Pomiary wilgotności powietrza: podstawowe definicje, urządzenia, pomiary, Skrypty z Climatologia

Pobierz Pomiary wilgotności powietrza: podstawowe definicje, urządzenia, pomiary i więcej Skrypty w PDF z Climatologia tylko na Docsity!

POMIARY WILGOTNOSCI

POWIETRZA

POMIARY WILGOTNOSCI POWIETRZA

Na podstawie: ,'pomiary cieplne cz.]", praca zbiorowa; Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993

8.1. Wlasnosci powietrza wilgotnego

- 8.1.1. Podstawowe definicje

Powietrze atmosferyczne jest mieszanina gazowa zawierajaca zawsze pewna ilosc pary wodnej. Zawartosc pary wodnej w powietrzu atmosferycznym zmienia sie, a zachowanie sie jej jest odmienne od pozostalych gazów (mozliwosc-zmiany stanu

skupienia) - mozna wiec do celów praktycznych traktowac powietrze atmosfe-

ryczne jako mieszanine powietrza suchego (skladajacego sie wylacznie z gazów) oraz pary wodnej. Ilosc pary wodnej znajdujacej sie w jednostce objetosci powietrza nie moze przekraczac pewnej wielkosci maksymalnej, która jest zalezna od temperatury. Powietrze niedosycone jest to powietrze, które moze w danej temperaturze wchlonac pewna ilosc pary wodnej, natomiast powietrze nasycone zawiera juz maksymalna ilosc pary wodnej w danej temperaturze. Cisnienie powietrza wilgotnego (cisnienie barometryczne) wg prawa Daltona jest suma cisnien skladnikowych powietrza s.uchego pg oraz pary wodnej pp Pb = Pg + Pp (8.1) W powietrzu niedosyconym cisnienie skladnikowe pary wodnej p p jest mniejsze od cisnienia nasycenia pary wodnej p; w danej temperaturze. W powie-

trzu nasyconym para wodna cisnienie p p jest równe cisnieniu nasycenia w danej

temperaturze - stan ten nazywa sie punktem rosy, gdyz najmniejsze obnizenie

temperatury spowoduje wykropIenie sie pewnej ilosci pary, powstanie mgly lub rosy. Wilgotnosc bezwzgledna powietrza Pp jest stosunkiem masy pary mp do objetosci V powietrza wilgotnego mp

PP=V-

~ III

50 h kJ kg

40 t.

30

20

10

o

-

Rys. 8.1. Wykres h-x dla powietrza wilgotnego

~

fi

II I.

pionowej); w prostokatnym ukladzie wspólrzednych obszar powietrza niedosy-conego wypadlby zbyt waski.

Linie stalej wilgotnosci wzglednej rp = const stanowia rodzine krzywych biegnacych skosnie od lewego dolnego rogu wykresu ku górze. Krzywa rp = I (stan nasycenia powietrza para) oddziela obszar powietrza niedosyconego (powyzej krzywej rp = I) od obszaru mgly (ponizej krzywej rp = 1).

247 I

.I

Izotermy t = const stanowia w obszarze powietrza niedosyconego uklad

prostych nierównoleglych, przy czym izoterma t = O°C w obszarze powietrza

niedosyconegojest pozioma.

Na linii nasycenia a; = l izotermy ulegaja zalamaniu i w obszarze mgly sa.

ukladem pro~ch prawie równoleglych do izentalp.

Poniewaz przyjeto, re entalpia l kg powietrza suchego dla t = O°C równa sie

zeru, wiec linie t = O°Coraz h = O kJ/kg przecinaja sie na lewej osi pionowej.

8.2. Pomiar wilgotnosci powietrza

W zaleznosci od budowy i zasady dzialania przyrzady do pomiaru wilgotnosci

powietrza mozna podzielic na: higrometry, psychrometry.

8.2.1. Higrometry

Higrometry absorpcyjne (grawimetryczne)

Pomiar polega na pochlanianiu pary wodnej z powietrza przez material

absorbujacy i wyznaczaniu wilgotnosci bezwzglednej. Jest to metoda skompliko-

wana i klopotliwa, uzywana do wzorcowania i w pomiarach laboratoryjnych.

Higrometry kondensacyjne

Wykorzystano tu pomiar temperatury punktu rosy, tj. temperatury poczatku

kondensacji pary wodnej na chlodnej powierzchni metalowej lub szklanej (lustra

higrometru). Efekt chlodzenia powierzchni mozna uzyskac przez parowanie cieczy

latwowrzacych (higrometr Daniella), adiabatyczne rozprezanie gazu, efekt

Peltiera - chlodzenie termoelektryczne.

Proces kondensacji pary wodnej z powietrza odbywa sie przy stalej zawartosci

wilgoci (x = const). Okreslenie stanu powietrza na wykresie h-x przedstawiono na

rys. 8.2.

h

XA

Rys. 8.2. Wyznaczanie wilgotnosci wzglednej ({J na wykresie h-x wg

wskazan higrometru kondensacyjnego; tA - temperatura bada-

nego powietrza, tr - temperatura punktu rosy, ({JA - wilgotnosc

wzgledna badanego powietrza

tA

tr

x

Higrometry wlosowe Wykorzystano tu wlasnosci wlosów ludzkich, zwierzecych oraz niektórych wlókien syntetycznych polegajace na zmianie ich dlugosci pod wplywem zmian wilgotnosci powietrza. Schemat higrometru wlosowego przedstawiono na rys. 8.3. Ze wzgledu na prostote budowy i dzialania higrometry wlosowe sa powsze- chnie stosowane. Dokladnosc pomiaru zawiera sie w granicach :t3 %, przy zakresie pomiarowym 30+ l 00% wilgotnosci wzglednej.

rezystora. Wskazówka galwanometru wychyli sie, gdy R) ;1; R2. Wychylenie mozna wyskalowac w % wilgotnosci wzglednej. Higrometry pojemnosciowe Zasada dzialania jest oparta na pomiarze admitancji (pojemnosci) porowatej warstwy higroskopijnej. Czujnik jest kondensatorem o zlotej i aluminiowej poro- watej elektrodzie. Charakteryzuje sie duza staloscia charakterystyki przy zmianach temperatury oraz mala bezwladnoscia wskazan. Higrometry rezystancyjne. Czujniki tych higrometrów skladaja sie z elektrod rozdzielonych warstwa higroskopijna zmieniajaca przewodnosc elektryczna przy zmianie wilgotnosci powietrza. Higrometry rezystancyjne mozna podzielic na dwie grupy:

• higrometry z czujnikami elektrolitycznymi; elektrody umieszczone w elek- trolicie (nienasycone roztwory soli lub kwasów); zmiana wilgotnosci powietrza powoduje zmiane stezenia elektrolitu; wartosc wilgotnosci wzglednej a; odczytuje sie na odpo\lednio wyskalowanYm amperomierzu,
• higrometry z czujnikami sorpcyjnymi; na warstwie higroskopijnej nastepuje pochlanianie wilgoci z otoczenia; dyfundujaca woda powoduje spadek przewodni- ctwa elektrycznego warstwy. Higrometry z ogrzewanymi czujnikami Czujnikiem pomiaroWYm najczesciej jest termometr rezystancyjny (rys. 8.5) z umieszczona na nim tkanina z wlókna szklanego nasycona roztworem chlorku litu i nawinietymi dwiema elektrodami. Napiecie przylozone do elektrod powoduje przeplyw pradu przez elektrolit, wskutek czego temperatura czujnika wzrasta do chwili osiagniecia temperatury przemiany. Cisnienie skladnikowe pary wodnej nad powierzchnia elektrolitu wzrasta, powodujac odparowanie wody z roztworu .do otaczajacego powietrza i zmniejsza przewodnosc elektryczna. Wskutek tworzenia sie krysztalów chlorku litu (LiCI) o wlasnosciach higroskopijnych, przerywa sie przeplYw pradu, powodujac ochlodzenie czujnika. To z kolei powoduje absorpcje wilgoci z powie- trza i ponowne ogrzewanie czujnika. Proces ten powtarza sie az do ustalenia sie stanu równowagi w temperaturze przemiany, odpowiadajacej temperaturze punktu rosy, w której nie wystepuje WYmianawilgoci miedzy chlorkiem litu a otoczeniem. Znajac temperature punktu rosy i temperature powietrza mozna okreslic wilgotnosc wzgledna powietrza. Czujniki chlorolitowe sa stosowane w zakresie temperatury -207 + 100°C i.wilgotnosci wzglednej 1071000/0. Na rys. 8.6 pokazano higrometr punktu rosy ze szklanymi termometrami.

I

l', '°o,;.

~ ~-I- 20+200S2..2 ~

4

h

I L.:

Rys. 8.5.

Schemat ideowy higrometru chlorolitowego; l - czujnik termo-

metru rezystancyjnego, 2 - wlókno szklane nasycone wodnym

roztworem chlorku litu (LiCI), 3 - elektrody, 4 - transformator,

5 - rezystor rozruchowy

, ,I

Wilgotnosciomierz punktu rosy

=====<3:

7

1 2

6

~

. 1. o o o o o o (^) Rys. 8.6. Higrometr punktu rosy ze szklanymi termometrami;

1 - termometr temperatury powietrza, 2 - termometr

punktu rosy, 3 - zbiornik rteci termometru punktu

rosy, 4 - elektrody metalowe, 5 - warstwa wlókna

azbestowego, 6 - oslonaperforowana,7 - obudowa

i III

I

oo^ oo o o oo oo oo oo

8.2.2. Psychrometry Psychrometr jest klasycznym przyrzadem do pomiaru wilgotnosci powietrza umozliwiajacym osiagniecie najwiekszej dokladnosci pod warunkiem wlasciwego uzytkowania. Psychrometr przedstawiony na rys. 8.7 sklada sie z dwóch termometrów, tzw. termometru suchego i termometru mokrego. Termometr suchy wskazuje tempera- ture powietrza, a termometr mokry, którego czujnik jest owiniety higroskopijna koszulka zwilzana woda destylowana, tzw. temperture tennometru mokrego.

1/: 2/ ~ \i

Rys. 8.7.

Zasadadzialaniapsychrometru; 1 - termometrsuchy,2 - termometr

mokry, 3 - koszulka higroskopijna, 4 - wentylatorek

II I

II

I

Podstawa pomiaru jest zalozenie, ze w warstwie powietrza graniczacego bezposrednio z tennometrem mokrym ustali sie stan nasycenia powietrza para wodna. Na skutek róznicy cisnien skladnikowych pary wodnej w tej warstwie i otaczajacym powietrzu nastapi parowanie wody z higroskopijnej warstwy tenno- metru mokrego i ochlodzenie czujnika do temperatury odpowiadajacej granicy chlodzenia. Róznice wskazan termometru suchego i mokrego nazywa sie róznica psychrometryczna. Jest ona tym wieksza, im powietrze otaczajace jest bardziej

; I I

: 'I

I

I 251

::::::?-

13'10-4y. Pro I (2'10-

11'10- Rys. 8.9. Zaleznosc stalej psychrometryc11lej od predkosci przeplywu powietrza wg: Zworykina (krzywa 1 - zbiorniczki kuliste t/J 10 mm, krzywa 2 - zbior- niczki cylindryczne t/J 4 mm, dlugosc 8 mm); Lykowa (krzywa 3 - zbiorniczki cylindryczne t/J 4 mm, dlugosc 8 mm); Yarnarumoto (krzywa

4 - zbiorniczki kuliste t/J 9 mm), Pusanowa (pun-

kty PlO - zbiorniczki kuliste t/J lO mm, punkty

p 4 - zbiorniczki cylindryczne t/J 4 mm, dlugosc

8 mm)

8'10-

7.10-4 P1D - -<

P fi'~^0 -4O^13 w, m/s

W niskich temperaturach badanego powietrza woda w koszulce termometru

mokrego moze zamarznac, co spowoduje pewna zmiane stalej psychrometrycznej.

W zwiazku z powyzszym nie nalezy dokonywac pomiaru psychrometrem, gdy na

koszulce termometru znajduje sie jednoczesnie woda i lód.

Psychrometr Augusta

Psychrometr Augusta jest to zestaw dwóch termometrów, z których jeden

jest zaopatrzony w koszulke i zbiorniczek wody destylowanej do jej nawil-

zania. Psychrometr ten ma przypadkowy przeplyw powietrza wokól termometrów

i nie nadaje sie do pomiarów dokladnych. W skazania jego nalezy traktowac jako

orientac)jne (w niesprzyjajacych warunkach bledy pomiaru moga dochodzic

do 15%).

Psychrometr Assmanna

Psychrometr Assmanna (rys. 8.10) ma czujniki termometrów zabezpieczone

przed wplywem promieniowania oraz wymuszony przeplyw powietrza

z predkoscia 2,5 m/s, czemu odp'owiada wartosc stalej psychrometrycznej

A = 67,70.10-5 K-J.

Psychrometry Assmanna sa przyrzadami prostymi w budowie, wygodnymi

w uzyciu i dajacymi jednoczesnie wystarczajaco dokladne wyniki pomiarów.

Uzywane sa wiec powszechnie do pomiarów wilgotnosci wzglednej powietrza oraz

do wzorcowania innych psychrometrów i higrometrów.

Zakres pomiarowy: temperatura 0-.;-50°C,wilgotnosc wzgledna 5-.;-95%.Przy

temperaturach wyzszych od 50°C rosnie blad spowodowany nieadiabatycznym

procesem nawilzania.

Jezeli sa znane odczyty termometrów suchego i mokrego, to wilgotnosc

wzgledna powietrza mozna wyznaczyc trzema sposobami:

1. Obliczajac ze wzorów (8.9) i (8.10). Konieczna jest tutaj znajomosc

cisnienia barometrycznego w chwili pomiaru lub przyjecie sredniej wartosci dla

Polski (tj. 1000 hPa).Cisnienia nasycenia pary wodnej P;s i P;m [hPa] nalezy

pfZ)jac z tablic opracowanych dla pary nasyconej lub z wykresu h-x.

Korzystajac z psychrometru Augusta, dla przxjetych wielkosci -

w = 0,4+0,5 m/s~ A = 80.10-5 K-J~Pb = 1000 hPa mamy

I

II:

I

, I

l.iI

:! II i (^) I 1

.1I.I Ii : ,i I

I I

I 'I I

I

I

II

I

,

3

Rys. 8.10. Psychrometr Assmanna; 1 - tulejki, 2 - oslona, 3 - wentylatorek, 4 - klucz do nakrecania sprezyzyI1y

rp =^ P;m^ -^ 0,8^ (ts^ -^ lm)^^100

P

ps

Dla psychrometru Assmanna zas dla

A = 67,7.10-5 K-1;Pb = 1000 hPa mamy

P;m - 0,68 (ts - lm)

rp= 100

P

ps

przyjetych wielkosci - w = 2,5m/s;

2. Odczytujac z gotowych tablic lub wykresów psychrometrycznych. Przy

poslugiwaniu sie psychrometrem Assmanna mozna korzystac z tablic psychro-

metrycznych, które opracowano dla cisnienia Pb = 1007 hPa, stalej psychro- metrycznej: dla wopy Aw = 50.10-5 K-1, dla lodu AL = 43.10-5 K-1 oraz dla zakresu

temperatury -30°C+ +45°C. Tablice umozliwiaja wprowadzenie pewnych

poprawek w zaleznosci od aktualnego cisnienia barometrycznego. Dla odczytanej

temperatury termometru suchego ts i róznicy psychrometrycznej !::.t = ts - tm.

odczytuje sie wilgotnosc wzgledna rp. Przy poslugiwaniu sie psychrometrem

mozna korzystac z wykresu rp = f(ts, !::.t).

. 3. Wyznaczajac wilgotnosc powietrza z wykresu h-x badz wykresu Camera.

Wyznaczanie wilgotnosci wzglednej powietrza na wykresie h-x pokazano na

rys. 8.11.

Prowadzac z punktu M izentalpe h = const do przeciecia z izoterma ts = const

otrzyma sie, jako stan powietrza otaczajacego, punkt A o wilgotnosci wzgled-

neJ rpo.

i

I II

Ii I I

:I I I I I

I

I

I

I

'I

I

I

I J.

Wykres Carriera jest wykresem psychrometrycznym, za pomoca którego,

znajac temperature termometru suchego ts oraz termometru mokrego tm' mozna

wyznaczyc w punkcie ich przeciecia wilgotnosc wzgledna rp. Inne typy psychrometrów W psychrometrach zamiast termometrów rteciowych (cieczowych) mozna stosowac np. termometry: cisnieniowe, rezystancyjne, termoelementy. Poza pomia- rem temperatury czujniki te moga byc wykorzystane jako element sterujacy, regulacyjny badz rejestrujacy wartosc wilgotnosci wzglednej powietrza.

8.2.3. Pomiary wilgotnosci powietrza w kanale (tunelu) W przypadku przeplywu powietrza ze stala predkoscia wewnatrz przewodu (kanalu) o przekroju kolowym lub prostokatnym wilgotnosc wzgledna powietrza mozna wyznaczyc metoda psychrometryczna. Termometry suchy i mokry (rys. 8.13) mocuje sie w korkach gumowych lub igelitowych. Czujnik termometru mokrego jest owiniety gaza zwilzana okresowo lub zanurzona w zbiorniczku wody destylowanej.

ts tm

~-- "

An@mometr

I

H- Rys. 8.13. Schemat pomiaru wilgotnosci powietrza w kanale (tunelu)

Predkosc powietrza w kanale mierzy sie jednym ze znanych sposobów pomiaru predkosci powietrza. Dla zmierzonej temperatury ts i t m oraz predkosci powietrza w okresla sie wilgotnosc wzgledna powietrza rp ze wzorów (8.9) i (8.10), wykresu h-x lub wykresu t-x.

8.2.4. Pomiary wilgotnosci powietrza w niskich i wysokich temperaturach Pomiary wilgotnosci powietrza w niskich temperaturach W niskich temperaturach powietrza (ponizej O°C) najczesciej stosowanymi przyrzadami sa: higrometr z ogrzewanym czujnikiem, higrometr z czujnikami chlorolitowymi, higrometr wlosowy, higrometr absorpcyjny, psychrometr. Assmanna. Pomiary wilgotnosci powietrza w wysokich temperaturach W przypadku pomiaru wilgotnosci powietrza o temperaturze powyzej 100°C mozna go przeprowadzic za pomoca higrometru punktu rosy, higrometru absorpcyjnego, w którym pochlaniaczem jest woda, przez która przepuszcza sie powietrze, a po ochlodzeniu i osuszeniu wyznacza wilgotnosc powietrza opuszcza- jacego chlodnice oraz okresla sie ilosc wykropIonej wilgoci w chlodnicy.

8.2.5. Wzorcowanie

higrometrów

Wzorcowanie i sprawdzanie higrometrów moze byc wykonane dwiema metodami:

-^

przez pomiar badanYffihigrometrem powietrza o znanej wilgotnosci, wytwo-

rzonej przez odpowiedni generator wilgotnosci, lub wilgotnosci utrzYffiujacejsienad roztworem higrostatycznYffi (np. roztworem kwasu lub soli), nad któregopowierzchnia utrzymuje sie okreslona wilgotnosc powietrza,

-^

przez

wspólny

pom.iar

nieznanej

wilgotnosci

powietrza

higrometrem

badanYffi i wzorcowym. Jako higrometry

wzorcowe przyjmuje sie higrometry

absorpcyjne (grawimetryczne) podajace bezwzgledna zawartosc wilgoci w powie-trzu;

do

celów technicznych z

wystarczajaca

dokladnoscia mozna

uznac

za

przyrzad wzorcowy

psychrometr Assmanna.