Be temperatūros, labai svarbus proceso parametras yra drėgmė. Pavyzdžiui, santykinis aplinkos oro drėgnumas daro didelę įtaką mūsų savijautai ir sveikatai. Pramoniniuose procesuose tinkamas drėgmės reguliavimas dažnai lemia produkto konkurencingumą ir kokybę. Teisingas drėgmės lygio reguliavimas taip pat gali padėti pastebimai sumažinti energijos sąnaudas. taikymo sričių, kuriose drėgmės matavimas laikomas svarbiu, sąrašą galima tęsti be galo. Visur, kur vandens garų kiekis ore gali sukelti cheminius, fizikinius ar biologinius procesus arba daryti jiems įtaką, labai svarbu užtikrinti nuolatinę drėgmės stebėseną.
Švarų ir sausą orą sudaro šios sudedamosios dalys (tūrio proc.):
78,10 tūrio proc. azoto
20,93 tūrio proc. deguonies
0,93 tūrio proc.
0,03 tūrio proc. anglies dioksido
0,01 tūrio proc. vandenilio
kartu su mažesniais kiekiais neono, helio, kriptono ir ksenono.
Be šių sudedamųjų dalių, patalpų ir lauko ore yra daugybė dujų ir kietųjų medžiagų, taip pat tam tikras drėgmės kiekis vandens garų pavidalu. Todėl oras yra homogeniškas įvairių dujų mišinys ir gali būti laikomas „idealiomis dujomis“. Saulės spinduliuotė ir vėjas užtikrina tolygų dujų maišymąsi, todėl, nepaisant savitojo svorio skirtumų, nėra sluoksniavimosi.
Dujų mišinio bendrąjį slėgį sudaro jo sudedamųjų dalių dalinių slėgių suma. Paprastai tariant, orą sudaro sausas oras ir vandens garai.
P = Pw + Pdry
kur (Pw) yra vandens garų dalinis slėgis, o (Pdry) - visų kitų dujų dalinių slėgių suma.
Priklausomai nuo temperatūros oras gali sugerti ir sukaupti tam tikrą vandens garų kiekį. Šis kiekis didėja kylant temperatūrai. Bet kurioje konkrečioje temperatūroje susidaręs vandens garų slėgis gali padidėti tik iki prisotinimo ribos, kuri žymima kaip prisotinimo vandens garų slėgisPS.
Atmosferos slėgis ir kitų dujų ar teršalų buvimas neturi jokios įtakos pirmiau aprašytai elgsenai.
Vandens garų slėgio kreivė rodo maksimalų vandens garų kiekį ore esant skirtingoms temperatūroms
Rasos taško temperatūra Td - tai temperatūra, kurioje oras yra prisotintas vandens garų; toliau pridėjus vandens garų arba atvėsinus orą vyksta kondensacija. Vandens garų perteklius kondensuojasi kaip lietus, rūkas arba kondensatas. Sočiosios būsenos vanduo išlieka. Rasos taško temperatūra yra lygi vandens garų prisotinimo temperatūrai ir gali būti ne didesnė kaip 100 °C normalaus slėgio.
Oro drėgnumą galima apibūdinti dviem parametrais. Skiriama santykinė ir absoliutinė drėgmė.
Santykinis drėgnumas apibrėžiamas kaip santykis tarp faktinio dujų dalinio garų slėgio Pw ir didžiausio galimo garų slėgio, t. y. soties garų slėgioPs, esant tam tikrai temperatūrai.
rH=100 * ( Pw/ Ps (t) ) [%]
Santykinė drėgmė yra nedimensinis dydis. Ji yra santykis ir nurodoma procentais. Kadangi soties slėgis priklauso tik nuo oro temperatūros, vadinasi, santykinė drėgmė taip pat priklauso nuo temperatūros.
Absoliutinė drėgmė a - tai vandens garų kiekis, esantis tam tikrame oro tūryje.
a = vandens garų masė / oro tūris
Absoliučiosios drėgmės matavimo vienetas yra g/m3. Absoliučiosios drėgmės matavimas turi didelį privalumą, nes parodo faktiškai dujose esantį vandens kiekį, pavyzdžiui, nepriklausomai nuo temperatūros.
Čia nurodomas vandens garų masės ir sausų dujų masės santykis. Paprastai naudojami matavimo vienetai g/kggrūdinto oro ir %.
Taip nurodoma, kiek gramų vandens garų yra viename kilograme sauso oro. Procesų inžinerijoje vandens kiekio nustatymas vaidina svarbų vaidmenį, nes, palyginti su santykine drėgme, jis suteikia daug reikšmingesnių duomenų.
Absoliučiosios ir santykinės drėgmės dydžiai yra tarpusavyje susiję. Absoliučiosios drėgmės vienetus galima pasirinkti pagal atitinkamus reikalavimus.
Labiausiai paplitę vienetai yra šie:
rasos taškas (-temperatūra) - °C
Maišymo santykis - g/kg sauso oro
Absoliutinė drėgmė - g/m3
Absoliučiosios drėgmės vienetai ir jų santykis su santykine drėgme
Atitinkamos koreliacijos pavaizduotos i-x diagramoje (Moljero diagramoje).
Išmatuota:
Oro temperatūra 28 °C
Drėgmė 60 % rH
Raskite diagramoje išmatuotas vertes ir nustatykite susikirtimo tašką A. Nubrėžkite vertikalią liniją ant susikirtimo taško ir brėžkite ją iki viršutinio ir apatinio diagramos krašto. Viršutiniame susikirtimo taške nustatytas vandens garų slėgis e = 17 mm QS, o apatiniame krašte - vandens kiekis X = 14 g/kg.
Išmatuota:
Oro temperatūra 28 °C
Drėgmė 60 % rH
Kaip aprašyta a punkte, nustatomas susikirtimo taškas A. Nuo susikirtimo taško A einama vertikaliai iki didžiausios 100 % drėgmės ir nuo šio taško ant ašies (kairėje) brėžiama linija su temperatūros padalinimu. Naujas susikirtimo taškas yra 19,4 °C rasos taško temperatūra. Rasos taško temperatūra 19,4 °C yra tokia pati kaip rasos taško temperatūra 19,4°C.
Temperatūros, drėgmės kiekio ir santykinės drėgmės santykis
Oro drėgmei nustatyti galima naudoti įvairius matavimo metodus. Tinkamiausią matavimo metodą paprastai pasirenka naudotojas, atsižvelgdamas į matuojamą objektą. Dažnai galima pasiekti didesnį matavimo tikslumą arba atitikti norimus reikalavimus naudojant paprastą, bet tinkamai įrengtą drėgmės matavimo prietaisą. Bendrai pagalbai toliau aprašomi kai kurie žinomiausi ir dažniausiai naudojami drėgmės matavimo metodai ir jų taikymo sritys.
Elektrinis psichrometras
Jutiklio konstrukcija
Naudojant psichrometrinį matavimo metodą santykinė oro drėgmė nustatoma tiesiogiai. Matavimo metodas pagrįstas šilumos mainų principu.
Psichrometrą iš esmės sudaro du nepriklausomi temperatūros jutikliai, iš kurių vienas naudojamas kaip drėgmės temperatūros jutiklis, o kitas - kaip sausos temperatūros jutiklis. Drėgmės temperatūros jutiklis yra apsuptas sugeriančiuoju audiniu, įmirkytu vandenyje. Priklausomai nuo cirkuliuojančio oro temperatūros arba drėgmės kiekio, tam tikras vandens garų kiekis išsiskiria garuodamas per būtiną oro srautą. Dėl to drėgno termometro paviršius pastebimai atvėsta (drėgnojo termometro temperatūra). Tuo pat metu antruoju temperatūros jutikliu matuojama aplinkos oro temperatūra (sauso oro temperatūra). Tokiu būdu nustatytas psichrometrinis temperatūros skirtumas yra santykinio oro drėgnumo matas.
Naudojant psichrometrą ir atsargiai elgiantis su juo, galima atlikti tikslius oro drėgmės matavimus. Pavyzdžiui, aspiraciniai psichrometrai pagal „Assmann“ yra naudojami kaip tarptautiniu mastu pripažinti etaloniniai ir kontroliniai prietaisai. Integruotas ventiliatorius su spyruokline apvija užtikrina vidutinį pastovų maždaug 3 m/s oro, tekančio aplink termometrus, greitį. Temperatūrų skirtumas nuskaitomas dviem kalibruotais stikliniais termometrais.
Įvertinimas atliekamas rankiniu būdu naudojant lentelę arba grafinį psichrometro skydelį. Siekiant didesnio vertinimo tikslumo, taip pat galima naudoti Vokietijos meteorologijos tarnybos aspiracines psichrometrines lenteles, suskirstytas dešimtąja laipsnio dalimi.
Be aspiracinio psichrometro, taip pat galima įsigyti įvairių skirtingų konstrukcijų. Daugumos mechaninių psichrometrų su stikliniais termometrais taikymo sritis apsiriboja klimato diapazonu, kai matuojama esant ≤ 60 °C temperatūrai. Šių konstrukcijų privalumas yra tas, kad nereikia maitinimo šaltinio.
Elektriniai psichrometrai leidžia išplėsti taikymo sritį. Drėgnojo ir sausojo šildytuvo temperatūra matuojama Pt-100 varžiniais termometrais. Tai reiškia, kad pagal „Sprungsche formulę“ nustatytą santykinę drėgmę galima tiesiogiai rodyti arba toliau apdoroti mikroprocesoriais valdomuose rodymo, valdymo ir registravimo įrenginiuose su atitinkamomis įvesties grandinėmis. Temperatūros diapazonas yra beveik nuo 0 iki 100 °C.
Psichrometrinis matavimo metodas yra nejautrus kitiems drėgmės matavimo metodams, todėl juo galima matuoti nešvariose, tirpiklių turinčiose ir agresyviose dujose. Pavyzdžiui, elektriniai psichrometrai naudojami nuolatiniams matavimams mėsos ir sūrio pramonėje.
Naudojant daugiau nei šimtą metų žinomą psichrometrinį matavimo metodą, sukurtas paprastas ir ekonomiškas drėgmės matavimo metodas. Tačiau norint atlikti patikimus nuolatinius matavimus, reikia atitikti konkrečiam taikymui būdingus kriterijus. Pavyzdžiui, pakankamas vėdinimas ir drėkinimas bei matavimo įrangos priežiūra. Išsamią informaciją galima rasti atitinkamo prietaiso naudojimo ir procedūrų instrukcijose.
Aplinkos oro drėgmė, priklausanti nuo temperatūros, vandens garų pavidalu prasiskverbia pro higroskopinį viršutinį drėgmės jutiklio elektrodą ir pasiekia aktyviąją polimero plėvelę.
Į polimero plėvelę absorbuotas vandens garų kiekis keičia drėgmės jutiklio elektrines savybes, todėl keičiasi jo talpa. Talpos pokytis yra proporcingas santykinės drėgmės pokyčiui, jį įvertina tolesnė elektronika ir paverčia standartiniu išėjimo signalu. Vertinimo elektronika turi būti pritaikyta prie pagrindinio atitinkamo drėgmės jutiklio pajėgumo.
Dėl specialios konstrukcijos ir mažo talpinių drėgmės jutiklių savojo svorio pasiekiamas labai greitas reakcijos laikas. Be to, jie beveik nejautrūs lengvam užteršimui ir dulkėms. Kaip apsauga nuo sąlyčio su paviršiumi jutikliai yra įdėti į plastikinį korpusą. Galima įsigyti rasos poveikiui atsparias versijas, skirtas naudoti esant didelei drėgmei.
Talpiniai matavimo metodai naudojami, pavyzdžiui, klimato sektoriuje ir pramoniniuose procesuose, kur nėra didelės korozinių dujų ar tirpalų koncentracijos.
Standartinis talpinių drėgmės jutiklių matavimo diapazonas daugiausia yra nuo 10 iki 90 % RH. Naudojant aukštesnės kokybės versijas, galima matuoti nuo 0 iki 100 % RH.
Talpinio drėgmės jutiklio, skirto pramoninėms reikmėms, veikimo įniršis
Plaukų ilgio pokytis priklausomai nuo santykinės drėgmės
Vienas iš pagrindinių talpinio matavimo metodo privalumų yra įmanomas temperatūros diapazonas, kuriame galima atlikti drėgmės matavimus. Pavyzdžiui, šiuolaikiniai pramoninės paskirties drėgmės jutikliai leidžia atlikti matavimus nuo -40 iki +180 °C temperatūroje, o temperatūra registruojama tuo pačiu metu ir taip pat gali būti pateikiama kaip standartizuotas išėjimo signalas.
Priklausomai nuo prietaiso versijos, galimi rodomo darbinio diapazono nuokrypiai.
Dėl grynai elektrinio matavimo, talpinis matavimo metodas turi dar vieną privalumą. Pavyzdžiui, aukštos kokybės drėgmės jutikliuose, kuriuose įdiegta naujausia mikroprocesorinė technologija, galima įrengti daugybę galimų parinkčių ir funkcijų.
Kadangi skirtingas dujų slėgis ir oro greitis beveik neturi įtakos talpiniam drėgmės jutikliui, galima įsigyti prietaisų versijų, leidžiančių matuoti nuo 0 iki 100 barų slėgio apkrautose sistemose.
Matavimo tikslumas, priklausomai nuo prietaiso versijos, yra nuo ±2 iki ±5 % rf. Esant tam tikroms sąlygoms, galima pasiekti net ±1 % RH matavimo tikslumą.
Higrometriniu matavimo metodu oro drėgmei nustatyti naudojamos ypatingos higroskopinių pluoštinių medžiagų savybės. Jei šie pluoštai yra veikiami aplinkos oro, po tam tikro kompensacinio laiko, priklausomai nuo oro drėgnumo, atsiranda išmatuojami ilgio pokyčiai.
Atitinkama pluošto būklė leidžia daryti tiesioginę išvadą apie esamą oro drėgnumą. Higrometriniuose matavimo elementuose dažniausiai naudojami specialiai paruošti plastikiniai siūlai ir žmogaus plaukai.
Matavimo elemento veiksmingumas grindžiamas tuo, kad naudojami plaukai sugeba sugerti drėgmę. Dėl drėgmės absorbcijos plaukai išbrinksta, o tai dažniausiai pastebima kaip ilgio pokytis.
Didėjant drėgmei plaukai ilgėja. Ilgis pasikeičia maždaug 2,5 %, palyginti su plaukų ilgiu, kai drėgmės pokytis yra nuo 0 iki 100 %. Tačiau esant dideliam drėgnumui plaukai pailgėja palyginti nedaug (žr. paveikslą pirmiau).
Plaukų matavimo elementus pageidautina naudoti klimatinėms reikmėms skirtuose rodytuvuose. Plauko ilgio pokytis į rodyklę arba pieštuką perduodamas specialia tikslia mechanine transmisija. Dėl mechaninio stabilumo keli plaukeliai sujungiami į plaukų pluoštą arba plaukų arfą.
Matavimo metodas užtikrina ±3 % tikslumą matavimo diapazone nuo 0 iki 90 (100) % RH. Aplinkos temperatūra gali būti nuo -35 iki +50 °C. Ilgesnį laiką naudojant mažo drėgnumo, mažesnio kaip 40 % RH, diapazone, plaukų elementas turi būti regeneruojamas. Šiuo tikslu plaukų higrometras maždaug 60 minučių veikiamas beveik prisotintu oru (apie 94-98 %). Tuomet reguliavimo varžtu galima koreguoti rodyklės padėtį. Plaukų higrometrai yra jautrūs higroskopinėms dulkėms, todėl turi būti apsaugoti arba reguliariai valomi.
Plastikiniame matavimo elemente vietoj žmogaus plaukų naudojami plastikiniai siūlai. Specialus procesas šiems pluoštams taip pat suteikia higroskopinių savybių. Dėl santykinės drėgmės pokyčių proporcingai keičiasi matavimo elemento ilgis. Pailgėjimas taip pat perduodamas tikslia mechanine pavara.
Plastikinio matavimo elemento privalumas yra tas, kad jį galima naudoti aukštesnėje temperatūroje (iki 110 °C), taip pat ilgesnį laiką esant mažam santykiniam oro drėgnumui. Regeneracija, žinoma iš plaukų matavimo elementų, čia nereikalinga.
Plastikinis matavimo elementas yra atsparus vandeniui ir nejautrus sausam purvui, dulkėms, pūkams ir panašiai taršai. Matavimo arba darbinis diapazonas yra nuo (0)30 iki 100 % RH, tačiau priklauso nuo aplinkos temperatūros (žr. toliau pateiktą paveikslą). Matavimo tikslumas yra ±2-3 %.
Higrometriniai keitikliai su plastikiniu elementu dėl didelio nejautrumo ir didesnio suderinamumo su temperatūra naudojami nuolatiniams matavimams pramoninių procesų inžinerijoje ir klimato srityse. Priklausomai nuo atitinkamos taikymo srities, galima rinktis įvairias prietaisų versijas.
Didžiausia plastikinio matavimo elemento temperatūra ir drėgmė
Tai, be kita ko, yra:
Plastikinio matavimo elemento ilgio pokytį fiksuoja atitinkama sistema ir paprastai paverčia linijiniu varžos signalu. Taip pat yra versijų su įmontuotais dviejų laidų siųstuvais, kurių išėjime galima gauti standartizuotus srovės ir įtampos signalus. Prietaisai su papildomu temperatūros matavimo diapazonu vadinami higroterminiais keitikliais.
Šiame variante matavimo elemento ilgio pokytis naudojamas perjungimo kontaktui suaktyvinti. Higrostatai naudojami drėkinimo ir sausinimo sistemoms valdyti.
Higrografas yra drėgmės registravimo įtaisas su higrometriniais plaukeliais arba plastikiniais matavimo elementais. Taip pat galima papildomai registruoti temperatūrą (higrotermografas). Taikymo sritys, pavyzdžiui, meteorologinės stotys.
Naudojant higrometrinį matavimo metodą paprastai galima matuoti drėgmę nesuslėgtame ir neagresyviame ore. Reikėtų vengti matavimų tirpiklių turinčiose ir agresyviose terpėse, nes dėl jų rūšies ir koncentracijos matavimai gali būti neteisingi arba matavimo elementas gali būti sugadintas.
Skyriuje apie drėgmės matavimo metodus ir jų taikymo sritis aptariami pagrindiniai principai. Todėl aprašytos prietaisų versijos ir techninės specifikacijos gali skirtis nuo gamintojo pateiktų. Todėl išsamesnės informacijos galima rasti atskirų prietaisų naudojimo instrukcijose arba duomenų lapuose.