Terimler ve Fiziksel Yasalar

Havanın Bileşimi

Saf ve kuru havada aşağıdaki bileşenler bulunur:

• %78,10 hacim azot
• %20,93 hacim oksijen
• %0,93 hacim argon
• %0,03 hacim karbondioksit
• %0,01 hacim hidrojen
  Ayrıca daha küçük miktarlarda neon, helyum, kripton ve ksenon da mevcuttur.

Bu bileşenlere ek olarak, kapalı ve açık ortamlardaki havada çeşitli gaz ve katı maddeler ile belirli bir miktarda su buharı formunda nem bulunur. Dolayısıyla hava, farklı gazların homojen bir karışımıdır ve “ideal gaz” olarak kabul edilebilir.

Güneş ışınımı ve rüzgarlar, gazların eşit şekilde karışmasını sağlar; böylece özgül ağırlıklarının farklı olmasına rağmen tabakalaşma oluşmaz.

Dalton Yasası

P = P₁ + P₂ + ...

Bir gaz karışımının toplam basıncı, bileşenlerinin kısmi basınçlarının toplamından oluşur. Basitçe ifade etmek gerekirse, hava kuru hava ve su buharından meydana gelir:

P = Pw + Pₜʀᴏᴄᴋᴇɴ

Burada Pw, su buharının oluşturduğu kısmi basıncı, Pₜʀᴏᴄᴋᴇɴ ise diğer tüm gazların kısmi basınçlarının toplamını ifade eder.

Su Buharı Doyma Basıncı

Hava, sıcaklığına bağlı olarak belirli bir miktarda su buharını içine alabilir ve tutabilir. Sıcaklık arttıkça havanın su buharı alma kapasitesi de artar.

Belirli bir sıcaklıkta oluşan su buharı basıncı, yalnızca doyma sınırına kadar yükselebilir ve bu değer su buharı doyma basıncı (Pₛ) olarak adlandırılır.

Ortam basıncının veya diğer gazların ya da kirleticilerin varlığının, bu davranış üzerinde herhangi bir etkisi yoktur.

Çiğ Noktası

Çiğ noktası sıcaklığı (Tₐᵤ / Td), havanın su buharı ile doygun hâlde bulunduğu ve ortama ek su buharı verilmesi ya da havanın soğutulması sonucunda yoğuşmanın başladığı sıcaklıktır.

Bu noktadan sonra havadaki fazla su buharı yağmur, sis veya kondens suyu şeklinde yoğuşarak ayrışır. Ancak hava, bu süreç boyunca doygun hâlini korur.

Çiğ noktası sıcaklığı, su buharı doyma sıcaklığı ile eşdeğerdir ve normal basınç altında maksimum 100 °C olabilir.

Ölçüm Büyüklükleri

Havadaki nem miktarını ifade etmek için iki farklı ölçüm büyüklüğü kullanılır: göreceli nem ve mutlak nem. Bu iki değer, nem içeriğini farklı yöntemlerle tanımlar.

Was ist relative Feuchte?

Die relative Luftfeuchtigkeit ist das Verhältnis zwischen dem Partialdruck des in einem Gas vorhandenen Wasserdampfes (Pw) und dem maximal möglichen Wasserdampfdruck, d. h. dem Sättigungsdruck des Wasserdampfes (Ps) bei der betreffenden Temperatur.

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

Die relative Luftfeuchtigkeit ist eine dimensionslose Größe. Er ist ein Verhältnis und wird in Prozent (%) angegeben. Da der Sättigungsdruck nur von der Lufttemperatur abhängt, hängt die relative Luftfeuchtigkeit auch von der Temperatur ab.

Einfluss einer Temperaturschwankung von ±1 K bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten

Was ist absolute Feuchte?

Die absolute Feuchte (a) gibt diejenige Wasserdampfmenge an, die in einem bestimmten Luftvolumen enthalten ist.

a= Masse des Wasserdampfes / Luftvolumen

Die Maßeinheit für absolute Feuchte ist g/m3. Die Messung der absoluten Feuchte hat den großen Vorteil, dass sie die tatsächlich vorhandene Wassermenge z. B. in einem Gas unabhängig von der Temperatur wiederspiegelt.

Karışım Oranı veya Su İçeriği (x)

Bu değer, su buharının kütlesinin kuru gazın kütlesine oranını ifade eder. Genellikle kullanılan birimler g/kg kuru hava ve % şeklindedir.

Başka bir ifadeyle, 1 kilogram kuru havada kaç gram su buharı bulunduğunu gösterir.
Proses tekniğinde su içeriğinin belirlenmesi çok önemli bir rol oynar, çünkü relatif neme kıyasla daha anlamlı ve karşılaştırılabilir veriler sağlar.

Mutlak nem ve relatif nem büyüklükleri birbirleriyle doğrudan ilişkilidir. Mutlak nemin birimleri, uygulamanın gereksinimlerine göre seçilebilir.

En yaygın kullanılan birimler şunlardır:

• Çiğ noktası (sıcaklığı) — °C
• Karışım oranı — g/kg kuru hava
• Mutlak nem — g/m³

Sıcaklık, Nem İçeriği ve Relatif Nem Arasındaki İlişki

Bu ilişkiler, i-x diyagramında (Mollier diyagramı) gösterilir.

Diyagramın Kullanımına Örnek

a) Su içeriği X ve su buharı basıncı e’nin belirlenmesi

Ölçülen değerler:

• Hava sıcaklığı: 28 °C
• Relatif nem: %60 rF

Diyagramda ölçülen değerler bulunur ve A noktası belirlenir.
Bu noktadan yukarı ve aşağı doğru dikey bir çizgi çizilir.

• Üst kenardaki kesişim, su buharı basıncı: e = 17 mm QS
• Alt kenardaki kesişim, su içeriği: X = 14 g/kg

b) Çiğ noktası sıcaklığının belirlenmesi

Ölçülen değerler:

• Hava sıcaklığı: 28 °C
• Relatif nem: %60 rF

Önce yine A noktası bulunur.
A noktasından, diyagramdaki %100 relatif nem eğrisine dik bir çizgi çıkarılır.
Bu yeni noktadan sola, sıcaklık ölçeğine doğru bir çizgi çizilir.
Sol eksende elde edilen kesişim, aranan çiğ noktası sıcaklığıdır: 19,4 °C.

Nem Ölçüm Yöntemleri ve Uygulama Alanları

Havadaki nemi belirlemek için farklı ölçüm yöntemleri kullanılabilir. En uygun yöntemin seçimi, çoğunlukla kullanıcının ölçmek istediği prosese ve koşullara bağlıdır.

Doğru yerleştirilmiş basit bir nem ölçüm düzeni bile, daha yüksek ölçüm doğruluğu sağlamak veya istenen gereksinimleri karşılamak için yeterli olabilir.

Aşağıda, en yaygın kullanılan nem ölçüm yöntemleri ve bu yöntemlerin uygulama alanlarına ilişkin genel bir rehber sunulmaktadır.

Psikrometrik Ölçüm Yöntemi

Psikrometrik ölçüm yöntemiyle relatif nem doğrudan ölçülebilir. Bu yöntem, ısı alışverişi prensibine dayanır.

Psikrometre temel olarak birbirinden bağımsız iki sıcaklık sensöründen oluşur:

• biri yaş termometre (nemli sıcaklık sensörü),
• diğeri kuru termometre (kuru sıcaklık sensörü) olarak kullanılır.

Yaş termometre, suyla ıslatılmış emici bir kumaşla çevrilidir. Cihaza yönlendirilen hava akışı, ortamın sıcaklığına ve nem içeriğine bağlı olarak belli bir miktarda suyun buharlaşmasına neden olur. Bu buharlaşma termometrenin yüzeyini soğutur ve yaş termometre sıcaklığı oluşur. Aynı anda kuru termometre ortam sıcaklığını ölçer.

Bu iki sıcaklık arasındaki fark, havadaki relatif nemin belirlenmesinde temel ölçütü oluşturur.

Dikkatli kullanım koşullarında psikrometre ile son derece hassas nem ölçümleri yapılabilir. Örneğin Assmann aspirasyon psikrometreleri, uluslararası alanda kabul edilen referans ve kontrol cihazlarıdır. Bu cihazlarda yay mekanizmalı bir fan, termometrelerin çevresinde ortalama 3 m/s sabit hava akışı sağlar. Sıcaklık farkı, iki kalibre edilmiş cam termometreden okunur.

Değerlendirme manuel olarak yapılır; bunun için tablolar veya grafik psikrometre diyagramları kullanılır. Daha yüksek doğruluk için Alman Meteoroloji Servisi’nin onda bir derece aralıklı aspirasyon psikrometre tabloları da referans olarak kullanılabilir.

Aspirasyon psikrometrelerinin dışında çok çeşitli mekanik modeller bulunur. Cam termometreli mekanik psikrometrelerin kullanım alanı genellikle 60 °C ve altındaki iklimlendirme uygulamalarıyla sınırlıdır. En büyük avantajları harici güç kaynağı gerektirmemeleridir.

Elektrikli psikrometreler ise daha geniş bir kullanım alanı sunar. Bu cihazlarda yaş ve kuru termometre sıcaklıkları Pt100 direnç termometreleri ile ölçülür. Böylece Sprung'un formülüne göre hesaplanan relatif nem, mikroişlemci kontrollü gösterge, kontrol veya kayıt cihazlarında doğrudan görüntülenebilir veya işlenebilir. Ölçüm sıcaklık aralığı yaklaşık 0…100 °C arasında uzanır.

Psikrometrik ölçüm yöntemi, yapısının sağlamlığı sayesinde kirli, çözücü içeren veya agresif gaz ortamlarında birçok nem ölçme yöntemine göre daha dayanıklıdır. Bu nedenle elektrikli psikrometreler, örneğin et ve peynir üretiminde sürekli ölçümler için tercih edilir.

Bu yöntem 100 yıldan uzun süredir bilinmekte olup, basit ve düşük maliyetli bir nem ölçme tekniği sunar. Ancak güvenilir sürekli ölçümler için uygulamaya özgü kriterlerin karşılanması gerekir; örneğin yeterli havalandırma, doğru nemlendirme ve düzenli bakım. Bu ayrıntılar cihazın kullanım veya proses talimatlarında açıklanmıştır.

Kapasitif Ölçüm Yöntemi

Kapasitif ölçüm yönteminde temel olarak kondansasyon prensibi uygulanır. Sensör, ince bir polimer filmin su moleküllerini emmesi veya bırakması sonucunda kapasitansının değişmesi ilkesine dayanır.

Polimer film tarafından emilen su buharı miktarı, sensörün elektriksel özelliklerini değiştirir ve bu değişim kapasite değişimi olarak ölçülür. Kapasite değişimi, relatif nemdeki değişimle orantılıdır. Bu değişim, sensör çıkışında bir elektronik devre tarafından işlenir ve standart bir çıkış sinyaline dönüştürülür. Değerlendirme elektroniği, kullanılan sensörün temel kapasitansına uygun olarak tasarlanmalıdır.

Kapasitif nem sensörleri, özel yapıları ve düşük kütleleri sayesinde çok hızlı tepki sürelerine sahiptir. Ayrıca hafif kirlenmelere ve toza karşı büyük ölçüde dayanıklıdır. Sensör yüzeyinin temaslardan korunması için plastik bir gövde içinde yer alır. Yüksek nemli uygulamalar için yoğuşmaya dayanıklı modeller de mevcuttur.

Kapasitif ölçüm yöntemleri; iklimlendirme uygulamalarında ve korozif gazların veya çözeltilerin yüksek yoğunlukta bulunmadığı endüstriyel proseslerde yaygın şekilde kullanılır.

Kapasitif nem sensörleri için standart ölçüm aralığı çoğunlukla %10…90 rF’dir. Ancak daha gelişmiş modellerde %0…100 rF arasında ölçüm yapmak mümkündür.

Kapasitif Nem Sensörlerinin Çalışma Aralığı

Kapasitif ölçüm yönteminin en önemli avantajlarından biri, nem ölçümünün çok geniş bir sıcaklık aralığında gerçekleştirilebilmesidir. Modern endüstriyel nem sensörleri, sıcaklığı aynı anda ölçüp standart bir çıkış sinyali olarak sağlayarak -40…+180 °C arasında ölçüm yapmaya olanak tanır.

Cihazın modeline bağlı olarak çalışma aralığında farklılıklar olabilir.

Tamamen elektriksel bir ölçüm yöntemi olduğundan, kapasitif sistemler başka bir avantaj daha sunar: Modern mikroişlemci teknolojisi sayesinde sensörler çok çeşitli fonksiyonlar ve opsiyonlarla donatılabilir.

Farklı gaz basınçları ve hava hızları, kapasitif sensör üzerinde neredeyse hiçbir etki oluşturmaz. Bu nedenle 0…100 bar arasında basınca dayanıklı sistemlerde ölçüm yapabilen modeller mevcuttur.

Ölçüm doğruluğu cihaz tipine bağlı olarak ±2…±5 % rF arasındadır. Uygun koşullar sağlandığında ±1 % rF doğruluk bile mümkündür.

Higrometrik Ölçüm Yöntemi

Higrometrik ölçüm yönteminde, higroskopik liflerin özellikleri kullanılarak havanın nemi belirlenir. Bu lifler ortamdaki neme maruz bırakıldığında, bir dengeleme süresinin ardından nem miktarına bağlı ölçülebilir bir uzunluk değişimi ortaya çıkar.

Lif malzemenin durumu, ortam nemi hakkında doğrudan sonuç çıkarılmasını sağlar. Higrometrik sensörlerde çoğunlukla özel işlemden geçirilmiş plastik lifler veya insan saçları kullanılır.

Saç Sensör Elemanı

Bu yöntemde kullanılan saçlar, nem absorbe edebilme özelliğine sahiptir. Saç, nem aldığında şişer ve bu durum öncelikle uzunluk değişimi olarak gözlemlenir.

Hava nemi arttıkça saç uzar. 0–100 % rF arasındaki bir nem değişiminde saçın toplam uzunluk değişimi yaklaşık %2,5 kadardır. Ancak yüksek nem seviyelerinde uzama miktarı nispeten azalır.

Saç sensör elemanları genellikle iklimlendirme alanında kullanılan gösterge tip cihazlarda tercih edilir. Saçın uzunluk değişimi, ince mekanik bir düzenek aracılığıyla bir gösterge ibresine veya yazıcı kalemine iletilir. Mekanik kararlılığı artırmak için birden fazla saç bir araya getirilerek saç demeti veya saç arpı oluşturulur.

Bu yöntem, 0…90 (100) % rF ölçüm aralığında ±3 % doğruluk sağlar. Kullanım sıcaklık aralığı -35…+50 °C’dir.

Uzun süre %40 rF altındaki düşük nem ortamlarında kullanıldığında saç elemanının yenilenmesi gerekir. Bunun için cihaz, yaklaşık %94…98 bağıl nem içeren ortama 60 dakika yerleştirilir. Gerekirse ibre ayarı, bir kalibrasyon vidasıyla düzeltilebilir.

Saç higrometreler higroskopik toza karşı hassastır ve düzenli olarak temizlenmeli veya korunmalıdır.

Plastik Sensör Elemanı

Plastik sensör elemanında insan saçı yerine özel işlemle higroskopik özellik kazandırılmış plastik lifler kullanılır. Relatif nemdeki değişim, sensörün uzunluğunda orantılı bir değişime neden olur. Uzama, hassas bir mekanik düzenek üzerinden göstergeye iletilir.

Plastik sensör elemanının avantajları:

• 110 °C’ye kadar yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir.
• Düşük nem koşullarında uzun süre çalışabilir.
• Saç elemanlarında görülen yenileme işlemi gerektirmez.
• Suya dayanıklıdır ve kuru kir, toz, lif gibi kirleticilere karşı hassas değildir.

Çalışma aralığı: (0) 30…100 % rF — aralık ortam sıcaklığına bağlıdır.
Ölçüm doğruluğu: ±2…3 %.

Plastik elemanlı higrometrik sensörler, dayanıklılıkları ve yüksek sıcaklığa uyumlulukları sayesinde endüstriyel proseslerde ve iklimlendirme uygulamalarında sürekli ölçüm için yaygın olarak kullanılır. Uygulamaya bağlı çok çeşitli cihaz tipleri mevcuttur.

Aşağıdaki cihaz türleri bu ölçüm yöntemine dahildir:

Nem transmitteri

Bu cihazlarda plastik sensör elemanındaki uzunluk değişimi, uygun bir mekanizma ile algılanır ve çoğunlukla lineer bir direnç sinyaline dönüştürülür. Ayrıca çıkışında standart akım veya gerilim sinyalleri sağlayan, entegre iki telli ölçüm dönüştürücüsüne sahip modeller de mevcuttur.
Ek olarak sıcaklık ölçüm aralığı sunan modeller higrotermogeber olarak adlandırılır.

Higrostat

Bu tip cihazlarda sensör elemanının uzunluk değişimi, bir anahtarlama kontak çıkışını tetiklemek için kullanılır.
Higrostatlar, nemlendirme ve nem alma sistemlerinin kontrolünde yaygın şekilde uygulanır.

Higrograf

Higrograf, saç veya plastik sensör elemanları kullanan kayıtçı tip bir nem ölçüm cihazıdır.
Cihaza ayrıca sıcaklık ölçümü de eklenebilir; bu durumda cihaz higrotermograf olarak adlandırılır.
Kullanım alanlarına örnek: hava durumu istasyonları.

Genel olarak higrometrik ölçüm yönteminde basınçsız ve agresif olmayan havada nem ölçümü yapılabilir.
Çözücü içeren veya agresif ortamlarda ölçüm yapılması önerilmez; çünkü ortamın türü ve konsantrasyonu, ölçüm hatalarına neden olabilir veya sensör elemanına zarar verebilir.

Sonuç

“Nem ölçüm yöntemleri ve uygulama alanları” bölümü temel prensipleri ele almaktadır. Burada açıklanan cihaz tipleri ve teknik bilgiler, üreticiye bağlı olarak farklılık gösterebilir.
Bu nedenle daha ayrıntılı bilgiler için ilgili cihazların kullanım kılavuzlarına veya teknik veri sayfalarına başvurulmalıdır.