Дослідження приладів по вимірюванню вологості (стр. 2 из 5)

Відносна вологість

Відносна вологість повітря це відношення фактично наявної, тобто абсолютної вологості повітря Fabs до максимально можливої вологості повітря Fsat при даній температурі. Відносна вологість повітря являє собою безрозмірну величину. Вона є передаточним числом і вказується в%.

При високій температурі повітря може поглинати більше вологи чим при низкою. Максимальна вологість, що може поглинути повітря, називається вологістю насичення. До насичення тиск водяної пари й отже відносна вологість пропорційна всьому барометричному тиску. Тому що тиск насичення залежить тільки від температури, відносна вологість повітря також залежить від температури. Відносна вологість зменшується, якщо температура підвищується й навпаки. Вплив коливань температури на відносну вологість може бути значним.

Залежності тиску насиченої пари над плоскою поверхнею води й льоду від температури, отримані теоретично на підставі рівняння Клаузиуса - Клапейрона й звірені з експериментальними даними багатьох дослідників, рекомендовані для метеорологічної практики Всесвітньою метеорологічною організацією (ВМО):

ln psw = -6094,4692T-1 + 21,1249952 - 0,027245552 T + 0,000016853396T2 + 2,4575506 ln T

ln psi = -5504,4088T-1 - 3,5704628 - 0,017337458T + 0,0000065204209T2 + 6,1295027 ln T,

де psw і psi - тиск насиченої пари над плоскою поверхнею води й льоду відповідно (Па);

Т - температура (ДО).

Наведені формули справедливі для температур від 0 до 100?C (для psw) і від -0 до -100?C (для psi). У той же час ВМО рекомендує першу формулу й для негативних температур для переохолодженої води (до -50?C).

2. Методи й засоби виміру вологості

Вологість і зміст молекул води в речовинах і матеріалах є одним з найбільш важливих характеристик сполуки. Уже вказувалося, що вологу необхідно вимірювати в газах (концентрація пар води), у сумішах рідин (властиво зміст молекул води) і у твердих тілах у якості вологи, що входить у структуру кристалів. Відповідно, набір методів і пристроїв для виміру змісту молекул води в матеріалах виявляється досить різноманітним.

Традиції вимірювальної техніки, що опираються на повсякденний досвід, привели до того, що у вимірах вологості зложилася специфічна ситуація, коли залежно від впливу кількості вологи нате або інші процеси необхідно знать або абсолютне значення кількості вологи в речовині, або відносне значення, обумовлене як процентне відношення реальної вологості речовини до максимально можливого в даних умовах. Якщо необхідно знати, наприклад, зміна електричних або механічних властивостей речовини, у цьому випадку визначальної є абсолютне значення змісту вологи. Те ж саме ставиться до змісту вологи в нафті, у продуктах живлення й т.д. У тому випадку, коли необхідно визначити швидкість висихання вологих об'єктів, комфортність середовища перебування людини або метеорологічну обстановку, на перше місце виступає відношення реальної вологості, наприклад повітря, до максимально можливого при даній температурі.

У зв'язку із цим характеристики вологості, а також величини й одиниці вологості підрозділяються на характеристики вологовмісту.

Вологовміст - величини й одиниці, що виражають реальну кількість вологи в речовині. Основною характеристикою вологовмісту є абсолютна вологість, обумовлена як кількість вологи в одиниці об'єму:

(1)

До цього класу характеристик можна віднести парціальний тиск водяних пар у газах, абсолютну концентрацію молекул води для газу, близького до ідеального, обумовлену як:

(2)

де Т – абсолютна температура, n₀ – постійна Лошмидта, рівна числу молекул ідеального газу в 1 див³ при нормальних умовах, тобто при p₀= 760 Торр= 1015 Гпа й T₀ = 273,1б К. Часто використовується така характеристика абсолютної вологості як крапка роси, тобто температура, при якій дана абсолютна вологість газу стає 100%. Ця характеристика привнесена в гігрометрію метеорологам і, тому що є найбільш характерною при визначенні моменту випадання роси й визначення її кількості.

Вологостан - процентне співвідношення, рівне відношенню абсолютної вологості до максимально можливого при даній температурі:

(3)

Відносна вологість може характеризуватися так званим дефіцитом парціального тиску, рівного відношенню парціального тиску вологи до максимально можливого при даній температурі. Дуже рідко в вимірах можна зустріти дефіцит крапки роси.

Зв'язок між температурою й максимально можливою абсолютною вологістю дається рівнянням пружності насичених пар води. Це рівняння має вигляд:

(4)

На практиці частіше користуються таблицею тиску насичених пар над плоскою поверхнею води або льоду при різних температурах. Ці дані наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Тиск насичених пар над плоскою поверхнею води

t°c	Рнк, мбар	Анкг/м3	t°C	Рнк, мбар	Анкг/м3
0	6,108	4,582	31	44,927	33,704
1	6,566	4,926	32	47,551	35,672
2	7,055	5,293	33	50,307	37,740
3	7,575	5,683	34	53,200	39,910
4	8,159	6,120	35	56,236	42,188
5	8,719	6,541	36	59,422	44,576
6	9,347	7,012	37	62,762	47,083
7	10,013	7,511	38	66,264	49,710
8	10,722	8,043	39	69,934	52,464
9	11,474	8,608	40	73,777	55,347
10	12,272	9,206	41	77,802	58,366
t°c	Рнк, мбар	Анкг/м3	t°C	Рнк, мбар	Анкг/м3
11	13,119	9,842	42	82,015	61,527
12	14,017	10,515	43	86,423	64,839
13	14,969	11,229	44	91,034	68,293
14	15,977	11,986	45	95,855	71,909
15	17,044	12,786	46	100,89	75,686
16	18,173	13,633	47	106,16	79,640
17	19,367	14,529	48	111,66	83,766
18	20,630	15,476	49	117,40	87,772
19	21,964	16,477	50	123,40	92,573
20	23,373	17,534	51	129,65	97,262
21	24,861	18,650	52	136,17	102,153
22	26,430	19,827	53	142,98	107,268
23	28,086	21,070	54	150,07	112,581
24	29,831	22,379	55	157,46	118,125
25	31,671	23,759	56	165,16	123,900
26	33,608	25,212	57	173,18	129,917
27	35,649	26,743	58	181,53	136,009
28	37,796	28,354	59	190,22	142,700
29	40,055	30,048	60	199,26	149,482
30	42,430	31,830

На стандартних довідкових даних, наведених у табл. 1, засновані практично всі перерахування характеристик вологості. На їхній основі можна, наприклад, по відомій абсолютній вологості й температурі знайти відносну вологість, крапку роси й т.д., виразити практично будь-яку характеристику вологості газів.

Серед приладів для виміру вологості найбільш масовими є прилади для визначення змісту води в газах - гігрометри. Для виміру вологості твердих і сипучих тіл найчастіше використовуються ті ж гігрометри, тільки процес підготовки проби до аналізу містить у собі переклад вологи в газову фазу, що потім і аналізується. Існують у принципі методи безпосереднього виміру змісту вологи в рідинах і у твердих тілах, наприклад, методом ядерного магнітного резонансу. Прилади, побудовані на такому принципі, досить складні, дороги й вимагають високої кваліфікації оператора.

Гігрометри як самостійні прилади є одними із самих затребуваних вимірювальних приладів, оскільки з давніх часів у них бідували метеорологи. По зміні вологості, також як по зміні тиску й температури, можна пророкувати погоду, можна контролювати комфортність життєзабезпечення в приміщеннях, контролювати різного роду технологічні процеси. Наприклад, контроль вологості на електростанціях, на телефонних станціях, на поліграфічному виробництві й т.д. і т.п. є визначальним у забезпеченні нормального режиму функціонування.

Затребуваність гігрометрів породила розробки й виготовлення великої кількості різних типів приладів. Більшість вимірників вологості являють собою датчики вологості з індикатором або аналоговим сигналом, або сигналу в цифровій формі. Оскільки індикаторами є здебільшого або механічні пристрою, або електровимірювальні прилади, розглянуті в попередніх розділах, зупинимося на датчиках вологості, що визначають майже всі функціональні можливості гігрометрів.

Датчики гігрометрів можна класифікувати за принципом дії на наступні типи:

волосяні датчики, у яких використовується властивість волосся змінювати довжину при зміні вологості;

ємнісні датчики, у яких при зміні вологості змінюється електрична ємність конденсатора з гигроскопичним діелектриком;

резистивні датчики, у яких змінюється опір провідника, на поверхню якого нанесений гігроскопічний шар;

пьезосорбціонні датчики, у яких волога, поглинена гігроскопічним покриттям, змінює власну частоту коливань пьезокристала, на поверхню якого нанесений шар;

датчик температури крапки роси, у якому фіксується температура, що відповідає переходу дзеркального відбиття металевою поверхнею в дифузійне;