Často kladené dotazy na téma měření vlhkosti

Úvod

Měření vlhkosti vzduchu

Kromě teploty je velmi důležitým parametrem procesu také vlhkost. Například relativní vlhkost okolní atmosféry má dalekosáhlý vliv na naši pohodu a zdraví. V průmyslových procesech je správné nastavení vlhkosti často rozhodující pro konkurenceschopnost a kvalitu výrobku. Správné nastavení úrovně vlhkosti může také přispět ke znatelným úsporám spotřeby energie. seznam aplikací, ve kterých je měření vlhkosti považováno za důležité, lze rozšiřovat donekonečna. Všude tam, kde obsah vodní páry ve vzduchu může vyvolat nebo ovlivnit chemické, fyzikální nebo biologické procesy, je velmi důležité zajistit nepřetržité sledování vlhkosti.

Pojmy a fyzikální zákony

Složení vzduchu

Čistý a suchý vzduch obsahuje tyto složky (v objemových procentech):
78,10 % obj. dusíku
20,93 % obj. kyslíku
0,93 % obj. argonu
0,03 % obj. oxidu uhličitého
0,01 % obj. vodíku
spolu s menšími množstvími neonu, helia, kryptonu a xenonu.

Kromě těchto složek obsahuje vnitřní a venkovní vzduch řadu plynů a pevných látek a také určité množství vlhkosti ve formě vodní páry. Vzduch je tedy homogenní směsí různých plynů a lze jej považovat za "ideální plyn". Sluneční záření a vítr zajišťují rovnoměrné promíchání zúčastněných plynů, takže navzdory rozdílům ve specifické hmotnosti nedochází k jejich rozvrstvení.

Daltonův zákon P = P1 + P2 + ...

Celkový tlak směsi plynů se skládá ze součtu parciálních tlaků jejích složek. Zjednodušeně řečeno se tedy vzduch skládá ze suchého vzduchu a vodní páry.

P = Pw + Pdry

kde (Pw) představuje parciální tlak vytvořený vodní párou a (Pdry) součet parciálních tlaků všech ostatních plynů.


Tlak nasycení páry

Vzduch je schopen absorbovat a uchovávat určité množství vodní páry v závislosti na své teplotě. Toto množství se zvyšuje s rostoucí teplotou. Při jakékoliv teplotě může výsledný tlak vodní páry stoupat pouze do hranice nasycení, která se označuje jako tlak nasycené vodní páry PS.

Atmosférický tlak ani přítomnost jiných plynů nebo nečistot nemají na výše popsané chování žádný vliv.


Křivka tlaku vodní páry udává maximum nasycení vzduchu vodní párou při různých teplotách.

Rosný bod

Teplota rosného bodu Td je teplota, při které je vzduch nasycen vodní párou; další přidávání vodní páry nebo ochlazování vzduchu vede ke kondenzaci. Přebytečná vodní pára kondenzuje jako déšť, mlha nebo kondenzát. Nasycený stav se udržuje. Teplota rosného bodu se rovná teplotě nasycení vodní párou a může být maximálně 100 °C normálního tlaku.


Parametry měření

Obsah vlhkosti vzduchu lze charakterizovat dvěma parametry. Rozlišujeme relativní vlhkost a absolutní vlhkost.


Směšovací poměr nebo obsah vody (x)

Zde je vyjádřen poměr hmotnosti vodní páry k hmotnosti suchého plynu. Obvykle se používají jednotky g/kgzkráceného vzduchu a %.

Udává tedy, kolik gramů vodní páry je obsaženo v jednom kilogramu suchého vzduchu. V procesním inženýrství hraje stanovení obsahu vody důležitou roli, protože ve srovnání s relativní vlhkostí poskytuje mnohem smysluplnější údaje.

Rozměry absolutní a relativní vlhkosti mají mezi sebou pevný vztah. Jednotky absolutní vlhkosti lze volit podle příslušných požadavků.

Nejběžnějšími jednotkami jsou:

rosný bod (-teplota) - °C
Směšovací poměr - g/kg suchého vzduchu
Absolutní vlhkost - g/m3

Jednotky absolutní vlhkosti a jejich vztah k relativní vlhkosti

Vztah mezi teplotou, vlhkostí a relativní vlhkostí vzduchu

Odpovídající korelace jsou znázorněny v i-x diagramu (Mollierově diagramu).

Příklad použití diagramu:
a) Stanovení obsahu vody X a tlaku vodní páry e

Měřeno:

Teplota vzduchu 28 °C

Vlhkost 60 % rH

Najděte naměřené hodnoty v diagramu a určete průsečík A. Na průsečík padněte svislou čáru a protáhněte ji k hornímu a dolnímu okraji diagramu. Průsečík na horním okraji udává tlak vodní páry e = 17 mm QS, který na dolním okraji udává obsah vody X = 14 g/kg.

b) Určení teploty rosného bodu

Změřeno:

Teplota vzduchu 28 °C
Vlhkost 60 % rH

Jak je popsáno v bodě a) Určete průsečík A. Z průsečíku A jděte svisle k maximální vlhkosti 100 % a z tohoto bodu nakreslete na ose (vlevo) přímku s dělením teploty. Výsledkem nového průsečíku je teplota rosného bodu 19,4 °C. Teplota rosného bodu 19,4 °C je stejná jako teplota rosného bodu 19,4 °C.

Vztah mezi teplotou, vlhkostí a relativní vlhkostí vzduchu

Metody měření vlhkosti a oblasti jejich použití

Ke stanovení vlhkosti vzduchu lze použít různé metody měření. Výběr nejvhodnější měřicí metody obvykle provádí uživatel v souvislosti s měřeným objektem. Často je možné dosáhnout vyšší přesnosti měření nebo splnit požadované požadavky pomocí jednoduchého, ale správně uspořádaného zařízení pro měření vlhkosti. Pro obecnou pomoc jsou níže popsány některé nejznámější a nejčastěji používané metody měření vlhkosti a oblasti jejich použití.

Elektrický psychrometr

Elektrický psychrometr

Konstrukce senzoru

Konstrukce senzoru

Psychrometrická metoda měření

Při psychrometrické metodě měření se relativní vlhkost vzduchu určuje přímo. Metoda měření je založena na principu výměny tepla.

Psychrometr se v podstatě skládá ze dvou nezávislých teplotních čidel, z nichž jedno slouží jako teplotní čidlo vlhkosti a druhé jako čidlo suché teploty. Čidlo teploty vlhkosti je obklopeno absorpční tkaninou namočenou ve vodě. V závislosti na teplotě nebo vlhkosti cirkulujícího vzduchu se odpařováním uvolňuje určité množství vodní páry nezbytným prouděním vzduchu. To způsobí, že se povrch vlhkého teploměru znatelně ochladí (teplota vlhkého teploměru). Současně se druhým teplotním čidlem měří teplota vzduchu v okolí (suchá teplota). Takto zjištěný psychrometrický rozdíl teplot je mírou relativní vlhkosti vzduchu.

Pomocí psychrometru a opatrného zacházení lze provádět přesná měření vlhkosti vzduchu. Jako mezinárodně uznávané referenční a kontrolní přístroje se používají například aspirační psychrometry podle firmy Assmann. Integrovaný ventilátor s pružinovým vinutím zajišťuje průměrnou konstantní rychlost vzduchu cca 3 m/s, který proudí kolem teploměrů. Rozdíl teplot se odečítá na dvou kalibrovaných skleněných teploměrech.

Vyhodnocení se provádí ručně pomocí tabulky nebo grafického panelu psychrometru. Pro vyšší přesnost vyhodnocení lze použít také aspirační psychrometrické tabulky německé meteorologické služby, rozdělené na desetiny stupně.

Kromě aspiračního psychrometru je k dispozici také řada různých provedení. Oblast použití většiny mechanických psychrometrů se skleněnými teploměry je omezena na klimatický rozsah pro měření při teplotách ≤ 60 °C. Výhodou těchto provedení je, že nevyžadují žádné napájení.

Elektrické psychrometry umožňují rozšířenou oblast použití. Teploty mokrého a suchého teploměru se měří odporovými teploměry Pt-100. To znamená, že relativní vlhkost stanovenou podle "Sprungscheho vzorce" lze přímo zobrazit nebo dále zpracovat v mikroprocesorem řízených zobrazovacích, řídicích a záznamových zařízeních s odpovídajícími vstupními obvody. Teplotní rozsah je téměř od 0 do 100 °C.

Psychrometrická metoda měření je necitlivá na jiné metody měření vlhkosti, a proto ve velké míře umožňuje měření ve znečištěných plynech s obsahem rozpouštědel a agresivních plynech. Elektrické psychrometry se používají například pro kontinuální měření v řeznictví a sýrařství.

Díky psychrometrické měřicí metodě, která je známá již více než sto let, byla realizována jednoduchá a cenově výhodná metoda měření vlhkosti. Spolehlivá kontinuální měření však vyžadují kritéria specifická pro danou aplikaci, která musí být splněna. Například dostatečné větrání a zvlhčování a také údržba měřicího zařízení. Podrobnosti naleznete v návodu k obsluze a postupu práce příslušného přístroje.
Kapacitní metoda měření

Vlhkost okolního vzduchu, která závisí na teplotě, proniká hygroskopickou horní elektrodou senzoru vlhkosti ve formě vodní páry a dostává se k aktivnímu polymernímu filmu.

Množství vodní páry absorbované v polymerním filmu mění elektrické vlastnosti senzoru vlhkosti a má za následek změnu kapacity. Změna kapacity je úměrná změně relativní vlhkosti a je vyhodnocena navazující elektronikou a převedena na standardizovaný výstupní signál. Vyhodnocovací elektronika musí být přizpůsobena základní kapacitě příslušného snímače vlhkosti.

Díky speciální konstrukci a malé vlastní hmotnosti kapacitních snímačů vlhkosti je dosaženo velmi rychlé doby odezvy. Navíc jsou do značné míry necitlivé na lehké znečištění a prach. Jako ochrana proti kontaktu s povrchem jsou senzory uzavřeny v plastovém pouzdře. Pro aplikace s vysokou vlhkostí jsou k dispozici verze odolné proti rosení.

Kapacitní měřicí metody se používají například v oblasti klimatu a v průmyslových procesech, kde není vysoká koncentrace korozivních plynů nebo roztoků.

Standardní měřicí rozsah kapacitních snímačů vlhkosti je převážně 10 až 90 % relativní vlhkosti. U kvalitnějších verzí je možné měřit v rozsahu 0 až 100 % relativní vlhkosti.


Pracovní vztek kapacitního senzoru vlhkosti

Pracovní vztek kapacitního senzoru vlhkosti

Změna délky vlasů v závislosti na relativní vlhkosti

Změna délky vlasů v závislosti na relativní vlhkosti

Jednou z hlavních výhod kapacitní metody měření je proveditelný rozsah teplot, ve kterém lze měření vlhkosti provádět. Například moderní senzory vlhkosti pro průmyslové aplikace umožňují měření v rozsahu od -40 do +180 °C, přičemž teplota je zaznamenávána současně a je k dispozici také jako standardizovaný výstupní signál.

V závislosti na verzi přístroje jsou možné odchylky zobrazeného pracovního rozsahu.

Vzhledem k čistě elektrickému měření nabízí kapacitní metoda měření další výhodu. Například vysoce kvalitní senzory vlhkosti vybavené nejnovější mikroprocesorovou technologií mohou být vybaveny řadou možných variant a funkcí.

Protože různé tlaky plynů a rychlosti proudění vzduchu nemají na kapacitní snímač vlhkosti téměř žádný vliv, jsou k dispozici verze zařízení, které umožňují měření v tlakově zatížených systémech v rozsahu 0 až 100 barů.

Přesnost měření se pohybuje v rozmezí ±2 až ±5 % rf v závislosti na verzi přístroje. Za určitých podmínek lze dosáhnout i přesnosti měření ±1 % rf.

Vlhkoměrná metoda měření

Hygrometrická metoda měření využívá ke stanovení vlhkosti vzduchu speciálních vlastností hygroskopických vláknitých materiálů. Jsou-li tato vlákna vystavena okolnímu vzduchu, dochází po uplynutí kompenzační doby v závislosti na vlhkosti vzduchu k měřitelným změnám délky.

Příslušný stav vlákniny nyní umožňuje učinit přímý závěr o přítomné vlhkosti vzduchu. Ve vlhkoměrných měřicích prvcích se používají především speciálně připravená plastová vlákna a lidské vlasy.

Vlasový měřicí prvek

Účinnost měřicího prvku je založena na skutečnosti, že použité vlasy jsou schopny absorbovat vlhkost. Absorpce vlhkosti vytváří na vlasech bobtnavý efekt, který je patrný především jako změna délky.

Se zvyšující se vlhkostí se vlasy prodlužují. Změna délky je přibližně 2,5 % vzhledem k délce vlasu při změně vlhkosti od 0 do 100 %. Při vysoké vlhkosti však vlasy vykazují pouze relativně malé prodloužení (viz obrázek výše).

Vlasové měřicí prvky se s výhodou používají v ukazovacích přístrojích pro klimatické aplikace. Změna délky vlasu se přenáší na ukazatel nebo tužku speciálním přesným mechanickým převodem. Z důvodů mechanické stability se několik vlasů spojuje do svazku vlasů nebo vlasové harfy.

Metoda měření zaručuje přesnost ±3 % v rozsahu měření od 0 do 90 (100) % relativní vlhkosti. Okolní teploty jsou možné od -35 do +50 °C. Při dlouhodobém používání v rozsahu nízké vlhkosti pod 40 % RH je třeba vlasový prvek regenerovat. Za tímto účelem se vlasový vlhkoměr vystaví téměř nasycenému vzduchu (přibližně 94 až 98 %) na dobu přibližně 60 minut. Poté lze provést případnou korekci polohy ukazatele pomocí seřizovacího šroubu. Vlasové vlhkoměry jsou citlivé na hygroskopický prach, a proto je třeba je pravidelně chránit nebo čistit.

Plastový měřicí prvek

Plastový měřicí prvek používá místo lidských vlasů plastová vlákna. Speciální proces dodává těmto vláknům také hygroskopické vlastnosti. Změny relativní vlhkosti způsobují úměrnou změnu délky měřicího prvku. Prodloužení je rovněž přenášeno přesným mechanickým převodem.

Výhodou plastového měřicího prvku je, že jej lze používat při vyšších teplotách (až 110 °C) a také po delší dobu při nízké relativní vlhkosti. Regenerace známá z vlasových měřicích prvků zde není nutná.

Plastový měřicí prvek je odolný vůči vodě a necitlivý na suché nečistoty, prach, chmýří a podobné znečištění. Měřicí nebo pracovní rozsah je (0)30 až 100 % relativní vlhkosti, ale závisí na okolní teplotě (viz obrázek níže). Přesnost měření je ±2 až 3 %.

Vlhkoměrné snímače s plastovým prvkem se používají pro kontinuální měření v průmyslové procesní technice a v klimatických aplikacích díky své vysoké necitlivosti a vyšší teplotní kompatibilitě. V závislosti na příslušné aplikaci je k dispozici široká škála verzí přístrojů.

Maximální teplota a vlhkost plastového měřicího prvku

Patří mezi ně mimo jiné:

Hygro senzor

Změna délky plastového měřicího prvku je snímána vhodným systémem a obvykle převedena na lineární odporový signál. K dispozici jsou také verze s vestavěnými dvouvodičovými převodníky, kdy jsou na výstupu k dispozici standardizované signály proudu a napětí. Přístroje s dodatečným rozsahem měření teploty se označují jako snímače hygrothermo.

Hygrostat

V této variantě se změna délky měřicího prvku využívá k aktivaci spínacího kontaktu. Hygrostaty se používají k řízení zvlhčovacích a odvlhčovacích systémů.

Hygrograf

Vlhkoměr je záznamník vlhkosti s vlhkoměrnými vlasovými nebo plastovými měřicími prvky. Je možný také doplňkový záznam teploty (hygrotermograf). Oblastí použití jsou např. meteorologické stanice.

Pomocí hygrometrické měřicí metody je obecně možné měřit vlhkost v beztlakovém a neagresivním vzduchu. Měření v médiích obsahujících rozpouštědla a agresivních médiích je třeba se vyhnout, protože jejich druh a koncentrace mohou způsobit nesprávné měření nebo zničit měřicí prvek.

Závěrečná poznámka

Kapitola o metodách měření vlhkosti a oblastech jejich použití se zabývá základními principy. Popisované verze přístrojů a technické specifikace se proto mohou lišit od údajů výrobce. Podrobnější informace proto naleznete v návodech k obsluze nebo v technických listech jednotlivých přístrojů.