Поняття та фізичні закони

Склад повітря

Чисте і сухе повітря містить такі складові (у відсотках):
78.10 Vol.-% азот
20.93 Vol.-% кисень
0.93 Vol-% аргон
0.03 Vol.-% вуглекислий газ
0.01 Vol.-% водень
разом з меншими кількостями неону, гелію, криптону та ксенону.

На додаток до цих складових, повітря в приміщенні і на вулиці містить ряд газів і твердих частинок, а також певну кількість вологи у вигляді водяної пари. Таким чином, повітря є однорідною сумішшю різних газів і може розглядатися як "ідеальний газ". Сонячне випромінювання і вітер забезпечують рівномірне перемішування газів, завдяки чому не відбувається розшарування, незважаючи на різницю в питомій вазі.

Закон Дальтона P = P1 + P2 + ...

Загальний тиск газової суміші складається з суми парціальних тисків її складових. Простіше кажучи, повітря складається з сухого повітря та водяної пари.

P = P_w + P_dry

де(P_w) представляє парціальний тиск водяної пари, а (Pdry) - суму парціальних тисків усіх інших газів.

Тиск насичення парою

Повітря здатне поглинати і зберігати певну кількість водяної пари залежно від температури. Ця кількість зростає з підвищенням температури. При будь-якій температурі частинок тиск водяної пари може зростати лише до межі насичення, яка називається тиском насичення водяної пари P_S.

Атмосферний тиск і наявність інших газів або забруднювачів не впливають на описану вище поведінку.

Що означає точка роси?

Температура точки роси Td - це температура, при якій повітря насичене водяною парою; подальше додавання водяної пари або охолодження повітря викликає конденсацію. Надлишок водяної пари конденсується у вигляді дощу, туману або конденсату. Насичений стан зберігається. Температура, якої досягає точка роси під тиском, дорівнює температурі насичення водяної пари і може становити до 100 °C. Моніторинг температури точки роси проводиться для того, щоб уникнути, серед іншого, проблем з цвіллю.

Точка роси - формула

Для розрахунку точки роси можна використовувати приблизну формулу:

де:

td – температура точки роси [°C]

t – темперамент

H - відносна вологість повітря в %

Параметри вимірювання

Вологість повітря можна охарактеризувати двома параметрами. Ми розрізняємо відносну та абсолютну вологість.

Коефіцієнт змішування або вміст води (x)

Тут представлено відношення маси водяної пари до маси сухого газу. Зазвичай використовуються одиниці г/кг сухого повітря та %.

Таким чином, він показує, скільки грамів водяної пари міститься в одному кілограмі сухого повітря. У технологічних процесах визначення вологовмісту відіграє важливу роль, оскільки воно надає набагато більш змістовні дані порівняно з відносною вологістю.

Розмірності абсолютної та відносної вологості мають фіксоване співвідношення між собою. Одиниці виміру абсолютної вологості можуть бути обрані згідно з відповідними вимогами.

Найпоширенішими одиницями є:

Точка роси (-температура) - °C
Пропорція змішування - г/кг сухого повітря
Абсолютна вологість - g/m3

Зв'язок між температурою, вмістом вологи та відносною вологістю

Відповідні кореляції показані на i-x діаграмі (діаграмі Мольєра).

Приклад використання діаграми:
a) Визначення вмісту води X і тиску водяної пари e

Виміряно:

Температура повітря 28 °C

Вологість 60 % rH

Знайдіть виміряні значення на діаграмі і визначте точку перетину А. Опустіть вертикальну лінію в точці перетину і проведіть її до верхнього і нижнього країв діаграми. Точка перетину на верхньому краю дає тиск водяної пари e = 17 мм рт. ст., який на нижньому краю дає вміст води X = 14 г/кг

b) Визначення температури точки роси

Виміряно:

Температура повітря 28 °C
Вологість 60 % rH

Як описано в пункті а), визначте точку перетину А. З точки перетину А проведіть вертикально до максимальної вологості 100% і з цієї точки проведіть лінію на осі (ліворуч) з температурною поділкою. Нова точка перетину відповідає температурі точки роси 19,4 °C. Температура точки роси 19,4 °C збігається з температурою точки роси 19,4 °C.

Методи вимірювання вологості та сфери їх застосування

Для визначення вологості повітря можна використовувати різні методи вимірювання. Вибір найбільш підходящого методу вимірювання, як правило, здійснюється користувачем у зв'язку з об'єктом, що вимірюється. Часто можна досягти більш високої точності вимірювання або задовольнити бажані вимоги за допомогою простого, але правильно скомпонованого приладу для вимірювання вологості. Для загального ознайомлення нижче описано деякі з найвідоміших і найчастіше використовуваних методів вимірювання вологості та сфери їх застосування.

Психрометричний метод вимірювання

За допомогою психрометричного методу вимірювання відносна вологість повітря визначається безпосередньо. В основі методу вимірювання лежить принцип теплообміну.

Психрометр складається з двох незалежних датчиків температури, один з яких використовується як датчик вологості, а інший - як датчик сухої температури. Вологий датчик температури оточений абсорбуючою тканиною, змоченою у воді. Залежно від температури або вологості циркулюючого повітря, певна кількість водяної пари виділяється шляхом випаровування через необхідний потік повітря. Це призводить до того, що поверхня вологого термометра помітно охолоджується (температура вологого термометра). У той же час температура повітря навколишнього середовища (суха температура) вимірюється другим датчиком температури. Визначена таким чином психрометрична різниця температур є мірою відносної вологості повітря.

За допомогою психрометра та обережного поводження з ним можна проводити точні вимірювання вологості повітря. Наприклад, аспіраційні психрометри Ассманн використовуються як міжнародно визнані еталонні та контрольні прилади. Вбудований вентилятор з пружинною обмоткою забезпечує середню постійну швидкість повітря приблизно 3 м/с, яке обтікає термометри. Різниця температур зчитується на двох каліброваних скляних термометрах.

Оцінка проводиться вручну за допомогою таблиці або графічної панелі психрометра. Для більшої точності оцінки можна також використовувати графіки аспіраційного психрометра Німецької метеорологічної служби, розділені на 10-ті частки градуса.

На додаток до аспіраційного психрометра, доступні також різноманітні конструкції. Сфера застосування більшості механічних психрометрів зі скляними термометрами обмежена кліматичним діапазоном для вимірювань при температурах ≤ 60 °C. Перевагою цих конструкцій є відсутність необхідності в джерелі живлення.

Електричні психрометри мають розширену сферу застосування. Температура вологого та сухого термометрів вимірюється за допомогою термометрів опору Pt-100. Це означає, що відносна вологість, визначена за "формулою Шпрунґше", може бути безпосередньо відображена або додатково оброблена в мікропроцесорних пристроях відображення, управління та запису з відповідними вхідними схемами. Температурний діапазон становить майже від 0 до 100 °C.

Психрометричний метод вимірювання нечутливий до інших методів вимірювання вологості і тому дозволяє проводити вимірювання в брудних, агресивних газах, що містять розчинники. Наприклад, електричні психрометри використовуються для безперервних вимірювань у м'ясній та сироварній промисловості.

Психрометричний метод вимірювання, відомий вже більше ста років, дозволив реалізувати простий і економічно ефективний метод вимірювання вологості. Однак для надійних безперервних вимірювань необхідно дотримуватися певних критеріїв для конкретного застосування. Наприклад, достатня вентиляція і зволоження, а також технічне обслуговування вимірювального обладнання. Детальнішу інформацію можна знайти в інструкціях з експлуатації та методичних вказівках до відповідного приладу.

Ємнісний метод вимірювання

Вологість навколишнього повітря, яка залежить від температури, проникає через гігроскопічний верхній електрод датчика вологості у вигляді водяної пари і досягає активної полімерної плівки.

Кількість водяної пари, що поглинається полімерною плівкою, змінює електричні властивості датчика вологості і впливає на зміну його ємності. Зміна ємності пропорційна зміні відносної вологості і оцінюється наступною електронікою і перетворюється в стандартизований вихідний сигнал. Електроніка обробки повинна бути адаптована до базової ємності відповідного датчика вологості.

Завдяки спеціальній конструкції та малій власній вазі ємнісних датчиків вологості досягається дуже швидкий час відгуку. Крім того, вони практично нечутливі до легких забруднень і пилу. Для захисту від контакту з поверхнею датчики укладені в пластиковий корпус. Для застосування в умовах підвищеної вологості доступні версії з захистом від роси.

Ємнісні методи вимірювання використовуються, наприклад, в кліматичному секторі і в промислових процесах, де немає високої концентрації корозійних газів або розчинів.

Стандартний діапазон вимірювання ємнісних датчиків вологості становить переважно від 10 до 90 % відносної вологості. У високоякісних версіях можливі вимірювання в діапазоні від 0 до 100 % відносної вологості.

Однією з головних переваг ємнісного методу вимірювання є можливий діапазон температур, в якому можна проводити вимірювання вологості. Наприклад, сучасні датчики вологості для промислового застосування дозволяють проводити вимірювання в діапазоні від -40 до +180 °C, при цьому температура реєструється одночасно і також доступна у вигляді стандартизованого вихідного сигналу.

Залежно від версії приладу можливі відхилення відображуваного робочого діапазону.

Завдяки суто електричному вимірюванню, ємнісний метод вимірювання має ще одну перевагу. Наприклад, високоякісні датчики вологості, оснащені новітніми мікропроцесорними технологіями, можуть бути оснащені різноманітними опціями та функціями.

Оскільки різні тиски газу і швидкості повітря практично не впливають на роботу ємнісного датчика вологості, доступні версії приладів, які дозволяють проводити вимірювання в системах, що працюють під тиском від 0 до 100 бар.

Точність вимірювання становить від ±2 до ±5 % відносної вологості, залежно від версії приладу. За певних умов можна досягти навіть точності вимірювання ±1 % відносної вологості.

Гігрометричний метод вимірювання

Гігрометричний метод вимірювання використовує особливі властивості гігроскопічних волокнистих матеріалів для визначення вологості повітря. Якщо ці волокна піддаються впливу навколишнього повітря, вимірювані зміни довжини відбуваються після компенсаційного часу, що залежить від вмісту вологи в повітрі.

Відповідний стан целюлози дозволяє зробити прямий висновок про вологість повітря. У гігрометричних вимірювальних елементах в основному використовуються спеціально підготовлені пластикові нитки і людське волосся.

Вимірювальний елемент для волосся

Ефективність вимірювального елемента заснована на тому, що використовуване волосся здатне поглинати вологу. Поглинання вологи створює ефект набрякання волосся, який в основному помітний як зміна довжини.

Зі збільшенням вологості волосся подовжується. Зміна довжини становить приблизно 2,5 % по відношенню до довжини волосся при зміні вологості від 0 до 100 %. Однак при високій вологості волосся демонструє лише відносно невелике подовження (див. рисунок вище).

Волоскові вимірювальні елементи переважно використовуються в стрілочних приладах для кліматичних застосувань. Зміна довжини волосини передається на стрілку або олівець за допомогою спеціальної прецизійної механічної передачі. З міркувань механічної стабільності кілька волосин об'єднуються в пучок або арфу.

Метод вимірювання гарантує точність ±3 % в діапазоні вимірювання від 0 до 90 (100) % відносної вологості. Можливі температури навколишнього середовища від -35 до +50 °C. Для тривалого використання в діапазоні низької вологості нижче 40 % відносної вологості волосяний елемент необхідно регенерувати. Для цього волосяний гігрометр піддається впливу майже насиченого повітря (приблизно від 94 до 98 %) протягом приблизно 60 хвилин. Після цього за допомогою регулювального гвинта можна відкоригувати положення стрілки. Волосяні гігрометри чутливі до гігроскопічного пилу, тому їх необхідно регулярно захищати або чистити.

Пластиковий вимірювальний елемент

Пластиковий вимірювальний елемент використовує пластикові нитки замість людського волосся. Спеціальний процес також надає цим волокнам гігроскопічних властивостей. Зміни відносної вологості викликають пропорційну зміну довжини вимірювального елемента. Подовження також передається за допомогою прецизійної механічної передачі.

Перевага пластикового вимірювального елемента полягає в тому, що його можна використовувати при більш високих температурах (до 110 °C), а також протягом більш тривалого періоду часу при низькій відносній вологості. Регенерація, відома з волосяних вимірювальних елементів, тут не потрібна.

Пластмасовий вимірювальний елемент є водостійким і нечутливим до сухого бруду, пилу, пуху та інших подібних забруднень. Вимірювальний або робочий діапазон становить від (0)30 до 100 % відносної вологості, але залежить від температури навколишнього середовища (див. рисунок нижче). Точність вимірювання становить ±2 - 3 %.

Гігрометричні перетворювачі з пластиковим елементом використовуються для безперервних вимірювань в промислових технологічних процесах і в кліматичних умовах завдяки своїй високій нечутливості і більш високій температурній сумісності. Залежно від конкретного застосування доступні різноманітні версії приладів.

Вони включають, але не обмежуються ними:

Гігродатчик

Зміна довжини пластикового вимірювального елемента сприймається відповідною системою і зазвичай перетворюється в сигнал лінійного опору. Також доступні версії з вбудованими двопровідними передавачами, завдяки чому на виході можна отримати стандартизовані сигнали струму і напруги. Пристрої з додатковим діапазоном вимірювання температури називаються гігротермоперетворювачами.

Гігростати

У цьому варіанті зміна довжини вимірювального елемента використовується для активації перемикаючого контакту. Гігростати використовуються для управління системами зволоження і осушення.

Гігрограф

Гігрограф - це реєстратор вологості з гігрометричними волосяними або пластиковими вимірювальними елементами. Також можливий додатковий запис температури (гігротермограф). Сфери застосування - це, наприклад, метеостанції.

За допомогою гігрометричного методу вимірювання, як правило, можна вимірювати вологість у неагресивному повітрі без тиску. Вимірювання в агресивних середовищах, що містять розчинники, слід уникати, оскільки їх тип і концентрація можуть призвести до неправильних вимірювань або руйнування вимірювального елемента.

Заключне спостереження

У розділі, присвяченому методам вимірювання вологості та сферам їх застосування, розглядаються основні принципи. Тому описані версії приладів і технічні характеристики можуть відрізнятися від заявлених виробником. Тому більш детальну інформацію можна знайти в інструкціях з експлуатації або технічних паспортах окремих приладів.