Begreber og fysiske love

Luftens sammensætning

Ren og tør luft indeholder følgende bestanddele (i volumenprocent):

78,10 volumenprocent nitrogen,
20,93 volumenprocent ilt,
0,93 volumenprocent argon,
0,03 volumenprocent kuldioxid,
0,01 volumenprocent hydrogen
samt mindre mængder neon, helium, krypton og xenon.

Ud over disse bestanddele indeholder indendørs- og udendørsluft en række gasser og faste stoffer samt en vis mængde fugt i form af vanddamp. Luft er derfor en homogen blanding af forskellige gasser og kan betragtes som en "ideel gas". Solstråling og vind sikrer en ensartet blanding af de involverede gasser, så der ikke opstår lagdeling på trods af forskellene i vægtfylde.

Dalton's Lov P = P1 + P2 + ...

Det samlede tryk i en gasblanding består af summen af de enkelte bestanddeles partialtryk. Enkelt sagt består luft således af tør luft og vanddamp.

P = P_w + P_dry

hvor (Pw) repræsenterer det partialtryk, der produceres af vanddamp, og (Pdry) summen af partialtrykket for alle andre gasser.

Dampmætningstryk

Luft er i stand til at absorbere og lagre en vis mængde vanddamp afhængigt af dens temperatur. Denne mængde stiger med stigende temperatur. Ved en given temperatur kan det resulterende vanddampstryk kun stige op til mætningsgrænsen, der betegnes som mætningsvanddampstrykket PS.

Atmosfæretrykket og tilstedeværelsen af andre gasser eller forurenende stoffer har ingen indflydelse på den ovenfor beskrevne adfærd.

Dugpunkt

Dugpunktstemperaturen Td er den temperatur, hvor luften er mættet med vanddamp; yderligere tilsætning af vanddamp eller afkøling af luften resulterer i kondensation. Den overskydende vanddamp kondenserer som regn, tåge eller kondensat. Den mættede tilstand opretholdes. Dugpunktstemperaturen er lig med vanddampens mætningstemperatur og kan maksimalt være 100 °C ved normalt tryk.

Måleparametre

Luftens fugtighedsindhold kan karakteriseres ved to parametre. Vi skelner mellem relativ fugtighed og absolut fugtighed.

Hvad er relativ luftfugtighed?

Relativ luftfugtighed defineres som forholdet mellem det faktiske partielle damptryk Pw i en gas og det maksimalt mulige damptryk, dvs. mætningsdamptrykket Ps, ved den pågældende temperatur.

rH=100 * ( P_w / P_s (t) ) [%]

Relativ luftfugtighed er en dimensionsløs værdi. Den repræsenterer et forhold og angives i procent. Da mætningstrykket kun afhænger af luftens temperatur, følger det, at relativ luftfugtighed også afhænger af temperaturen.

Indflydelse af en temperaturvariation på ±1 K ved forskellige temperaturer og luftfugtigheder

Hvad er absolut fugtighed?

Den absolutte fugtighed a er mængden af vanddamp, der er indeholdt i et bestemt luftvolumen.

a= masse af vanddamp / luftvolumen

Enheden for absolut fugtighed er g/m3. Måling af absolut fugtighed har den store fordel, at den angiver den mængde vand, der faktisk er til stede i en gas, uafhængigt af temperaturen.

Blandingsforhold eller vandindhold (x)

Her angives forholdet mellem vanddampens masse og den tørre gas masse. Normalt anvendes enhederne g/kg tør luft og %.

Det angiver således, hvor mange gram vanddamp der er indeholdt i et kilogram tør luft. I procesteknik spiller bestemmelsen af vandindholdet en vigtig rolle, da det giver langt mere meningsfulde data sammenlignet med relativ luftfugtighed.

Absolut og relativ luftfugtighed har et fast forhold til hinanden. Enhederne for absolut luftfugtighed kan vælges i henhold til de respektive krav.

De mest almindelige enheder er:

Dugpunkt (-temperatur) - °CMiksningsforhold - g/kg tør luftAbsolut fugtighed - g/m3

Relationship between temperature, moisture content and relative humidity

The corresponding correlations are shown in the i-x diagram (Mollier diagram).

Eksempel på brug af diagrammet:
a) Bestemmelse af vandindholdet X og vanddampstrykket e

Målt:

Lufttemperatur 28 °C

Luftfugtighed 60 % rH

Find de målte værdier i diagrammet og bestem skæringspunktet A. Træk en lodret linje på skæringspunktet og fortsæt den til diagrammets øvre og nedre kant. Skæringspunktet ved den øvre kant giver vanddampstrykket e = 17 mm QS, som ved den nedre kant giver vandindholdet X = 14 g/kg.

b) Bestemmelse af dugpunktstemperaturen

Målt:

Lufttemperatur 28 °C

Luftfugtighed 60 % rH

Som beskrevet under a) Bestem skæringspunktet A. Fra skæringspunktet A går du lodret op til den maksimale luftfugtighed på 100 %, og fra dette punkt tegner du en linje på aksen (til venstre) med temperaturinddelingen. Det nye skæringspunkt giver en dugpunktstemperatur på 19,4 °C. Dugpunktstemperaturen på 19,4 °C er den samme som dugpunktstemperaturen på 19,4 °C.

Fugtighedsmålingsmetoder og deres applikationsområder

Der kan anvendes forskellige målemetoder til at bestemme luftfugtigheden. Valget af den mest egnede målemetode skal normalt træffes af brugeren i forbindelse med det objekt, der skal måles. Det er ofte muligt at opnå en højere målenøjagtighed eller at opfylde de ønskede krav ved hjælp af et simpelt, men korrekt indrettet fugtighedsmåleapparat. Som generel hjælp beskrives nogle af de mest kendte og hyppigst anvendte fugtighedsmålemetoder og deres applikationsområder nedenfor.

Psykrometrisk målemetode

Med den psykrometriske målemetode bestemmes den relative luftfugtighed direkte. Målemetoden er baseret på princippet om varmeveksling.

Psykrometeret består grundlæggende af to uafhængige temperatursensorer, hvoraf den ene bruges som fugtighedstemperatursensor og den anden som tør temperaturføler. Fugtighedstemperatursensoren er omgivet af et absorberende stof, der er gennemvædet med vand. Afhængigt af temperaturen eller fugtindholdet i den cirkulerende luft frigives en vis mængde vanddamp ved fordampning gennem en nødvendig luftstrøm. Dette får overfladen på det fugtige termometer til at afkøles mærkbart (vådkugletemperatur). Samtidig måles lufttemperaturen i omgivelserne (tør temperatur) med den anden temperatursensor. Den således bestemte psykrometriske temperaturforskel er et mål for den relative luftfugtighed i luften.

Med psykrometeret og omhyggelig håndtering kan der foretages præcise målinger af luftfugtigheden. For eksempel anvendes aspirationspsykrometre ifølge Assmann som internationalt anerkendte reference- og kontrolapparater. En integreret ventilator med fjederoptræk sikrer en gennemsnitlig konstant lufthastighed på ca. 3 m/s, som strømmer omkring termometrene. Temperaturforskellen aflæses på to kalibrerede glastermometre.

Evalueringen udføres manuelt ved hjælp af en tabel eller et grafisk psykrometerpanel. Aspirationspsykrometerdiagrammerne fra den tyske vejrtjeneste, opdelt i tiendedele af en grad, kan også bruges til højere evalueringsnøjagtighed.

Ud over aspiration-psykrometeret findes der også en række andre forskellige modeller. Applikationsområdet for de fleste mekaniske psykrometre med glastermometre er begrænset til klimaområdet for målinger ved temperaturer ≤ 60 °C. Fordelen ved disse modeller er, at der ikke kræves strømforsyning.

De elektriske psykrometre muliggør et udvidet applikationsområde. Vådkugle- og tørkugletemperaturerne måles med Pt-100 modstandstermometre. Det betyder, at den relative fugtighed, der bestemmes i henhold til »Sprungsche-formlen«, kan vises direkte eller viderebehandles i mikroprocessorstyrede display-, kontrol- og registreringsenheder med tilsvarende indgangskredsløb. Temperaturområdet er fra næsten 0 til 100 °C.

Den psykrometriske målemetode er ufølsom over for andre fugtighedsmålemetoder og tillader derfor i vid udstrækning målinger i snavsede, opløsningsmiddelholdige og aggressive gasser. Elektriske psykrometre anvendes f.eks. til kontinuerlige målinger i slagter- og osteindustrien.

Med den psykrometriske målemetode, som har været kendt i mere end hundrede år, er der realiseret en enkel og omkostningseffektiv fugtighedsmålemetode. Pålidelige kontinuerlige målinger kræver dog applikationsspecifikke kriterier, der skal opfyldes. For eksempel tilstrækkelig ventilation og befugtning samt vedligeholdelse af måleudstyret. Detaljer findes i betjenings- og procedurevejledningen til det pågældende instrument.

Kapacitiv målemetode

Fugtindholdet i den omgivende luft, som afhænger af temperaturen, trænger ind i fugtighedsfølerens hygroskopiske øvre elektrode som vanddamp og når frem til den aktive polymerfilm.

Mængden af vanddamp, der absorberes i polymerfilmen, ændrer fugtighedsfølerens elektriske egenskaber og har den virkning, at kapacitansen ændres. Kapacitansændringen er proportional med ændringen i relativ fugtighed og evalueres af efterfølgende elektronik og omdannes til et standardiseret udgangssignal. Evalueringselektronikken skal tilpasses den respektive fugtighedsfølers grundlæggende kapacitet.

Takket være det specielle design og den lave egenvægt af de kapacitive fugtighedssensorer opnås meget hurtige responstider. Desuden er de stort set ufølsomme over for let tilsmudsning og støv. Som beskyttelse mod kontakt med overfladen er sensorerne indkapslet i et plastikhus. Der findes dugfrie versioner til anvendelse i områder med høj luftfugtighed.

Kapacitive målemetoder anvendes f.eks. i klimabranchen og i industrielle processer, hvor der ikke er høje koncentrationer af ætsende gasser eller opløsninger.

Standardmåleområdet for kapacitive fugtighedssensorer er overvejende 10 til 90 % RF. Med versioner af højere kvalitet er målinger i området mellem 0 og 100 % RF mulige.

En af de største fordele ved den kapacitive målemetode er det mulige temperaturområde, inden for hvilket fugtighedsmålingerne kan udføres. For eksempel tillader moderne fugtighedssensorer til industrielle applikations målinger mellem -40 og +180 °C, hvor temperaturen registreres samtidigt og også er tilgængelig som et standardiseret udgangssignal.

Afhængigt af instrumentversionen er afvigelser fra det viste arbejdsområde mulige.

På grund af den rent elektriske måling tilbyder den kapacitive målemetode en yderligere fordel. For eksempel kan højkvalitets fugtighedssensorer, der er udstyret med den nyeste mikroprocessorteknologi, udstyres med en række mulige optioner og funktioner.

Da forskellige gastryk og lufthastigheder næsten ikke har nogen indflydelse på den kapacitive fugtighedsføler, findes der udstyrsversioner, der muliggør målinger i trykbelastede systemer mellem 0 og 100 bar.

Målenøjagtigheden ligger mellem ±2 og ±5 % rf, afhængigt af instrumentversionen. Under visse betingelser kan der endda opnås målenøjagtigheder på ±1 % RH.

Hygrometrisk målemetode

Den hygrometriske målemetode udnytter de særlige egenskaber ved hygroskopiske fibermaterialer til at bestemme luftfugtigheden. Hvis disse fibre udsættes for omgivende luft, opstår der efter en kompensationstid målbare længdeændringer afhængigt af luftens fugtindhold.

Den respektive tilstand af massen gør det nu muligt at drage en direkte konklusion om den aktuelle luftfugtighed. I hygrometriske måleelementer anvendes hovedsageligt specielt forberedte plasttråde og menneskehår.

Hårmåleelement

Måleelementets effektivitet er baseret på, at det anvendte hår er i stand til at absorbere fugt. Absorptionen af fugt skaber en hævelse af håret, hvilket hovedsageligt kan ses som en ændring i længden.

Med stigende luftfugtighed bliver håret længere. Længdeændringen er ca. 2,5 % i forhold til hårlængden ved en ændring i fugtighed fra 0 til 100 %. Håret udviser dog kun en relativt lille forlængelse ved høj luftfugtighed (se figuren ovenfor).

Hårmåleelementer anvendes fortrinsvis i pointerinstrumenter til klimatiske applikationer. Ændringen i hårets længde overføres til en pointer eller blyant ved hjælp af en speciel præcisionsmekanisk transmission. Af hensyn til den mekaniske stabilitet kombineres flere hår til en hårbundt eller en hårharpe.

Målemetoden garanterer en nøjagtighed på ±3 % i måleområdet fra 0 til 90 (100) % RH. Omgivelsestemperaturer fra -35 til +50 °C er mulige. Ved længerevarende brug i det lave fugtighedsområde under 40 % RF skal hårelementet regenereres. Til dette formål udsættes hårhygrometeret for næsten mættet luft (ca. 94 til 98 %) i ca. 60 minutter. En eventuel korrektion af pointerpositionen kan derefter udføres med en justeringsskrue. Hårhygrometre er følsomme over for hygroskopisk støv og skal derfor beskyttes eller rengøres med jævne mellemrum.

Plastmåleelement

Det plastiske måleelement bruger plasttråde i stedet for menneskehår. En særlig proces giver disse fibre også hygroskopiske egenskaber. Ændringer i den relative luftfugtighed medfører en proportional ændring i måleelementets længde. Forlængelsen overføres også via en præcisionsmekanisk transmission.

Fordelen ved det plastiske måleelement er, at det kan bruges ved højere temperaturer (op til 110 °C) og også over en længere periode ved lav relativ luftfugtighed. En regenerering, som man kender fra hårmåleelementerne, er her ikke nødvendig.

Plastmåleelementet er vandtæt og ufølsomt over for tørt snavs, støv, fnug og lignende forurening. Måle- eller arbejdsområdet er (0)30 til 100 % RH, men afhænger af omgivelsestemperaturen (se figuren nedenfor). Målenøjagtigheden er ±2 til 3 %.

Hygrometriske transducere med et plastelement anvendes til kontinuerlige målinger i industriel procesteknik og i klimatiske applikationer på grund af deres høje ufølsomhed og højere temperaturkompatibilitet. Afhængigt af den respektive applikation er der en lang række instrumentversioner til rådighed.

Disse omfatter, men er ikke begrænset til:

Hygrosensor

Ændringen i længden af det plastiske måleelement registreres af et passende system og omdannes normalt til et lineært modstandssignal. Der findes også versioner med indbyggede to-tråds transmittere, hvorved der er standardiserede strøm- og spændingssignaler til rådighed ved udgangen. Enheder med et ekstra temperaturmåleområde kaldes hygrotermiske transducere.

Hygrostat

I denne variant bruges ændringen i måleelementets længde til at aktivere en skiftekontakt. Hygrostatene bruges til at styre befugtnings- og affugtningssystemer.

Hygrograf

Hygrografen er en fugtighedsregistreringsenhed med hygrometriske hår- eller plastmåleelementer. Det er også muligt at registrere temperaturen (hygrotermograf). Applikationsområderne er f.eks. vejrstationer.

Med den hygrometriske målemetode er det generelt muligt at måle fugtighed i luft uden tryk og uden aggressive stoffer. Målinger i opløsningsmiddelholdige og aggressive medier bør undgås, da deres type og koncentration kan forårsage forkerte målinger eller ødelægge måleelementet.

Afsluttende bemærkning

Afsnittet om fugtighedsmålemetoder og deres applikationsområder omhandler grundlæggende principper. De beskrevne instrumentversioner og tekniske specifikationer kan derfor afvige fra producentens. Mere detaljerede oplysninger findes derfor i brugsanvisningen eller datablade for de enkelte instrumenter.