, następują mierzalne zmiany długości.
Odpowiedni stan masy włóknistej pozwala na bezpośredni pomiar wilgotności powietrza. W higrometrycznych elementach pomiarowych stosuje się głównie specjalnie przygotowane plastikowe nici i ludzkie włosy.
Zasada pomiaru opiera się na tym, że wykorzystane włosy są w stanie wchłonąć wilgoć. Wchłanianie wilgoci powoduje efekt obrzęku włosów, który jest zauważalny głównie jako zmiana długości.
Wraz z rosnącą wilgocią włosy wydłużają się. Zmiana długości wynosi ok. 2,5 % w stosunku do długości włosów przy zmianie wilgotności od 0 do 100 %. Włosy wykazują jednak tylko stosunkowo niewielkie wydłużenie przy wysokiej wilgotności (patrz rysunek powyżej).
Włosy w przyrządach pomiarowych do zastosowań w warunkach klimatycznych stosowane są najczęściej jako elementy wskaźnikowe. Zmiana długości włosów jest przenoszona na wskaźnik lub ołówek za pomocą specjalnego precyzyjnego przeniesienia mechanicznego. Ze względu na stabilność mechaniczną, kilka włosów łączy się w wiązkę lub harfę do włosów.
Metoda pomiaru gwarantuje dokładność ±3 % w zakresie pomiarowym od 0 do 90 (100) % RH. Możliwe są temperatury otoczenia w zakresie od -35 do +50 °C. Przy długotrwałym użytkowaniu w zakresie niskiej wilgotności poniżej 40 % RH element włosowy musi zostać zregenerowany. W tym celu higrometr do włosów jest wystawiony na działanie prawie nasyconego powietrza (ok. 94 do 98 %) przez ok. 60 minut. Ewentualna korekta położenia wskaźnika może być wówczas przeprowadzona za pomocą śruby regulacyjnej. Higrometr włosowy jest wrażliwy na pył higroskopijny i dlatego musi być chroniony lub czyszczony w regularnych odstępach czasu.
Plastikowy element pomiarowy wykorzystuje plastikowe nici zamiast ludzkiego włosa. Specjalny proces nadaje również tym włóknom właściwości higroskopijne. Zmiany wilgotności względnej powodują proporcjonalną zmianę długości elementu pomiarowego. Wydłużenie jest również przenoszone za pomocą precyzyjnej przekładni mechanicznej.
Zaletą elementu pomiarowego z tworzywa sztucznego jest to, że może on być stosowany w wyższych temperaturach (do 110 °C), a także przez dłuższy okres czasu przy niskiej wilgotności względnej. Regeneracja znana z włosowych elementów pomiarowych nie jest tu wymagana.
Plastikowy element pomiarowy jest odporny na wodę i nie jest wrażliwy na suche zabrudzenia, kurz, pył i podobne zanieczyszczenia. Zakres pomiarowy lub roboczy wynosi (0)30 do 100 % RH, ale zależy od temperatury powietrza (patrz rysunek poniżej). Dokładność pomiaru wynosi od ±2 do 3 %.
Maks. temperatura i wilgotność dla plastikowego elementu pomiarowego.
Przyrządem do wyznaczania wilgotności powietrza są higrometry. Wyróżniamy m.in elektroniczne higrometry oraz higrometry przemysłowe do zastosowań profesjonalnych. Higrotermometry pozwalają na pomiar wilgotności w pomieszczeniu.
Przetworniki wilgotności higrometryczne z elementem z tworzywa sztucznego są stosowane do pomiarów ciągłych w procesach przemysłowych i klimatycznych ze względu na ich wysoką niewrażliwość i większą kompatybilność temperaturową. W zależności od danego zastosowania dostępne są różne wersje przyrządów.
Należą do nich między innymi:
W tym wariancie zmiana długości elementu pomiarowego jest wykorzystywana do uruchomienia styku przełączającego. Higrostaty wykorzystywane są do sterowania układami nawilżania i osuszania.
Higrograf jest rejestratorem wilgotności z higrometrycznymi włosami lub plastikowymi elementami pomiarowymi. Możliwy jest również dodatkowy zapis temperatury (higrotermograf). Obszary zastosowań to np. stacje meteorologiczne.
Przy zastosowaniu metody pomiaru higrometrycznego możliwy jest, z reguły, pomiar wilgotności powietrza w nieagresywnym i niesprężonym powietrzu. Należy unikać pomiarów w mediach zawierających rozpuszczalniki i np. mediach agresywnych, ponieważ ich rodzaj i stężenie może powodować błędne pomiary lub zniszczyć element pomiarowy.
W części dotyczącej metod pomiaru wilgotności i obszarów ich zastosowania omówiono podstawowe zasady. Opisane wersje przyrządów oraz ich specyfikacje techniczne mogą się zatem różnić od specyfikacji producenta. Bardziej szczegółowe informacje można zatem znaleźć w instrukcji obsługi lub w kartach katalogowych poszczególnych przyrządów.