POMIARY WILGOTNOŚCI
Wilgotność względna:
ϕ =
p
w
p
n
⋅
100 %
p
w
– ciśnienie cząstkowe pary wodnej,
p
n
– ciśnienie nasycenia (w temperaturze t
A
)
Wilgotność bezwzględna:
χ =
m
w
m
p
=
p
w
b− p
w
R
p
R
w
=
0,622
p
w
b− p
w
m
w
– masa wody,
m
p
– masa powietrza,
R
p
, R
w
– stałe gazowe,
p
w
– ciśnienie cząstkowe pary wodnej.
Metody pomiaru wilgotności:
1. Metoda rozszerzania lub kurczenia się włosa lub elementu bimetalicznego.
Metoda mało dokładna, ale bardzo popularna w zastosowaniach nie wymagających dużych
dokładności.
HIGROMETR WŁOSOWY
1 – wiązka włosów,
2 – dźwignia,
3 – sprężyna momentu zwrotnego
4 – wskazówka,
5 – podziałka wzorcowana w jednostkach wilgotności względnej φ
2. Metoda termometryczna.
Wykorzystuje zjawisko zależności odparowywania wody od ilości pary wodnej zawartej w
powietrzu, mierząc spadek temperatury spowodowany przez pobór ciepła parowania. Ciecz
odparowując z powierzchni termometru powoduje jego oziębienie. Im mniejsza jest
wilgotność względna, tym szybsze parowanie wody i tym większa różnica wskazań
termometrów (psychometr Augusta, psychometr Assmanna).
PSYCHOMETR ASSMANNA
Jeżeli badany gaz nie jest nasycony to ciecz zwilżająca, pobierając ciepło parowania, obniża
temperaturę mokrego termometru z temperatury t
s
(mierzonej termometrem suchym) do
temperatury t
m
. Odbiór ciepła termometru odbywa się na drodze konwekcji, dzięki
zewnętrznemu przepływowi strumienia powietrza.
P
W
=
P
nm
−
Δ
p
Δ
p= A(t
s
−
t
m
)
p
b
A=(65+
6,75
w
)
10
−
5
p
b
– ciśnienie barometryczne w chwili pomiaru,
A – stała psychometryczna
w – prędkość powietrza w pobliżu termometru mokrego, dla w > 2 m/s A = cosnt.
TERMOELEKTRYCZNY PSYCHOMETR ASSMANNA
Skonstruowany jest z dwóch termometrów zbudowanych z dwóch złącz miedź – konstantan.
Na jedno złącze nawinięto materiał bawełniany lub batyst, którego koniec zanurzono w
zbiorniku z woda destylowaną. Na wyskalowanym wskaźniku odczytywana jest róznica
psychometryczna temperatury.
REZYSTANCYJNY PSYCHOMETR ASSMANNA
3.
Rolę termometrów pełnią termometry rezystancyjne. Jeden ma nałożoną mokrą bawełnianą
nić, której koniec zanurzony jest w zbiorniczku z wodą. Gdy zwarte są styki 1, 2 i 4,5
mierzona jest rezystancja termometru suchego R
S
. Zwierając styki 2, 3 i 5, 6 dokonany
zostaje pomiar różnicy rezystancji ΔR = R
S
– R
m
pomiędzy termometrem suchym a mokrym.
W tym celu należy doprowadzić do równowagi mostek złożony z R
1
, R
S
i R
2
, R
r
+ R
m
przez
regulację R
r
do momentu wskazania przez wskaźnik zera. Odczytaną wartość różnicy
psychometrycznej temperatury odczytanej z odpowiednio wyskalowanego potencjometru R
r
należy przyrównać do tablicy, wykresów lub nomogramów i odczytać wartość wilgotności
względnej.
HIGROMETR TERMICZNY
Opiera się na rejestracji zmian temperatury, jakie występują przy absorpcji i desorpcji pary
wodnej w materiałach higroskopijnych. Materiały te nagrzewają się, gdy działa na nie
wilgotne powietrze (gaz) i schładzają się, gdy wysychają w powietrzu osuszonym przy
założeniu, że temperatura powietrza była taka sama. Badane powietrze rozdzielone na
części przepływa przez eksykator, gdzie zostaje osuszone. Przez rozdzielacz powietrze
osuszone i nieosuszone trafiają do dwóch komór i przepływają przez komorę wypełnioną
bawełną. W każdej komorze są spoiny baterii termoelementów. W wyniku przepływu przez
górną komorę powietrza badanego wilgotnego, bawełna nagrzewa się. W dolnej komorze
przepływa suche powietrze, bawełna oziębia się. Na spoinach termoelementów powstaje
różnica potencjałów. Po określonym czasie następuje przestawienie koła rozdzielacza o kąt
90°. W wyniku czego gaz suchy przepływa przez górną komorę, wcześniej osuszoną. Dzięki
temu zmienia się biegunowość różnicy potencjałów, a po kolejnych cyklicznych zmianach,
na wyjściu otrzymuje się sygnał o wyglądzie niemal sinusoidy. Jej wartości szczytowe
odpowiadają wilgotności powietrza.
4. Metoda impedancyjna.
Opiera się na pomiarze impedancji czujnika pomiarowego wypełnionego badaną próbką.
Impedancja czujnika jest funkcją wilgotnego materiału. Wyróżniamy:
a) Metoda rezystancyjna (konduktometryczna)
Opiera się na zmianie rezystancji pomiędzy elektrodami czujnika w funkcji
zawartości wody, zaabsorbowanej przez czujnik z otaczającego, badanego gazu. Ilość
wody zaabsorbowanej zależy od własności sorpcyjnych czujnika.
R=ρ
l
s
R – rezystancja czujnika [Ω],
ρ – rezystywność (opór elektryczny właściwy) [Ωm],
l – długość czujnika [m],
s – powierzchnia przekroju czujnika [m
2
].
R
X
=
A
W
k
A, k – stałe zależne od parametrów konstrukcyjnych czujnika oraz mechanicznych i
fizycznych własności badanego materiału,
W – wilgotność próbki materiału.
CZUJNIK REZYSTANCYJNY
b) Metoda pojemnościowa (dielektryczna)
Oparta na pomiarze pojemności czujnika wypełnionego badanym materiałem, a
dokładnie na pomiarze przenikalności elektrycznej tego materiału, będącej funkcją
wilgotności ε = f(W). Mała zawartość procentowa daje zauważalne zmiany
pojemności. Jest to spowodowane dużą różnicą przenikalności elektrycznej wody i
badanych materiałów. Typowym materiałem używanym w czujnikach
pojemnościowych jest tlenek aluminium Al
2
O
3
C=
ε⋅
S
d
C – pojemność [F],
ε = ε
0
· ε
r
– bezwzględna przenikalność elektryczna środowiska,
ε
0
=
1
4 π⋅9⋅10
9
=
8,85⋅10
−
12
F
m
- stała elektryczna, przenikalność elektryczna w
próżni
ε
r
– względna przenikalność elektryczna środowiska,
S – powierzchnia okładzin [m
2
],
d – odległość między okładzinami [m].
5. Metoda punktu rosy.
Metoda bazuje na mierniku punktu rosy, który określa ten punkt i przetwarza go na
wilgotność względną. Wynik pomiaru miernika jest oparty na wyznaczeniu pośrednim
innych wielkości termodynamicznych, tj. temperatura otoczenia, temperatura punktu rosy.
Aby obliczyć wilgotność względną φ powietrza o pewnym stanie A, określonym tylko
temperaturą t
A
, należy wyznaczyć ciśnienie p
n
(t
A
) i p
w
(t
A
). Ciśnienie nasycenia pn wyznacza
się z krzywej parowania p
n
= f(t), dla zmierzonej temperatury t = t
A
.
Aby wyznaczyć wartość ciśnienia cząstkowego pary wodnej dla temperatury t
A
, należy
pomierzyć temperaturę rosy t
R
i ciśnienie p
w
wyznacza się z warunku p
w
= p
n
(t
R
).
ϕ =
p
n
(
t
R
)
p
n
(
t
A
)
100 %
HIGROMETR KONDENSACYJNY
Wykorzystuje zjawisko pojawienia się rosy na ciele, które otoczone badanym powietrzem,
osiągnie temperaturę odpowiadającą ciśnieniu nasycenia pary wodnej.
Błędy:
•
spowolnienie gromadzeniem temperatury w pobliżu składowej polerowanej
powierzchni,
•
wpływ krzywizny kropelek na ciśnienie nasycenia,
•
niepewność określenia początku kondensacji.
CZUJNIK FOTOELEKTRYCZNY
Pompa cieplna chłodzi powierzchnię zwierciadła aż do momentu, kiedy na jego powierzchni
zaczyna pojawiać się kondensat. Moment ten jest wychwytywany przez optyczny układ
detekcji. Układ składa się z fotodiody emitującej wiązkę światła widzialnego oraz
fotodetektora rejestrującego natężenie promieniowania odbitego od powierzchni
zwierciadła. Kondensat powstający na powierzchni lustra powoduje zmianę konta odbicia i
zredukowanie natężenia wiązki światła docierającej do fotodetektora. Sprzężenie zwrotne od
tej wartości powoduje ograniczenie prądu zasilającego pompę cieplną i utrzymanie
powierzchni zwierciadła w temperaturze, przy której następuje równowaga
termodynamiczna gazu pomiędzy stanem gazowym i ciekłym. Pomiar temperatury
powierzchni zwierciadła odbywa się za pomocą czujnika Pt100 umieszczonego pod
powierzchnia lustra.
CZUJNIK POJEMNOŚCIOWY
Polega na wychwyceniu przez chłodzony element pojemnościowy skraplającej się na nim
pary wodnej. Pojemność elektryczna zależy od przenikalności elektrycznej dielektryka.
Wraz z pojawieniem się wody na kondensatorze należy oczekiwać znacznego zwiększenia
się jego pojemności elektrycznej.
6. Metody absorpcyjne promieniowania.
a) Metoda mikrofalowa
Metoda mikrofalowa może być realizowana w zależności od techniki pomiarowej: w
tzw. wolnej przestrzeni, w rezonatorze mikrofalowym, w falowodzie.
W pierwszym i trzecim przypadku mierzy się tłumienie fali elektromagnetycznej lub
zmianę jej kąta fazowego jako funkcję wilgotności. W pomiarze w wolnej
przestrzeni można mierzyć wymienione parametry dla fali przechodzącej przez
badany materiał lub dla fali odbitej od tego materiału. Zaletą jest możliwość pomiaru
bez kontaktu z materiałem.
b) Spektrometry podczerwieni
Opierają się na absorpcji prążków promieniowania podczerwonego przez molekuły
wody. Metoda bazuje na pomiarze w tej samej lub prawie tej samej chwili na dwóch
długościach fal: jednej pochłanianej przez wodę, a drugiej nie. Sygnał różnicowy z
tych dwóch pomiarów niesie informację o zawartości wody.
7. Metody jądrowe.
Opierają swoją zasadę pomiaru na detekcji atomów wodoru, które wchodzą w skład
molekuły wody. Jeżeli wodór wchodzi do innych związków chemicznych, będących
elementami składowymi badanego materiału, wynik pomiaru wilgotności może być
niewłaściwy.
a) Metoda jądrowego rezonansu magnetycznego
Wykorzystuje zmianę momentu magnetycznego jąder wodoru zawartych w badanym
materiale, zgodnie z częstotliwością zewnętrznego pola elektromagnetycznego i w
obecności silnego pola magnetycznego. Ilość energii pochłoniętej ze źródła
zmiennego pola elektromagnetycznego jest miarą liczby jąder wodoru. Aparatura jest
na ogół rozbudowana i kosztowna, służy do laboratoryjnych badań podstawowych,
ale może być wykorzystywana również w pomiarach przemysłowych. Odmianą tej
metody jest metoda echa spinowego.
b) Metoda spowalniania neutronów
Wymaga własnego źródła promieniotwórczego (radowo-berylowego lub polonowo-
berylowego), które w wyniku reakcji typu (α, n) produkuje neutrony prędkie.
Spowolnienie neutronów następuje w wyniku termalizacji, czyli zderzeń sprężystych
i niesprężystych z jądrami atomów (wodoru). Metoda używana jest przy pomiarach
wilgotności gruntu. Wadą jest konieczność użycia źródła promieniotwórczego i
rozbudowanego układu detekcji.
c) Metoda osłabiania promieniowania β lub γ
Wymaga własnego źródła promieniowania β lub γ. Promieniowanie β lub γ jest
osłabione poprzez absorpcję i rozpraszanie przez poszczególne atomy składowe
materiału. Wodór charakteryzuje się dużym współczynnikiem osłabienia
promieniowania. Przy założeniu stałej gęstości i składu chemicznego badanego
materiału stopień osłabiania promieniowania jest związany z ilością wody.
Stosowana do pomiaru wilgotności gruntu.