Pomiary Wilgotności: Metody i Zastosowania

Szczegóły: Opublikowano: 29. October 2025

Pomiary wilgotności odgrywają istotną rolę w wielu dziedzinach przemysłu, ponieważ zawartość wody znacząco wpływa na fizyczne i chemiczne właściwości różnych materiałów. Kontrolowanie wilgotności w procesach produkcji i przetwarzania jest często konieczne ze względów ekonomicznych.

Zawartość wody w ciałach stałych definiuje się dwojako:

Stosunek masy wody do masy materiału suchego (wilgotność bezwzględna, zawartość wilgoci).
Stosunek masy wody do całkowitej masy badanej substancji (wilgotność względna).

Obydwa te parametry wyrażane są procentowo.

Główne Metody Pomiarowe

Do głównych metod pomiarowych stosowanych w urządzeniach można zaliczyć:

Metoda Elektrooporowa

Metoda elektrooporowa polega na pomiarze zjawisk elektrycznych zachodzących w materiałach porowatych w zależności od stopnia ich zawilgocenia. Ponieważ odczyty pomiaru dotyczą tylko powierzchni materiału, a nie jego struktury, ich wyniki są obarczone błędami pomiarowymi. Wpływają na to zanieczyszczenia powierzchniowe, rozkład zasolenia (największy przy powierzchni), a także rodzaj materiału i jego porowatość.

Przeczytaj także: Osuszacze powietrza: jak wybrać najlepszy model?

Mierniki wykorzystywane w tych metodach wskazują bezpośrednio wilgotność masową materiału lub wielkość bezwymiarową. Przy odczytywaniu wyników pomagają załączone do urządzeń tabele lub krzywe, które interpretują wynik, uzależniając go od rodzaju mierzonego materiału. Systemy te są pomocne, gdy nie można pobrać dużej liczby próbek. Są też stosunkowo wygodne i proste w obsłudze oraz umożliwiają dokonanie szybkiego odczytu.

Generalnie jednak można powiedzieć, że metody elektryczne dają tylko pewien pogląd na stopień zawilgocenia, a chcąc uzyskać dokładne dane, należy dokonać weryfikacji przez metody niszczące.

Metoda Mikrofalowa

Metoda mikrofalowa jest jedną z bardziej zaawansowanych i cechujących się dużą dokładnością metod pomiarowych. 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. Właściwości dielektryczne ośrodka (przenikalność dielektryczna) zależą od koncentracji i aktywności dipoli elektrycznych, od temperatury oddziałującej na ruch cząsteczek oraz od ich ustawienia zgodnie ze zmieniającym się polem elektrycznym. Cząsteczki wody są dipolami, które przy braku pola zewnętrznego na skutek ruchów cieplnych pozostają nieuporządkowane. Kiedy zewnętrzne pole zostaje przyłożone do materiału dielektrycznego, energia tego pola ulega rozproszeniu, co związane jest z polaryzacją dielektryka.

Wektor polaryzacji jest związany zależnością z przenikalnością dielektryczną ośrodka. W przypadku pól wolnozmiennych wektor ten jest zgodny w fazie z polem elektrycznym, które go wywołuje. Przenikalność elektryczna to wówczas wartość rzeczywista. W przypadku pól o większej częstotliwości pojawia się opóźnienie wektora polaryzacji względem wektora pola. Część rzeczywista zespolonej przenikalności opisuje zdolność ośrodka do magazynowania energii zewnętrznego pola, natomiast część urojona reprezentuje straty energii pola na ciepło związane z ruchem drgających dipoli.

Przeczytaj także: Jak wybrać skuteczne odżelazianie wody?

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, można więc przyjąć, że mikrofalowe higrometry badają po prostu stopień absorpcji energii mikrofal przez wodę znajdującą się w analizowanym materiale.

Bezkontaktowy Pomiar Mikrofalowy

Mikrofalowy pomiar wilgotności jest metodą bezkontaktową, stosowaną w przypadku pomiaru wilgotności materiałów sypkich, nieprzewodzących. Oznacza to, że mierzalnymi są: węgiel, wapno, zrębki drewna, itp., a niemierzalnymi są na przykład koks i grafit. Typowym miejscem aplikacji systemu pomiarowego jest taśmociąg z pasem transmisyjnym wykonanym z materiału nieprzewodzącego, najczęściej z gumy.

Kolejnym rozwiązaniem jest zsyp grawitacyjny lub lej zbiornika z odpowiednimi wziernikami wykonanymi ze wspomnianego już materiału nieprzewodzącego, np. teflonu lub ceramiki. System w podstawowej wersji składa się z „mikrofalowej ścieżki pomiarowej” czyli z jednostki sterującej, anteny nadawczej i odbiorczej oraz przewodów łączących anteny z jednostką sterującą.

Sygnał mikrofalowy emitowany przez antenę nadawczą przenika przez produkt i dociera do anteny odbiorczej. Podczas przenikania mikrofal przez produkt występują dwa zjawiska: tłumienie i przesunięcie fazowe nadawanego sygnału. Najczęściej wykorzystywanym w pomiarze jest zjawisko przesunięcia fazowego. Zdarzają się jednakże przypadki kiedy wykorzystywane jest zjawisko tłumienia - pomiar materiałów o dużej zawartości soli. W praktyce bardzo rzadko wykorzystuje się oba zjawiska jednocześnie.

Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu

Bardzo często „mikrofalowa ścieżka pomiarowa” okazuje się niewystarczająca z uwagi na fakt, że sprawdza się ona tylko dla materiału homogenicznego o stałej granulacji i, co najważniejsze, dla zawsze stałej grubości warstwy nasypowej. Jak możemy sobie wyobrazić jest to trudne do uzyskania w praktyce i dlatego potrzebna jest „izotopowa ścieżka pomiarowa”. Służy ona do kompensacji grubości warstwy nasypowej dla taśmociągu lub stopnia wypełnienia materiałem dla zsypu. Do konfiguracji systemu w wersji podstawowej musimy zatem dołączyć pojemnik ze źródłem izotopowym Cs-137 oraz detektor promieniowania gamma.

Pomiar z wykorzystaniem mikrofalowego wilgotnościomierza posiada wiele przydatnych zalet ale nie jest metodą uniwersalną. Możliwość prowadzenia bezkontaktowego pomiaru online, z dobrą dokładnością wynoszącą nawet 0,2% to niewątpliwe korzyści mikrofal. Należy jednak pamiętać o sporych ograniczeniach tej metody jak choćby: wymogi zachowania granulacji maksymalnej wynoszącej 50 mm, mierzalny materiał musi być nieprzewodzący, a wilgotność w postaci lodu jest niemierzalna.

Bezkontaktowy Pomiar Neutronowy

Neutronowa metoda pomiaru wilgotności polega na spowalnianiu szybkich neutronów przez atomy wodoru. Masa neutronu jest w przybliżeniu równa masie atomu wodoru. Inne jądra atomowe są 10-200 razy cięższe.

Szybki neutron trafiając w jadro atomowe o dużej masie doznaje zderzenia, podczas którego traci niewielką ilość energii. Przy zderzeniu z jądrem wodoru neutron traci więcej niż połowę swojej energii. Po kilku zderzeniach z jądrami wodoru neutron szybki staje się neutronem termicznym.

Na skutek rozproszenia neutronów wokół źródła neutronów szybkich powstaje chmura neutronów termicznych, których gęstość maleje wraz z rosnąca odległością. Im większa jest zawartość wodoru w materiale mierzonym tym większa jest gęstość oraz stężenie neutronów wolnych (termicznych) wokół sondy. Wielkość wilgotności materiału jest proporcjonalna do objętościowej zawartości wodoru. Na „hamowanie” wodoru nie mają wpływu temperatura, ciśnienie, wartość pH, granulacja.

Należy jednak pamiętać, że elementem zakłócającym pomiar mogą być materiały zawierające w swojej wewnętrznej strukturze atomy wodoru. Pożądanym jest więc aby jedynym materiałem zawierającym wodór była woda, która jest odpowiedzialna za wilgotność materiału. Skutecznym jest zatem pomiar wilgotności materiałów nie zawierających atomów wodoru.

Najczęściej neutronową metodę pomiaru wilgotności stosujemy w pomiarze wilgotności koksu, piasku i rudy żelaza.

Typowy układ pomiarowy składa się z jednostki sterującej, detektora wolnych neutronów wraz ze źródłem szybkich neutronów AmBe. Sonda może być zaaplikowana do rury wgłębnej zabudowanej w zbiorniku i otoczonej mierzonym produktem lub może to być sonda powierzchniowa do zabudowy na ścianie zbiornika. Podobnie jak w przypadku wilgotnościomierza mikrofalowego, do kompensacji zmian ciężaru nasypowego materiału zaleca się zastosowanie pomiaru gęstości używając źródła Cs-137 oraz detektora promieniowania gamma.

Warunkiem koniecznym uzyskania satysfakcjonujących wyników pomiarowych jest zapewnienie sondzie ze źródłem AmBe „kuli pomiarowej” czyli sfery z materiału o średnicy minimum 1m. Sonda ze źródłem stanowi środek sfery.

Mikrofale i neutrony wykorzystywane są do bezkontaktowego pomiaru wilgotności w trudnych warunkach ciężkiego przemysłu, hutnictwa, energetyki, przemysłu chemicznego. Z uwagi na to, że metody te wykorzystują źródła izotopowe, ich stosowanie jest zawężone do określonych typów aplikacji. Bardziej ekonomiczną i dostępną do stosowania jest metoda kontaktowa wykorzystująca czujniki pojemnościowe.

Kontaktowy Pomiar Pojemnościowy

Każdy materiał ma swoją stałą dielektryczną, którą mierzą czujniki pojemnościowe. Dla lepszego zrozumienia zasady działania, można przedstawić bardzo uproszczone wyjaśnienie: woda ma względną stałą dielektryczną około 80, w większości innych materiałów jest to od około 1 do 10. Dla przykładu, piasek posiada stałą dielektryczną pomiędzy 3 a 4.

Oznacza to, że istnieje duża mierzalna różnica pomiędzy stałą dielektryczną wody (80 ), a pozostałymi („suchymi”) mierzonymi materiałami (1 do 10). Różnica ta w sposób bezpośredni określa zawartością wody w materiale, a wynik pomiaru otrzymujemy w postaci standardowego sygnału 0 … 10 V lub 4 … 20 mA (lub też cyfrowego protokołu PROFIBUS).

Innymi słowy, im wyższa wilgotność materiału, tym stała dielektryczna jest bliżej wartości 80. Pomiar kontaktowymi czujnikami pojemnościowymi odbywa się na ruchu w czasie rzeczywistym. Materiał przesuwa się po czujniku lub odwrotnie. Sygnał pomiarowy jest dostępny natychmiast - nawet gdy materiał transportowany jest z bardzo dużą szybkością. Wyjście sygnałowe może być skalibrowane na procentowy udział wody w materiale lub też zawartość suchej masy.

W zależności od rodzaju materiału i jego właściwości, głębokość pomiaru kształtuje się od około 100 mm do 150 mm w głąb materiału. Oznacza to, że pomiar odbywa się jednocześnie na powierzchni materiału jak również w jego wnętrzu. Czujniki wykonane są z wysokiej jakości stali i ceramiki, przez co są bardzo wytrzymałe. Są one przeznaczone do najtrudniejszych miejsc pomiarowych, mogą być instalowane w istniejących miejscach transportu materiału.

Ponadto, pomiar jest niewrażliwy na zmiany barwy czy pH materiału, zawarte w nim minerały lub też zawartość soli. Konstrukcja czujnika jest niewrażliwa na uderzenia, wodę, a nawet na silne wibracje. Czujniki są bardzo proste i bezproblemowe w obsłudze, w większości mierzonych materiałów wystarczy jednorazowa kalibracja (bez konieczności kalibracji okresowej).

Nie bez znaczenia jest również to, że za pomocą wysoko-częstotliwościowego czujnika pojemnościowego możemy określać i kontrolować wilgotność produktu w całym zakresie od 0 do 100%.

Korzyści z zastosowania systemu opartego o czujniki pojemnościowe:

Przy ciągłym pomiarze wilgotności istotnie można podnieść i zapewnić wysoką jakość produktu finalnego.
Proces produkcyjny jest monitorowany w sposób ciągły (okresowa kontrola laboratoryjna jest obarczona dużym opóźnieniem).
Proces jest sterowany i regulowany w oparciu o zawartość wody w sposób automatyczny.
Możliwość zastosowania różnych krzywych kalibracyjnych, dla rożnych materiałów lub różnych mieszanek i wybranie ich w prosty sposób przez operatora.
Oszczędności płynące z optymalizacji procesu suszenie lub zmniejszenia zużycia wody.
Możliwość rejestracji danych.

Warto przy okazji zauważyć, że nawet najlepsze urządzenie jest bezużyteczne, jeżeli jest zainstalowane w niewłaściwym miejscu. Najważniejszym zagadnieniem dotyczącym czujników kontaktowych jest zatem znalezienie odpowiedniego miejsca montażu. Nasze doświadczenie wskazuje bowiem, że złe umiejscowienie czujników powoduje 85% problemów pomiarowych!

Niektóre przykłady typowych punktów montażowych dla czujników wilgotności to: podajnik ślimakowy, podajnik taśmowy (poprzez zamontowanie czujnika na płozie), na wysypie, ścianie silosu, boczniku.

System oparty o czujniki kontaktowe do pomiaru wilgotności materiałów sypkich w zakresie określania i kontrolowania wilgotności jest już stosowany w następujących sektorach przemysłu: betoniarski, szklarski, ceramiczny, spożywczy, chemiczny, biotechnologiczny (biomasa). System mierzy między innymi piasek, piasek kwarcowy, wapno, żwir, rudy, osadu ściekowe, zboża, kruszywa do betonu, biomasa (trociny, słoma, zrębki), ryż, gips, glina itp.

Mimo tego, że system kontaktowy jest relatywnie ekonomicznym rozwiązaniem, należy pamiętać o jego ograniczeniach, takich jak:

Zakres temperatury 4-100°C (brak pomiaru gdy w mierzonym materiale znajdują się kryształki lodu).
Maksymalna granulacja materiału do 8 mm.
Materiał nie może wykazywać tendencji do oklejania czujnika.
Warstwa nasypowa materiału na taśmociągu to minimum 5 cm (lub możliwość zastosowania kryzy spiętrzającej).

Pomiar Wilgotności Powietrza

Wilgotność podaje się zwykle w jednostkach względnych. Mierniki dostosowane do kontroli poziomu wilgotności powietrza w różnego rodzaju pomieszczeniach, głównie o charakterze produkcyjnym i przemysłowym stanowią część oferty kilku firm specjalizujących się w urządzeniach pomiarowych. Możliwość podłączenia różnych sond temperatury i wilgotności np.

Metoda Psychometryczna

Metodą pomiaru psychometrycznego dokonuje się bezpośredniego pomiaru wilgotności względnej powietrza. Psychrometr składa się zasadniczo z dwóch niezależnych czujników temperatury, z których jeden jest stosowany jako czujnik temperatury "wilgotny", a drugi jako czujnik temperatury "suchy". Czujnik temperatury wilgotności jest otoczony chłonną tkaniną nasączoną wodą.

W zależności od temperatury lub wilgotności krążącego powietrza, pewna ilość pary wodnej jest uwalniana przez odparowanie poprzez niezbędny przepływ powietrza. Powoduje to zauważalne schłodzenie powierzchni wilgotnego termometru (temperatura mokrej główki). W tym samym czasie za pomocą drugiego czujnika temperatury mierzona jest temperatura powietrza otoczenia (temperatura "sucha").

Temperatura mokrego termometru to najniższa temperatura, do jakiej można schłodzić ciało przy pomocy parowania w danej wilgotności powietrza i ciśnieniu atmosferycznym. Aby ją odczytać, termometr należy zmoczyć, a następnie umieścić w strumieniu powietrza. Metoda ta służy do tego, by określić poziom wilgotności. Gdy wilgotność względna wynosi 100%, temperatura termometru suchego i mokrego nie różni się.

Przy pomocy psychrometru i starannej obsługi można przeprowadzić dokładne pomiary wilgotności powietrza. Na przykład psychrometry aspiracyjne według Assmanna są stosowane jako uznane na całym świecie urządzenia referencyjne i kontrolne. Wbudowany wentylator z uzwojeniem sprężynowym zapewnia średnią stałą prędkość przepływu powietrza ok. 3 m/s, które przepływa wokół termometrów. Ocenę przeprowadza się ręcznie za pomocą tabeli lub panelu graficznego psychrometru.

Oprócz psychrometrów aspiracyjnych dostępne są również różne wersje wykresów. Zakres zastosowania większości psychrometrów mechanicznych z termometrami szklanymi jest ograniczony do zakresu temperatur pomiaru ≤ 60 °C. Psychrometry elektryczne umożliwiają rozszerzenie zakresu zastosowań. Pomiar temperatury "mokrej" i "suchej głowicy" odbywa się za pomocą termometrów oporowych Pt-100.

Metoda Pojemnościowa

Ilość pary wodnej pochłoniętej w folii polimerowej zmienia właściwości elektryczne czujnika wilgotności i ma wpływ na zmianę jego pojemności. Zmiana pojemności jest proporcjonalna do zmiany wilgotności względnej i jest analizowana przez dalszą elektronikę i przekształcana na znormalizowany sygnał wyjściowy.

Dzięki specjalnej konstrukcji i małej masie własnej pojemnościowych czujników wilgotności uzyskuje się bardzo krótkie czasy reakcji. Ponadto, są one w dużej mierze niewrażliwe na lekkie zabrudzenia i kurz. W celu ochrony przed kontaktem z powierzchniami, czujniki są zamknięte w obudowie z tworzywa sztucznego. Pojemnościowe metody pomiarowe stosowane są np. Standardowy zakres pomiarowy dla pojemnościowych czujników wilgotności to przede wszystkim 10 do 90 % RH.

Pomiar Wilgotności Podkładu

Dokładny i prawidłowy pomiar wilgotności podkładu to jedna z pierwszych i najważniejszych czynności, od których zaczyna pracę profesjonalny posadzkarz. Ta zasada dotyczy nie tylko parkieciarzy. Wilgoć nie oznacza całej wody zawartej w wylewce.

Uszkodzeniom może ulec nie tylko posadzka, ale również podkład. Najbardziej narażone na wilgoć resztkową pozostawioną w podkładach są podłogi drewniane. Długotrwały kontakt drewna z wilgocią prowadzi do pęcznienia oraz deformacji drewna. W pierwszej fazie podnoszą się boczne krawędzie deszczułek.

Wilgoć resztkowa, którą zostawimy w podkładzie prędzej czy później będzie próbowała “uciec” na powierzchnię. Bezpośrednia odpowiedzialność spada na posadzkarza. W świetle przepisów to posadzkarz powinien zadbać o odpowiednią ocenę podłoża. Inwestor może nie znać konsekwencji oraz skutków decyzji o montażu posadzki na wilgotnym podłożu.

Na szczęście producenci chemii budowlanej oferują szeroki wybór materiałów blokujących wilgoć resztkową. Niestety takie produkty, są nie tylko kosztowne, ale również mają swoje ograniczenia. Wartości graniczne zależą od rodzaju podkładu i posadzki, która będzie na nim instalowana. Ze względu na brak norm budowlanych w Polsce (odnośnie do parametrów), najczęściej przyjmuje się wytyczne ITB.

Pamiętaj, że wartości narzucone przez producenta posadzki, są traktowane jako nadrzędne, więc stosuj się do nich w pierwszej kolejności. ITB nie rozgranicza swoich wytycznych dotyczących wilgotności podkładu dla różnych rodzajów posadzek. Wytyczne te były opracowywane jeszcze przed pojawieniem się na rynku posadzek z mikrocementu.

Posadzki z mikrocementu, będącego mieszanką żywic i cementu mają większą paro przepuszczalność niż tradycyjne okładziny podłogowe. W związku z tym producenci dopuszczają wyższą wilgotność resztkową (4% CM) i w przypadku tego typu posadzek należy przede wszystkim stosować się do zapisów w kartach technicznych producenta. Pamiętaj, że żywica będąca składnikiem posadzki ogranicza odparowywanie wody. Zachowaj ostrożność, zwłaszcza w przypadku podkładów grzewczych.

W przypadku instalowania posadzek na podkładach innych niż wymienione powyżej skonsultuj się bezpośrednio z producentem posadzki.

Jeśli jesteś naprawdę doświadczonym posadzkarzem, powinieneś “gołym okiem” określić, czy podkład jest wilgotny. Na zbyt dużą wilgotność podkładu może też wskazywać wysoka wilgotność powietrza w pomieszczeniu. W takich warunkach podkład nie może oddawać nadmiaru wilgoci, nawet gdy minął już książkowy czas wiązania jastrychu. W przypadku podkładu grzewczego poproś inwestora, żeby przedstawił Ci protokół wygrzewania. Brak tego dokumentu może świadczyć o pominięciu tego procesu lub o niewłaściwie wykonanej procedurze. Prawidłowo wygrzany podkład nie powinien wydawać Ci się wilgotny.

tags: #wilgotność #pomiar #metody