Wzór na wilgotność względną i niepewność złożoną
- Szczegóły
Pomiary wilgotności są na drugim miejscu za temperaturą w miernictwie wielkości nieelektrycznych. W większości przypadków pomiary wilgotności odnoszą się do wilgotności powietrza (czyli gazu). W poniższym artykule skupimy się głównie na definicji wilgotności materiałów typu ciała stałe i ciecze.
Wilgotność powietrza a wilgotność materiału
Jak to zostało zasygnalizowane we wstępie termin wilgotność (ang. humidity) najczęściej odnosi się do wilgotności powietrza. W języku angielskim bardziej powszechne jest odróżnienie wilgotności powietrza (ang. air humidity) od wilgotności materiału (ang. material moisture). Moisture tłumaczmy jako wilgoć. W języku polskim polskim nazwa „wilgoć materiału” raczej nie funkcjonuje - już bardziej „zawartość wilgoci w materiale” ale jest to wielowyrazowe określenie i w języku mówionym się nie przyjęło (tzw. zasada oszczędzania wysiłku - dążenie do zmniejszania ilości słów/wyrazów). Przyjęło się za to określenie „mierniki wilgoci” (dotyczą materiału) w odróżnieniu od mierników wilgotności (na ogół dotyczą wilgotności powietrza).
Dodatkowo sprawę nazewnictwa komplikuje możliwość określenia wilgoci materiału na podstawie wilgotności powietrza, którym materiał jest otoczony - tzw. metoda równowagowa pomiaru wilgoci (stosowana dla materiałów higroskopijnych tzn.takich, które chłoną parę wodną z powietrza np. drewno, papier). Podsumowując - dla pewności przy pomiarach wilgotności należy zwrócić uwagę czy chodzi o wilgotność powietrza czy materiału, bo inaczej definiuje się wilgotności dla ciał stałych a inaczej dla gazów (np. powietrza). Wilgotność materiału informuje o ilości wody materiale.
Definicje i oznaczenia wilgotności materiałów
Są różne definicje wilgotności materiałów. Niestety nie ma jednolitych symboli literowych przyjętych dla wilgotności materiału ani w języku polskim ani w angielskim. W artykule został przyjęty symbol literowy M (od ang.
Wilgotność względna
Wilgotność względna jest najczęściej używaną miarą wilgotności. Jest prosta w interpretacji i praktyczna w użyciu. Na przykład jeżeli wilgotność względna kukurydzy wynosi 15% to oznacza, że np.
Przeczytaj także: Wszystko, co Musisz Wiedzieć o Wodzie Destylowanej
Wilgotność bezwzględna
Jeżeli chodzi o wilgotność bezwzględną, to dobrze definicję tej wilgotności oddaje angielska nazwa „moisture ratio” - wilgotność bezwzględna jest stosunkiem masy wody do masy suchego materiału. Korzystając z tego samego przykładu jak wyżej, jeżeli 85 gramów to sucha masa kukurydzy a 15g to woda, więc wilgotność bezwzględna będzie wynosiła (15/85)*100 = 17.6%. Wilgotność bezwzględna jest zawsze większa od wilgotności względnej. Wilgotność bezwzględna ma zastosowanie w badaniach naukowych oraz przy przetwórstwie materiałów. Ze względów historycznych wilgotność bezwzględna jest używana przy pomiarach wilgotności drewna.
Poniższy przykład pokazuje duże różnice wilgotności materiału w zależności od typu wilgotności. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę w danych technicznych czujnika/miernika jaka wilgotność jest na wyjściu czujnika. W razie potrzeby można dokonać odpowiedniego przeliczenia na potrzebny typ wilgotności.
Wilgotność powietrza - definicje
Wilgotnością powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Para wodna w powietrzu pochodzi z parowania zachodzącego ze swobodnych powierzchni wodnych i powierzchni lądowych (gruntu, roślinności...). Można to wyobrazić sobie jako różnicę ciśnienia w zamkniętej objętości powietrza i bez zmiany jego temperatury przed (p) i po całkowitym usunięciu z tej objętości znajdującej się pary wodnej (p').
Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Maksymalną ilość pary wodnej, jaką jest w stanie zawierać powietrze w danej temperaturze określa się mianem prężności maksymalnej lub prężnością pary nasyconej, niekiedy prężnością nasycenia i oznacza zazwyczaj symbolem E. Prężność pary wodnej, jaka występuje w danej chwili w powietrzu nazywa się prężnością aktualną i oznacza zazwyczaj symbolem e. Wilgotność względna (oznaczana najczęściej jako f), którą definiuje się jako: f = (e/E) * 100 [%],informującą w jakim procencie, w stosunku do maksymalnie możliwego w danej temperaturze (tj. temperaturze, w której zmierzono e) powietrze jest nasycone parą wodną. Zauważmy, że w różnych temperaturach powietrza taka sama wartość wilgotności względnej (np. 50%) będzie oznaczała zupełnie rożne ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu.
W formule definiującej wilgotność względną występuje w mianowniku ułamka wartość E, która jest funkcją temperatury powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza wartość E rośnie. Oznacza to, że zmiany temperatury powietrza, przy niezmienionej zawartości pary wodnej w powietrzu (e, prężności aktualnej) muszą pociągać za sobą zmiany wilgotności względnej (f). W przypadku niezmienionej zawartości pary wodnej (e) wzrost temperatury powoduje spadek (zmniejszenie się) wilgotności względnej.
Przeczytaj także: Budowa oczyszczalni rozsączającej w Polsce - formalności
Temperatura, do której należy schłodzić powietrze, aby przy danej prężności aktualnej wilgotność względna osiągnęła 100% i rozpoczęły się w nim procesy kondensacji nosi nazwę temperatury punktu rosy i oznaczana jest zazwyczaj jako td [°C]. Temperatura punktu rosy powietrza, w którym nie zachodzą procesy kondensacji, zależy jedynie od wartości prężności aktualnej. Tak długo, jak temperatura powietrza nie spadnie poniżej temperatury punktu rosy, temperatura punktu rosy tego powietrza pozostaje stała.
Od chwili, gdy powietrze osiągnęło temperaturę punktu rosy (10°C) i temperatura powietrza dalej powoli spada, cały czas wilgotność względna ma wartość 100% i temperatura punktu rosy tego powietrza jest równa jego temperaturze. Cały nadmiar pary wodnej, ponad wartość prężności maksymalnej w danej temperaturze (E) ulega kondensacji, czyli wykropleniu.
Zwróćmy uwagę, że bardzo wszechstronną miarą wilgotności powietrza może być para temperatury - temperatura powietrza (tp) i temperatura punktu rosy tego powietrza (td). Zauważmy, że temperatura powietrza nie może być niższa od jego temperatury punktu rosy. Jeśli wyobrazimy sobie procesy kształtowania wilgotności powietrza, bez zmian ilości pary wodnej w powietrzu, związane ze zmianami temperatury tego powietrza w ten sposób, że obie te wartości znajdują się na osi liczbowej, to temperatura punktu rosy (td) będzie stała w miejscu na osi (zależy jedynie od e). W każdym momencie wiemy, jaki spadek temperatury doprowadzi do początków wystąpienia procesów kondensacji. Jeśli znamy prognozowaną wielkość spadku temperatury, natychmiast możemy ocenić, czy nastąpią procesy kondensacji, czy też nie nastąpią. Z tego względu meteorolodzy rzadko używają wilgotności względnej jako miary wilgotności, posługują się najczęściej wspomnianą parą temperatur, która charakteryzuje tak zwane stosunki termo-higryczne powietrza (wielkość kompleksowa, opisująca zarówno temperaturę, jak i całokształt stosunków wilgotnościowych). Wilgotnością względną często natomiast operuje się w celach praktycznych - na przykład w warunkach przewozu szeregu ładunków, pracy mechanizmów i urządzeń, warunków przebywania ludzi, etc.
W tym przypadku, wzrost temperatury spowoduje wzrost wartości E i jego wilgotność względna zacznie maleć. Temperatura punktu rosy tego powietrza pozostanie równa 0°C tak długo, jak nie zacznie się proces parowania mikrokropel znajdujących się w jego objętości. Proces parowania wymaga jednak dostarczenia do układu bardzo dużych ilości energii (ciepła; patrz "procesy kondensacji"). Bez dostarczenia tej energii, parowanie nie nastąpi i zawartość pary wodnej w powietrzu pozostanie bez zmian.
Oprócz wymienionych miar wilgotności powietrza stosuje się szereg innych, z których najważniejsze to wilgotność absolutna, informująca ile kg pary wodnej znajduje się w 1 m^3 powietrza (przy czym nie bierze się pod uwagę występujących ewentualnie produktów kondensacji - wody w stanie ciekłym lub stałym). Miarą wilgotności określającą stosunek masy pary wodnej do masy powietrza suchego, znajdującego się w danej objętości wilgotnego powietrza (g / kg) jest współczynnik zmieszania ( r ). Te i inne, tu nie omówione, miary wilgotności powietrza stosuje się w meteorologii do różnego rodzaju operacji (obliczeń), takich jak na przykład szacowanie potencjalnej wielkości opadu, określenia stopnia chwiejności powietrza, zmian temperatury w powietrzu wznoszącym się itp.
Przeczytaj także: Bezpieczeństwo chlorowania alkanów
Dość skomplikowana natura miar wilgotności powietrza powoduje, że i pomiary wilgotności, choć technicznie łatwe, wydają się być skomplikowane.
Higrometr włosowy
Higrometr włosowy jest nieskomplikowanym, tanim przyrządem, służącym do pomiaru wilgotności względnej. Elementem mierzącym (reagującym na zmiany wilgotności względnej) jest w nim odtłuszczony włos ludzki (dokładniej pęczek włosów). Włos, gdy wilgotność względna rośnie, absorbuje parę wodną z powietrza i zmienia swoją grubość i długość; przy wzroście wilgotności względnej włos się wydłuża, przy zmniejszaniu się wilgotności względnej - kurczy.
Higrometry włosowe pozwalają na dość pewny (dokładność pomiaru nie jest obarczona większym błędem niż 5%) pomiar wilgotności względnej od 30 do 100%. Pomiar wilgotności w zakresie od 20 do 30% obarczony jest błędem przekraczającym 5%. Skala higrometru jest nieliniowa (patrz ryc.
Higrometr włosowy, z czasem, zaczyna fałszować pomiary. Związane to jest ze stopniowym wysychaniem włosa (pęczka włosów). Z tego względu, nie rzadziej niż 3 miesiące w przeciętnych warunkach wilgotnościowych i nie rzadziej niż co 1 miesiąc w warunkach zwiększonej suchości powietrza, higrometr należy poddać procesowi ponownego tarowania (‘świeżenia’).
Higrometry włosowe, choć pozornie niezbyt dokładne, są niezastąpionymi przyrządami pomiarowymi do określania wilgotności (i parametrów wilgotnościowych powietrza w ogólności) w niskiej i bardzo niskiej temperaturze powietrza (poniżej -2; -5°C). Do określenia parametrów higrycznych powietrza za pomocą higrometru potrzebna jest tablica wartości prężności maksymalnej (E) w funkcji temperatury. Higrometr mierzy wilgotność względną ( f ). Ta jest zdefiniowana jako e/E * 100%. Znając temperaturę powietrza t, w której zmierzono wilgotność względną f, można z tablic wartości prężności maksymalnej E w funkcji temperatury...
Wykres Molliera
Początki wykresu Molliera sięgają początku XX wieku, kiedy niemiecki fizyk i profesor Richard Mollier opublikował w 1904 roku graficzny sposób przedstawiania zależności między parametrami powietrza wilgotnego. Pozwala dokładnie określić moc nagrzewnic, chłodnic, odzysku ciepła, a także zrozumieć, jak zachowuje się powietrze podczas obróbki cieplno-wilgotnościowej.
Widać wtedy nie tylko temperatury i przepływy, ale cały proces przemiany powietrza - jego energię, wilgotność i równowagę. Im lepiej poznajemy powietrze, tym łatwiej je kształtować. Wykres Molliera to sposób, by zobaczyć je nie jako zestaw liczb, lecz jako żywy proces, który możemy świadomie kontrolować.
W różnych zakresach temperatur powietrze może absorbować różne ilości pary wodnej. Obowiązuje przy tym zasada, że im wyższa jest temperatura, tym więcej pary wodnej może zaabsorbować powietrze. Dodatkowo dla każdej temperatury istnieje taki punkt, w którym powietrze nie może przyjąć więcej pary wodnej. Ten punkt nosi nazwę punktu nasycenia lub punktu rosy. W tym momencie zaczyna się tworzyć kondensat.
Osuszone powietrze ma tendencję do absorbowania pary wodnej i pobiera ją z otoczenia, a także od znajdujących się tam osób. Prowadzi to do dolegliwości, takich jak swędzenie skóry, uczucie pieczenia oczu, bólów głowy i zmęczenia.
Jeżeli do naczynia zostałaby dodana teraz para wodna, tak że wilgotność osiągnęłaby poziom 15 gramów wody na kilogram powietrza, wówczas w naczyniu wytworzyłaby się mgła oraz kondensat. Przy wilgotności względnej poniżej 30%, wskutek ogrzewania pomieszczeń zimą, występują często objawy odwodnienia wśród ludzi.
Wilgotność względna poniżej 35% jest sprzyjająca tworzeniu się kurzu z wyschniętej odzieży, dywanów, mebli itp. Kurz nagromadzony na grzejnikach, ulegając rozkładowi termicznemu, wydziela amoniak i inne gazy, które dodatkowo podrażniają organy oddechowe. Przy zbyt wysokiej wilgotności powietrza powyżej 70% w miejscach o niższej temperaturze może gromadzić się wilgoć. Wtedy jest prawdopodobne, że rzeczy w pomieszczeniu wykonane z materiałów organicznych, mogą wydzielać przykre zapachy od grzybów pleśniowych lub zgnilizny. Ponadto mogą wystąpić szkody budowlane lub materiałowe. (np.
Wszystkie materiały higroskopijne dążą do równowagi. Dlatego materiał higroskopijny pozostający przez pewien czas w kontakcie z wilgotnym powietrzem powraca do stanu równowagi, w którym wchłania lub oddaje wodę do otoczenia.
Niepewność pomiaru
Niepewność pomiaru to pojęcie, z którym styka się każdy użytkownik aparatury pomiarowej. Pojęcie to, choć wprowadzone zostało już w latach 90., jest często mylone z niedokładnością lub błędem pomiarowym. Niepewność pomiaru to nieujemny parametr charakteryzujący rozproszenie wartości wielkości przyporządkowany do menzurandu (wielkość, która ma być zmierzona) obliczony na podstawie uzyskanej informacji. Jest to pojęcie z zalecanego od 1993 roku przez międzynarodowe organizacje standaryzacyjne sposobu wyznaczania wyniku pomiaru zwanego rachunkiem (teorią) niepewności.
Niepewność oznacza parametr związany z wartościami (serią) pomiaru danej wielkości fizycznej w stałych warunkach, które można w uzasadniony sposób przypisać wartości mierzonej. Parametr ten (niepewność) charakteryzuje rozrzut wartości w przedziale, wewnątrz którego można z zadowalającym prawdopodobieństwem usytuować wartość wielkości mierzonej. Niepewność pomiaru wynika z tego, że pomiar zawsze jest w jakimś stopniu niedokładny. Nie wynika to tylko z niedoskonałości aparatury i zmysłów obserwatora, ale jest po prostu nieodłączną cechą każdego pomiaru.
Zdając sobie sprawę z tego, że jakaś niepewność występuje zawsze, w celu zapewniania najlepszej dokładności prowadzonych wzorcowań należy ją analizować. Analiza niepewności pomiaru - często nazywana również budżetem niepewności pomiaru - powinna zawierać listę wszystkich źródeł niepewności występujących podczas pomiaru wraz z przypisanymi im niepewnościami standardowymi, jak również metodami ich oceny. W przypadku pomiarów powtarzanych należy podać również liczbę „n”-tych obserwacji. Wszystkie wielkości w tabeli należy przedstawić w formie symboli fizycznych „Xi>” lub skrótowego znaku identyfikacyjnego.
Rodzaje niepewności
W praktyce metrologicznej stosujemy 3 rodzaje niepewności, przy czym na świadectwie wzorcowania podaje się tylko niepewność rozszerzoną.
Równanie pomiaru
Aby otrzymać jakąkolwiek niepewność standardową, należy najpierw stworzyć równanie pomiaru. Tutaj podeprzyjmy się przykładem z naszego laboratorium - dla równania pomiaru w zakresie wilgotności względnej. Postaramy się wytłumaczyć równanie pomiaru dla wilgotności względnej łącznie z wyjaśnieniem poszczególnych składowych.
Na początku trzeba stworzyć równanie pomiaru dla wilgotności względnej, po którym to będziemy mogli wyprowadzić wzór na niepewność pomiaru.
Δrh = rhs - rhk
Δrh - błąd wskazań przyrządu wzorcowanego [%rh], rhs - wartość wilgotności względnej wyznaczona za pomocą przyrządu wzorcowanego [%rh], rhk - wartość wilgotności względnej wyznaczona za pomocą wzorca roboczego [%rh].
Następnym krokiem jest wyznaczanie wilgotności względnej wzorcowania.
rhk = rhśr.k. + δrhu.k. + δrhdr.k. + δrho.k. + δrhr.k.
rhśr.k. - uśredniona wartość wilgotności względnej wyznaczona wzorcem roboczym [%rh], δrhu.k. - poprawka stwierdzona podczas wzorcowania wzorca roboczego [%rh], δrhdr.k. - poprawka związana z dryfem wzorca roboczego [%rh], δrho.k. - poprawka związana z rozdzielczością (odczytem) wzorca roboczego [%rh], δrhr.k.
Potem wyznaczamy wilgotność względną przez przyrząd wzorcowany.
rhs = rhsr.s. + δrho.s
rhśr.s. - uśredniona wartość wilgotności względnej wyznaczona przez przyrząd wzorcowany, δrho.s. - poprawka związana z rozdzielczością (odczytem) przyrządu wzorcowanego [%rh],
Z powyższych składowych możemy wyprowadzić całe równanie pomiaru dla wilgotności względnej:
Δrh = rhsr.s. + δrho.s - (rhśr.k. + δrhu.k. + δrhdr.k. + δrho.k. + δrhr.k.)
Z tego wzoru możemy przejść do wyliczenia niepewności złożonej oraz niepewności rozszerzonej. Powyższe wzory zostały opracowane o wytyczne przedstawione w dokumencie „EA-4/02 Ocena niepewności pomiaru przy wzorcowaniu”.
Zdolność pomiarowa laboratorium
Każde akredytowane laboratorium wzorcujące na świadectwie wzorcowania podaje CMC (ang. calibration and measurement capability). Jest to tzw. Na przykładzie z wyliczeń zdolność pomiarowa naszego laboratorium wynosi:
CMC = 2 * 0,4843 %rh ≈ 0,9686 %rh ≈ 1,0%rh
W omawianym powyżej przykładzie wyliczenia niepewności, otrzymaliśmy niepewność rozszerzoną w przybliżeniu 1,0 %rh, które można uznać za nasze CMC. Jednakże w naszym laboratorium niepewność rozszerzona została zwiększona i przyjęta na poziomie 1,5%rh, gdyż zawiera w sobie tzw. margines bezpieczeństwa.
Nie tylko dla laboratoriów
Niniejszy artykuł i wyliczenia w nim zawarte na pierwszy rzut oka wydają się skomplikowane. Jest to pozorna trudność. Każdy kto kilka razy wykona równanie pomiaru i określi niepewność jednego urządzenia szybko nabierze wprawy i będzie to wykonywał niemal automatycznie. Należy przy tym podkreślić, że niepewność pomiaru nie stosują tylko laboratoria wzorcujące i badawcze, ale dobra praktyka metrologiczna wskazuje, że powinna być ona wyznaczana przez wszystkich, którzy zajmują się pomiarami. Parametr ten jest bowiem niezbędny aby wiarygodnie przedstawić wyniki. Nie wyznaczając niepewności ryzykujemy bowiem tym, że wyniki wzorcowania mogą być zinterpretowane niezgodnie ze stanem faktycznym.
tags: #wzor #na #wilgotnosc #wzgledna #niepewnosc #zlozona
