Jēdzieni un fizikālie likumi

Gaisa sastāvs

Tīrs un sauss gaiss satur šādas sastāvdaļas (tilpumprocentos):
78,10 tilp. % slāpekļa
20,93 tilp. % skābekļa
0,93 tilp. % argona
0,03 tilp. % oglekļa dioksīds
0,01 tilp. % ūdeņraža
kopā ar mazākiem neona, hēlija, kriptona un ksenona daudzumiem.

Papildus šīm sastāvdaļām iekštelpu un āra gaiss satur virkni gāzu un cietu vielu, kā arī zināmu daudzumu mitruma ūdens tvaiku veidā. Tāpēc gaiss ir viendabīgs dažādu gāzu maisījums, un to var uzskatīt par “ideālo gāzi”. Saules starojums un vējš nodrošina vienmērīgu gāzu sajaukšanos, tāpēc, neraugoties uz īpatnējā svara atšķirībām, nepastāv slāņošanās.

Daltona likums P = P1 + P2 + ...

Gāzu maisījuma kopējo spiedienu veido tā sastāvdaļu parciālo spiedienu summa. Vienkārši izsakot, gaiss sastāv no sausa gaisa un ūdens tvaika.

P = _Pw + _Pdry

kur (_Pw) ir ūdens tvaika radītais parciālais spiediens un (Pdry) visu pārējo gāzu parciālo spiedienu summa.

Tvaika piesātinājuma spiediens

Gaiss spēj absorbēt un uzkrāt noteiktu ūdens tvaiku daudzumu atkarībā no tā temperatūras. Šis daudzums palielinās, paaugstinoties temperatūrai. Jebkurā konkrētā temperatūrā ūdens tvaika spiediens var palielināties tikai līdz piesātinājuma robežai, ko apzīmē kā piesātinājuma ūdens tvaika spiedienu_PS.

Atmosfēras spiediens un citu gāzu vai piesārņotāju klātbūtne neietekmē iepriekš aprakstītās īpašības.

Rasas punkts

Rasas punkta temperatūra _Td ir temperatūra, kurā gaiss ir piesātināts ar ūdens tvaiku; tālāka ūdens tvaika pievienošana vai gaisa dzesēšana izraisa kondensāciju. Ūdens tvaika pārpalikums kondensējas lietus, miglas vai kondensāta veidā. Piesātinātais stāvoklis saglabājas. Rasas punkta temperatūra ir vienāda ar ūdens tvaika piesātinājuma temperatūru, un tā var būt ne augstākais 100 °C normālā spiedienā.

Mērījumu parametri

Gaisa mitruma saturu var raksturot ar diviem parametriem. Izšķir relatīvo mitrumu un absolūto mitrumu.

Sajaukšanas attiecība vai ūdens saturs (x)

Šeit tiek attēlota ūdens tvaika masas attiecība pret sausās gāzes masu. Parasti izmanto vienības g/kgskābā gaisa un %.

Tādējādi tas norāda, cik gramu ūdens tvaiku ir vienā kilogramā sausa gaisa. Procesu inženierijā ūdens satura noteikšanai ir svarīga nozīme, jo tā sniedz daudz nozīmīgākus datus salīdzinājumā ar relatīvo mitrumu.

Absolūtā un relatīvā mitruma lielumiem ir noteikta savstarpēja saistība. Absolūtā mitruma mērvienības var izvēlēties atbilstoši attiecīgajām prasībām.

Visbiežāk sastopamās mērvienības ir šādas:

rasas punkts (-temperatūra) - °C
sajaukšanās koeficients - g/kg sausa gaisa
absolūtais mitrums - g/m3

Saistība starp temperatūru, mitruma saturu un relatīvo mitrumu

Attiecīgās korelācijas ir parādītas i-x diagrammā (Moljē diagrammā).

Diagrammas izmantošanas piemērs:
a) Ūdens satura X un ūdens tvaika spiediena e noteikšana

Izmērīts:

Gaisa temperatūra 28 °C

Mitrums 60 % rH

Atrodiet diagrammā izmērītās vērtības un nosakiet krustpunktu A. Uz krustpunkta uzvelciet vertikālu līniju un novilciet to līdz diagrammas augšējai un apakšējai malai. No krustpunkta augšējā malā iegūst ūdens tvaika spiedienu e = 17 mm QS, bet no apakšējās malas - ūdens saturu X = 14 g/kg.

b) Rasas punkta temperatūras noteikšana

Izmērīts:

Gaisa temperatūra 28 °C
Mitrums 60 % rH

Kā aprakstīts a) punktā, nosaka krustpunktu A. No krustpunkta A iet vertikāli līdz maksimālajam 100 % mitrumam un no šī punkta uz ass (pa kreisi) velk līniju ar temperatūras dalījumu. Jaunais krustpunkts iegūst rasas punkta temperatūru 19,4 °C. Rasas punkta temperatūra 19,4 °C ir tāda pati kā rasas punkta temperatūra 19,4 °C.

Mitruma mērīšanas metodes un to izmantošanas jomas

Gaisa mitruma noteikšanai var izmantot dažādas mērīšanas metodes. Piemērotākās mērīšanas metodes izvēle parasti jāveic lietotājam saistībā ar mērāmo objektu. Bieži vien ir iespējams panākt lielāku mērījumu precizitāti vai izpildīt vēlamās prasības, izmantojot vienkāršu, bet pareizi izvietotu mitruma mērīšanas ierīci. Vispārīgai palīdzībai turpmāk ir aprakstītas dažas pazīstamākās un biežāk izmantotās mitruma mērīšanas metodes un to pielietojuma jomas.

Psihrometriskā mērīšanas metode

Izmantojot psihrometrisko mērīšanas metodi, relatīvo gaisa mitrumu nosaka tieši. Mērīšanas metodes pamatā ir siltuma apmaiņas princips.

Psihrometrs pamatā sastāv no diviem neatkarīgiem temperatūras sensoriem, no kuriem vienu izmanto kā mitruma temperatūras sensoru, bet otru - kā sausās temperatūras sensoru. Mitruma temperatūras sensoru ieskauj absorbējošs audums, kas iemērkts ūdenī. Atkarībā no cirkulējošā gaisa temperatūras vai mitruma satura, iztvaikojot nepieciešamajā gaisa plūsmā, izdalās noteikts ūdens tvaiku daudzums. Tā rezultātā mitrā termometra virsma ievērojami atdziest (mitrā termometra temperatūra). Tajā pašā laikā ar otru temperatūras sensoru tiek mērīta vides gaisa temperatūra (sausā temperatūra). Šādi noteiktā psihrometriskā temperatūras starpība ir gaisa relatīvā mitruma mērvienība.

Izmantojot psihrometru un uzmanīgi rīkojoties, var veikt precīzus gaisa mitruma mērījumus. Piemēram, aspirācijas psihrometrus saskaņā ar Assmann metodi izmanto kā starptautiski atzītas references un kontroles ierīces. Integrēts ventilators ar atsperu tinumu nodrošina vidēji konstantu aptuveni 3 m/s gaisa plūsmas ātrumu ap termometriem. Temperatūras starpību nolasa uz diviem kalibrētiem stikla termometriem.

Novērtēšanu veic manuāli, izmantojot tabulu vai grafisko psihrometra paneli. Lielākai novērtēšanas precizitātei var izmantot arī Vācijas meteoroloģiskā dienesta aspirācijas psihrometra diagrammas, kas sadalītas pa grāda desmitdaļām.

Papildus aspirācijas psihrometram ir pieejami arī dažādi dažādi modeļi. Lielākās daļas mehānisko psihrometru ar stikla termometriem pielietojuma joma ir ierobežota ar klimata diapazonu mērījumiem temperatūrā ≤ 60 °C. Šo konstrukciju priekšrocība ir tā, ka nav nepieciešams barošanas avots.

Elektriskie psihrometri nodrošina paplašinātu pielietojuma lauku. Mitrā termometra un sausā termometra temperatūru mēra ar Pt-100 pretestības termometriem. Tas nozīmē, ka relatīvo mitrumu, kas noteikts saskaņā ar “Sprungsche formulu”, var tieši parādīt vai tālāk apstrādāt ar mikroprocesoru kontrolētās displeja, vadības un ieraksta ierīcēs ar atbilstošām ieejas shēmām. Temperatūras diapazons ir gandrīz no 0 līdz 100 °C.

Psihrometriskā mērīšanas metode nav jutīga pret citām mitruma mērīšanas metodēm, un tāpēc to lielā mērā var izmantot mērījumiem netīrās, šķīdinātājus saturošās un agresīvās gāzēs. Piemēram, elektriskos psihrometrus izmanto nepārtrauktiem mērījumiem gaļas un siera rūpniecībā.

Ar psihrometrisko mērīšanas metodi, kas ir pazīstama jau vairāk nekā simts gadus, ir radīta vienkārša un ekonomiski izdevīga mitruma mērīšanas metode. Tomēr, lai veiktu uzticamus nepārtrauktus mērījumus, ir jāizpilda specifiski piemērošanas kritēriji. Piemēram, pietiekama ventilācija un mitrināšana, kā arī mērīšanas iekārtu apkope. Sīkāka informācija ir atrodama attiecīgā instrumenta lietošanas un procedūru instrukcijās.

Kapacitatīvā mērīšanas metode

Apkārtējā gaisa mitruma saturs, kas ir atkarīgs no temperatūras, mitruma sensora higroskopiskā augšējā elektroda veidā iekļūst ūdens tvaika veidā un sasniedz aktīvo polimēra plēvi.

Ūdens tvaika daudzums, kas uzsūcas polimēra plēvē, maina mitruma sensora elektriskās īpašības un ietekmē kapacitātes izmaiņas. Kapacitātes izmaiņas ir proporcionālas relatīvā mitruma izmaiņām, un tās novērtē pakārtotā elektronika un pārveido standartizētā izejas signālā. Izvērtēšanas elektronikai jābūt pielāgotai attiecīgā mitruma sensora pamatkapacitātei.

Pateicoties īpašai konstrukcijai un nelielajam kapacitatīvo mitruma sensoru tukšajam svaram, tiek panākts ļoti ātrs reakcijas laiks. Turklāt tie lielā mērā nav jutīgi pret vieglu netīrumu un putekļiem. Lai pasargātu sensorus no saskares ar virsmu, tie ir iebūvēti plastmasas korpusā. Lietojumiem augstā mitruma diapazonā ir pieejami pret rasas veidošanos izturīgi varianti.

Kapacitatīvās mērīšanas metodes tiek izmantotas, piemēram, klimata nozarē un rūpnieciskajos procesos, kur nav augstas korozīvo gāzu vai šķīdumu koncentrācijas.

Kapacitatīvo mitruma sensoru standarta mērījumu diapazons pārsvarā ir no 10 līdz 90 % relatīvā mitruma. Ar augstākas kvalitātes versijām ir iespējami mērījumi diapazonā no 0 līdz 100 % relatīvā mitruma.

Viena no kapacitatīvās mērīšanas metodes galvenajām priekšrocībām ir iespējamais temperatūras diapazons, kurā var veikt mitruma mērījumus. Piemēram, mūsdienīgi mitruma sensori rūpnieciskiem lietojumiem ļauj veikt mērījumus no -40 līdz +180 °C temperatūrā, vienlaikus reģistrējot temperatūru, kas ir pieejama arī kā standartizēts izejas signāls.

Atkarībā no mērinstrumenta versijas ir iespējamas novirzes no parādītā darba diapazona.

Tā kā mērījumi ir tikai elektriskie, kapacitatīvā mērīšanas metode piedāvā vēl vienu priekšrocību. Piemēram, augstas kvalitātes mitruma sensorus, kas aprīkoti ar jaunāko mikroprocesoru tehnoloģiju, var aprīkot ar dažādām iespējamām opcijām un funkcijām.

Tā kā atšķirīgs gāzes spiediens un gaisa ātrums gandrīz neietekmē kapacitatīvo mitruma sensoru, ir pieejamas ierīču versijas, kas ļauj veikt mērījumus sistēmās ar spiedienu no 0 līdz 100 bāriem.

Mērījumu precizitāte ir no ±2 līdz ±5 % rf atkarībā no ierīces versijas. Noteiktos apstākļos var sasniegt pat ±1 % RH mērījumu precizitāti.

Higrometriskā mērīšanas metode

Higrometriskā mērīšanas metode gaisa mitruma noteikšanai izmanto higroskopisko šķiedru materiālu īpašās īpašības. Ja šīs šķiedras tiek pakļautas apkārtējā gaisa iedarbībai, pēc kompensācijas laika rodas izmērāmas garuma izmaiņas atkarībā no gaisa mitruma satura.

Attiecīgais celulozes stāvoklis tagad ļauj izdarīt tiešu secinājumu par gaisa mitrumu. Higrometriskajos mērīšanas elementos galvenokārt izmanto īpaši sagatavotus plastmasas pavedienus un cilvēka matus.

Matu mērīšanas elements

Mērīšanas elementa efektivitātes pamatā ir tas, ka izmantotie mati spēj absorbēt mitrumu. Mitruma uzsūkšanās rada matu uzbriešanas efektu, kas galvenokārt ir pamanāms kā garuma izmaiņas.

Palielinoties mitruma līmenim, mati kļūst garāki. Garuma izmaiņas ir aptuveni 2,5 % attiecībā pret matu garumu, ja mitrums mainās no 0 līdz 100 %. Tomēr pie liela mitruma matos ir vērojams tikai salīdzinoši neliels pagarinājums (sk. attēlu iepriekš).

Matu mērīšanas elementus vēlams izmantot rādītāju instrumentos, kas paredzēti klimatiskiem lietojumiem. Matu garuma izmaiņas tiek pārnestas uz rādītāju vai zīmuli, izmantojot īpašu precīzu mehānisku pārnesi. Mehāniskās stabilitātes apsvērumu dēļ vairākus matiņus apvieno, veidojot matu saišķi vai matu arfu.

Mērīšanas metode garantē precizitāti ±3 % mērījumu diapazonā no 0 līdz 90 (100) % relatīvā mitruma. Iespējama apkārtējās vides temperatūra no -35 līdz +50 °C. Ilgstošai lietošanai zema mitruma diapazonā, kas ir zemāks par 40 % relatīvā mitruma, matu elements ir jāreģenerē. Šim nolūkam matu higrometru aptuveni 60 minūtes pakļauj gandrīz piesātināta gaisa (aptuveni 94 līdz 98 %) iedarbībai. Pēc tam ar regulēšanas skrūvi var veikt iespējamo rādītāja stāvokļa korekciju. Matu higrometri ir jutīgi pret higroskopiskiem putekļiem, tāpēc tie regulāri jāaizsargā vai jātīra.

Plastmasas mērīšanas elements

Plastmasas mērīšanas elementā cilvēka matu vietā tiek izmantoti plastmasas pavedieni. Īpašs process arī šīm šķiedrām piešķir higroskopiskas īpašības. Relatīvā mitruma izmaiņas izraisa proporcionālas mērīšanas elementa garuma izmaiņas. Pagarinājums tiek pārraidīts arī ar precīzu mehānisko transmisiju.

Plastmasas mērīšanas elementa priekšrocība ir tā, ka to var izmantot augstākā temperatūrā (līdz 110 °C), kā arī ilgāku laiku pie zema relatīvā mitruma. Reģenerācija, kas pazīstama no matu mērīšanas elementiem, šeit nav nepieciešama.

Plastmasas mērīšanas elements ir ūdensizturīgs un nejūtīgs pret sausiem netīrumiem, putekļiem, pūpoliem un līdzīgiem piesārņojumiem. Mērīšanas vai darba diapazons ir no (0)30 līdz 100 % relatīvā mitruma, bet tas ir atkarīgs no apkārtējās vides temperatūras (sk. attēlu zemāk). Mērījumu precizitāte ir ±2 līdz 3 %.

Higrometriskos devējus ar plastmasas elementu izmanto nepārtrauktiem mērījumiem rūpniecisko procesu inženierijā un klimatiskajos lietojumos, jo tie ir ļoti nejutīgi un izturīgi pret augstāku temperatūru. Atkarībā no attiecīgā lietojuma ir pieejamas dažādas instrumentu versijas.

Tie ietver, bet neaprobežojas ar:

Hygro sensors

Plastmasas mērīšanas elementa garuma izmaiņas tiek uztvertas ar piemērotu sistēmu un parasti pārveidotas lineārā pretestības signālā. Ir pieejamas arī versijas ar iebūvētiem divvadu raidītājiem, kuru izejā ir pieejami standartizēti strāvas un sprieguma signāli. Ierīces ar papildu temperatūras mērīšanas diapazonu sauc par higrotermo devēju.

Hygrostats

Šajā variantā mērīšanas elementa garuma izmaiņas tiek izmantotas, lai aktivizētu komutācijas kontaktu. Higrostatus izmanto mitrināšanas un susināšanas sistēmu vadībai.

Higrogrāfs

Higrogrāfs ir mitruma reģistrēšanas ierīce ar higrometriskiem matu vai plastmasas mērīšanas elementiem. Ir iespējama arī papildu temperatūras reģistrēšana (higrotermogrāfs). Pielietojuma jomas ir, piemēram, meteoroloģiskās stacijas.

Izmantojot higrometrisko mērīšanas metodi, parasti ir iespējami mitruma mērījumi nesaspiestā un neagresīvā gaisā. Jāizvairās no mērījumiem šķīdinātājus saturošās un agresīvās vidēs, jo to veids un koncentrācija var izraisīt nepareizus mērījumus vai iznīcināt mērīšanas elementu.

Nobeiguma novērojums

Sadaļā par mitruma mērīšanas metodēm un to pielietojuma jomām aplūkoti pamatprincipi. Tāpēc aprakstītās instrumentu versijas un tehniskās specifikācijas var atšķirties no ražotāja specifikācijām. Tāpēc sīkāku informāciju var atrast atsevišķu instrumentu lietošanas instrukcijās vai datu lapās.