W czym jest mierzona wilgotność - jednostka miary
- Szczegóły
Wilgotność powietrza to zawartość pary wodnej w powietrzu. Jej wartość podaje się w procentach (%). Wilgotność powietrza rośnie wraz z opadem deszczu lub po opadach deszczu, a maleje podczas słonecznych i suchych dni.
Wilgotność bezwzględna i względna
Zawartość wody w ciałach stałych definiuje się dwojako. Stosowana jest miara określana albo jako stosunek masy wody do masy materiału suchego (wilgotność bezwzględna, zawartość wilgoci), albo jako stosunek masy wody do całkowitej masy badanej substancji (wilgotność względna). Obydwa te parametry wyrażane są procentowo. Jednocześnie warto podkreślić, że parametry te odpowiadają jedynie ilości wody związanej z danym ciałem fizycznie, bez uwzględniania wody związanej chemicznie.
Wilgotność bezwzględna powietrza, czyli zawartość pary wodnej w powietrzu, podawana jest w gramach na metr sześcienny (g/m³).
Wilgotność względna powietrza waha się w przedziale od 0% do 100%, określa oczywiście nasycenie powietrza parą wodną. Czyli jest to stosunek masy aktualnie znajdującej się pary wodnej w powietrzu, do jej maksymalnej możliwej ilości w danej temperaturze.
Wilgotność względna powietrza powyżej 60% powoduje przede wszystkim korozję stali, utlenianie metali, możliwość rozwoju grzybów. Dlatego wilgotność względna nie powinna stale przekraczać 60%.
Przeczytaj także: Proces filtracji krwi w organizmie
Jednakże, gdy trzeba przekraczać 60% wilgotności, należy zabezpieczyć środowisko przed rozwojem bakterii i grzybów. W komorach nawilżania stosuje się lampy UV-C, jak również powłoki z jonami srebra.
Pomiary wilgotności - obszary zastosowań
W rolnictwie oraz w przemyśle spożywczym pomiary zawartości wilgoci obejmują przede wszystkim substancje sypkie, np. ziarna zbóż, przyprawy czy zioła. Szczególnie istotne jest monitorowanie procesu suszenia. Suszone artykuły spożywcze charakteryzuje mniejsze ryzyko zatrucia, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się zawartości wilgoci ulega zahamowaniu rozwój mikroorganizmów chorobotwórczych.
Badanie zawartości wilgoci jest istotne w magazynach, ponieważ jej obecność sprzyja rozwojowi m.in. grzybów. W przypadku substancji sypkich pomiar zawartość wilgoci pozwala zachować kontrolę nad zjawiskiem zbrylania. Parametr ten jest też istotny przy ocenie stanu technicznego budynków.
Ponadto, w przemyśle i rolnictwie monitorowana jest np. wilgotność papieru, węgla, cementu, gleby i drewna. Ze względu na często specyficzne cechy wymienianych materiałów badania zawartości wilgoci wymagają wdrożenia odpowiednio dostosowanych metod pomiarowych.
Metody pomiaru wilgotności
Oprócz metody mikrofalowej w omawianych pomiarach stosuje się wiele innych technik. W wyznaczaniu zawartości wilgoci drewna powszechnie są wykorzystywane np. mierniki rezystancyjne. Metoda pomiaru opiera się w tym przypadku na określeniu rezystancji pomiędzy dwiema elektrodami wetkniętymi w drewno.
Przeczytaj także: Poradnik czyszczenia filtra Stihl MS 290
W miernikach tego typu często jest stosowana kompensacja temperaturowa, stąd dodatkowo w badany materiał zagłębia się sondę do pomiaru temperatury. Konkurencyjną techniką jest metoda grawimetryczna, tzw. suszarkowa. W metodzie tej badaną próbkę po zważeniu poddaje się procesowi ogrzewania. W wyniku tej operacji woda zawarta w materiale odparowuje, a różnica wagi próbki przed i po osuszaniu pozwala określić zawartość wilgoci.
W takim przypadku trzeba jednak założyć, że żadne inne substancje wchodzące w skład analizowanego materiału nie odparowały oraz że odparowała cała woda zawarta w próbce. Z przyjęciem tych założeń wiąże się ograniczenie dokładności metody oraz konieczność ustalania oddzielnych procedur dla różnych materiałów.
Ponadto, metoda suszarkowa używana np. w pomiarach stopnia zawilgocenia murów jest uważana za metodę niszczącą. Na przykładzie badań zawartości wilgoci budynków staje się widoczny także inny problem związany z metodą suszarkową, dotyczący przygotowania materiału do analizy.
Pomiary mikrofalowe
W aplikacjach monitorujących zawartość wilgoci, w których nie sprawdzają się inne metody, znaczącą rolę odgrywają pomiary wykorzystujące technikę mikrofalową. W higrometrach mikrofalowych są wykorzystywane częstotliwości od 3 do 30GHz. Ze względu na specyfikę tej metody pomiarowej mikrofalowe mierniki wilgotności pozwalają kontrolować wilgotność badanego materiału nieinwazyjnie i w czasie rzeczywistym. Jest to ważną zaletą przy monitorowaniu procesów produkcyjnych.
Mierząc przesunięcie fazowe i stopień tłumienia fali elektromagnetycznej w danym materiale oraz wykorzystując zależność tych parametrów od masy wody, można wyznaczyć zawartość wilgoci. Jeżeli długość fali oraz grubość próbki są stałe, to tłumienie zależy jedynie od dielektrycznych właściwości materiału, zawartość wilgoci można więc określić bezpośrednio na podstawie odpowiednich parametrów mokrych próbek.
Przeczytaj także: Zastosowania wody destylowanej i wodociągowej
Istotą mikrofalowych pomiarów wilgotności jest wpływ, jaki na dielektryczne właściwości materiału ma zawartość wody w jednostce objętości. W przypadku wilgotnej próbki jej przenikalność elektryczna jest wypadkową przenikalności suchego materiału oraz przenikalności wody zawartej w tej próbce. Zawartość wody wyznacza się, biorąc pod uwagę zależność pomiędzy jej masą i udziałem przenikalności wody w wypadkowej przenikalności materiału.
Ze względu na wartość przenikalności elektrycznej wody (80) można więc przyjąć, że mikrofalowe higrometry badają po prostu stopień absorpcji energii mikrofal przez wodę znajdującą się w analizowanym materiale.
Zasadnicze elementy układu pomiarowego higrometru mikrofalowego to generator drgań w.cz. (np. klistron), modulator, układ przesyłowy (falowód, linia współosiowa) oraz detektor sygnału w.cz. (np. dioda półprzewodnikowa).
W pomiarach bezkontaktowych najlepiej jest wykorzystać metodę, w której próbka jest umieszczona w wolnej przestrzeni. Wówczas w charakterze układu przesyłowego należy użyć anteny nadawczej i odbiorczej. Pomiar napięcia sygnału z anteny odbiorczej pozwala wyznaczyć zawartość w wilgoci badanej próbce.
Mierniki rezonansowe
Oprócz mikrofalowych metod pomiaru zawartości wilgoci w otwartej przestrzeni są też wdrażane systemy pomiarowe w obszarach ograniczonych. W takim przypadku wykorzystuje się przede wszystkim rezonatory wnękowe. Wskaźnikiem zawartości wilgoci jest zmiana częstotliwości rezonansowej i dobroci rezonatora, która zachodzi w momencie umieszczenia w komorze rezonatora badanej próbki.
Do analizy zmian częstotliwości rezonansowej i amplitudy krzywej rezonansowej są wykorzystywane specjalne algorytmy opatentowane przez poszczególnych producentów.
Przykłady mierników mikrofalowych
| Nazwa miernika | Producent | Zakres pomiaru wilgotności | Czas pomiaru | Dokładność |
|---|---|---|---|---|
| LB456 | Introl | Nieznany | Nieznany | Nieznana |
| RX-95 | Resonance Technology | Nieznany | Nieznany | Nieznana |
| LMA300P | Sartorius | 0 do 85% | poniżej 1s | rzędu 0,05% |
Przykładami mikrofalowych mierników wilgotności tego typu jest higrometr LB456 firmy Introl oraz miernik RX-95 firmy Resonance Technology. W obu przypadkach układ pomiarowy składa się z jednostki sterującej, kabli łączących w.cz. oraz anteny nadawczej i odbiorczej. Zestaw miernika LB456 lub RX-95 może zostać zainstalowany w wybranym miejscu linii produkcyjnej. Anteny monitorujące montowane są nad i pod taśmociągiem.
Firmy oferujące rezonansowe mierniki wilgotności to m.in. Sartorius proponuje np. rozwiązanie w postaci miernika LMA300P składającego się z dwóch modułów: jednostki obliczeniowej oraz modułu rezonatora. Producent deklaruje, że zakres pomiaru wilgotności wynosi od 0 do 85%, czas pomiaru nie przekracza 1s, a dokładność jest rzędu 0,05%.
Pomiary w budownictwie
Istnieją różne rozwiązania mierników zawartości wilgoci, w tym np. urządzenia dedykowane do specyficznych pomiarów przeprowadzanych w budownictwie. Wykorzystywane one mogą być do pomiarów podczas produkcji betonu, gdzie konieczna jest kontrola zmienności zawartości wody w kruszywie. Parametr ten jest ważny, gdyż związany jest z możliwością uzyskiwania jednolitej mieszanki betonowej.
Przykładowym urządzeniem pomiarowym tutaj wykorzystywanym są sondy mikrofalowe firmy Hydronix. Mierniki te stosowane są w monitorowaniu wilgotności masy betonowej w trakcie mieszania. Głowica sondy Hydronix zawiera ceramiczne czoło mające bezpośredni kontakt z masą betonową, pod którym umieszczono układ generujący pole elektromagnetyczne. Miernik wilgotności betonu monitoruje absorpcję promieniowania w mieszanej masie.
Poszczególne surowce składowe betonu (cement, kruszywo, woda) mają charakterystyczne właściwości i inaczej oddziałują z polem elektromagnetycznym. Woda pochłania promieniowanie mikrofalowe w przybliżeniu kilkaset razy bardziej niż sucha masa betonowa. W związku z tym wskazania miernika odzwierciedlają zawartość wody w danej mieszance i pozwalają na bieżąco kontrolować proporcje jej składników.
Pomiary wilgotności w przemyśle
Jednym z producentów mikrofalowych mierników wilgotności jest także firma Callidan Instruments. Producent podaje dosyć ograniczone informacje na temat zasady działania swoich produktów - na oficjalnej stronie można znaleźć informację mówiącą jedynie o tym, że podobnie jak w przypadku innych mikrofalowych mierników pomiar polega na obserwacji zmian tłumienia i przesunięcia fazowego wiązki mikrofal. Tajemnicą firmy pozostaje natomiast sam algorytm obliczeniowy.
Na przykładzie produktów firmy Callidan Instruments można jednak przedstawić sposób wdrożenia pomiarów zawartości wilgoci w przemysłowym procesie produkcyjnym. Jednym z powszechnie stosowanych rozwiązań tej firmy jest czujnik MA-500. Jest on polecany szczególnie do montażu wzdłuż linii produkcyjnej. Konfiguracja układu jest taka, jak w typowym czujniki wilgoci w wolnej przestrzeni. Anteny nadawcza i odbiorcza są rozmieszczone pod taśmą i nad przesuwającym się materiałem.
Innym przykładem jest MA-700 - czujnik przeznaczony wyłącznie do pomiarów wilgoci materiałów transportowanych rurami.
Zalety pomiarów w.cz.
W porównaniu do innych metod wykorzystanie techniki w.cz. w pomiarach zawartości wilgoci ma szereg zalet. Przede wszystkim jest to pomiar nieinwazyjny, niewymagający kontaktu z badanym materiałem. Pozwala na realizację ciągłego pomiaru, ponieważ analizowane próbki nie wymagają żadnego przygotowania. Dzięki temu można na bieżąco, w oparciu o wyniki pomiarów, wprowadzać regulację wilgotności w danym procesie produkcyjnym. Nie ma też możliwości, aby w czasie trwania pomiaru analizowany materiał uległ zabrudzeniu lub zniszczeniu.
tags: #w #czym #jest #mierzona #wilgotnosc #jednostka
