1. Загальні відомості
Вода входить до складу навколишнього повітря і є необхідним компонентом для всіх живих істот: людей і тварин. Комфортність навколишніх умов визначається, в основному, двома чинниками: відносною вологістю і температурою. Ви можете себе почувати цілком комфортно при температурі -30 ° С в Сибіру, де взимку повітря зазвичай дуже сухий, але Вам буде зовсім незатишно при температурі 0 ° С в Клівленді, розташованому на березі озера, де дуже волого. (Природно, що тут враховуються тільки кліматичні чинники і не розглядаються економічні, культурні та політичні). Робота багатьох також сильно залежить від рівня вологості. Як правило, всі характеристики приладів визначаються при відносній вологості 50% і температурі 20-25 ° С. Рекомендується підтримувати такі ж умови і в робочих приміщеннях, правда, тут існують винятки: наприклад, у виробничих кімнатах Класу А вологість має бути 38%, а в лікарняних операційних - 60%. Волога входить до складу більшості випущених виробів і матеріалів. Можна сказати, що велику частину валового національного продукту будь-якої країни становить вода.
Для вимірювання вологості використовуються прилади, які називаються гигрометрами.
Перший гігрометр був створений Джоном Леслі A760-1832. Чутливий елемент гігрометра повинен вибірково реагувати на зміну концентрації води. Його реакцією може бути зміна внутрішніх властивостей. Датчики для вимірювання вологості і температури точки роси бувають ємнісними, електропровідними, вібраційними і оптичними. Оптичні газові датчики визначають точку роси, в той час як оптичні гігрометри вимірюють вміст води в органічних розчинах з поглинання випромінювання ближнього ІЧ діапазону в інтервалі 1.9 ... 2.7 мкм.
Для кількісного визначення вологості та вмісту води застосовуються різні одиниці. Вологість газів в системі СІ іноді виражається як кількість парів води в одному кубічному метрі (г/м3). Вміст води в рідинах і твердих тілах зазвичай задається у відсотках від загальної маси. Вміст води в погано змішуються рідинах визначається як кількість частин води на мільйон частин ваги (ррт). Наведу кілька корисних визначень:
1 Вологомір (<вимірювач вологості>): вимірювальний прилад, призначений для вимірювання однієї або декількох величин вологості твердих або рідких речовин.
2 Гігрометр (<вимірювач вологості>, <вологомір газів>): вимірювальний прилад, призначений для вимірювання однієї або декількох величин вологості газів.
3 Гігрограф: реєструючий вимірювальний прилад, призначений для безперервного запису значень величин вологості газів.
4 Датчик вологості; датчик: первинний вимірювальний перетворювач величин вологості в інші фізичні величини, наприклад в електричні.
5 Гравіметричний метод: метод непрямого вимірювання величин вологості, що полягає у виділенні вологи з речовини і роздільному вимірюванні маси вологого речовини та її сухої частини якої виділеної вологи.
6 Випарне-гравіметричний метод, метод висушування: гравіметричний метод вимірювання вологості твердих речовин, заснований на випарному способі видалення вологи з речовини.
7 Термогравіметричний метод; тепловий метод (<повітряно-тепловий метод>): метод висушування, заснований на видаленні вологи з речовини шляхом його нагрівання.
8 Вакуумно-гравіметричний метод; вакуумний метод: метод висушування, заснований на вакуумному способі видалення вологи з речовини.
9 Вакуумно-тепловий метод: метод висушування, заснований на одночасному застосуванні теплового і вакуумного способів видалення вологи з речовини.
10 Сорбційно-гравіметричний метод: гравіметричний метод вимірювання вологості газів, заснований на сорбційні способі виділення вологи з газів.
11 Конденсаційно-гравіметричний метод: гравіметричний метод вимірювання вологості газів, заснований на конденсаційному способі виділення вологи з газів.
12 Кулонометрический метод: метод непрямого вимірювання вологості газів, заснований на сорбційні способі виділення вологи з газу і наступному вимірюванні кількості електрики, необхідного для електролітичного розкладання цієї вологи.
13 психрометрический метод: метод непрямого вимірювання вологості газів, заснований на залежності зниження температури (охолодження) змоченого твердого тіла від вологості навколишнього газу.
14 Психрометр: пристрій для реалізації психрометрический методу вимірювання, що містить сухий і змочений термометри.
15 Аспіраційний психрометр: психрометр, забезпечений аспіратором - пристроєм для обдування термометрів аналізованих газом.
16 психрометрический формула: математичне рівняння, що виражає залежність будь-якої величини вологості газу від різниці температур сухого і змоченого термометрів
17 психрометрический коефіцієнт: коефіцієнт у психрометрический формулою, що залежить від конструкції психрометра і швидкості обдування термометрів.
18 психрометрический гігрометр: гігрометр, принцип дії якого базується на психрометрический методі вимірювання, автоматичному обчисленні величини вологості і подання її значення на відліковому пристрої.
19 Конденсаційний метод: метод вимірювання точки роси [інею], що полягає в охолодженні газу до температури випадання конденсату (роси або інею) і вимірі цієї температури.
20 Рівноважний метод: метод непрямого вимірювання вологості твердих речовин, що полягає у вимірюванні вологості газу, що знаходиться в гігротермічної рівновазі з цими речовинами.
21 Діелькометричний метод: метод непрямого вимірювання вологості речовин, заснований на залежності діелектричної проникності цих речовин від їх вологості.
22 Метод Фішера: хімічний метод вимірювання вологості твердих та рідких речовин полягає в екстрагуванні вологи з проби речовини розчинником і наступному титруванні її спеціальним розчином Фішера.
23 Оптичні методи: методи непрямого вимірювання вологості газів, засновані на залежності їх оптичних властивостей від вологості.
24 Нейтронний метод: метод вимірювання вологості твердих речовин, що полягає в уповільненні швидких нейтронів на ядрах водню (протонах) і вимірюванні інтенсивності потоку утворюються повільних нейтронів.
25 Деформаційний гігрометр [датчик вологості]: гігрометр [датчик], принцип дії якого базується на залежності деформації чутливого елемента від вологості газу.
26 Волосяний гігрометр [датчик вологості]: деформаційний гігрометр [датчик], в якому в якості чутливого елемента використано волосся, наприклад людський.
36 Плівковий гігрометр [датчик вологості] (<мембранний гігрометр>): деформаційний гігрометр [датчик], в якому в якості чутливого елемента використана вологочутливі плівка, наприклад тваринного походження.
37 Резистивний вологомір [гігрометр, датчик вологості]: вологомір [гігрометр, датчик], принцип дії якого базується на залежності електричного опору чутливого елемента від вологості речовини
38 Ємнісний вологомір [гігрометр, датчик вологості]: вологомір [гігрометр, датчик], принцип дії якого базується на залежності електричної ємності чутливого елемента від вологості речовини.
39 Електролітичний гігрометр [датчик вологості газу]: резистивний гігрометр [датчик вологості газу], в якому в якості чутливого елемента використана плівка розчину солі.
40 Електролітичний підігрівного гігрометр точки роси [датчик точки роси]; підігрівного гігрометр [датчик]: електролітичний гігрометр [датчик вологості газу] з підігрівом, внаслідок якого опір чутливого елемента підтримується на постійному рівні, а температура рівноваги служить мірою точки роси навколишнього газу.
41 Пьезосорбціонний гігрометр [датчик вологості газу]: гігрометр [датчик вологості], принцип дії якого базується на залежності частоти коливань або добротності п'єзоелектричного резонатора, покритого влагосорбірующім шаром, від вологості навколишнього газу.
42 Нейтронний вологомір: вологомір твердих речовин, принцип дії якого базується на нейтронному методі вимірювання.
У повітрі завжди міститься певна кількість вологи у вигляді водяної пари. Там, де наявність водяної пари призводить до виникнення хімічних, фізичних і біологічних процесів чи впливає на ці процеси, велике значення має постійний контроль за вологістю повітря. Для визначення кількості вологи є дві вимірювальні величини. Розрізняють абсолютну і відносну вологість.
Абсолютна вологість (точка насичення)
Абсолютна вологість Fabs показує таку кількість водяної пари, що міститься в певному обсязі повітря.
Повітря, як суміш газу і пари, завжди містить водяну пару. Водяна пара створює певний тиск, який називають тиском водяної пари. Воно є частиною всього барометричного тиску газу.
Тиск водяної пари і відповідно абсолютна вологість повітря можуть підвищуватися при певній температурі тільки до межі насичення. Це максимально можливий тиск називають тиском насичення. Температурна залежність тиску насичення зображується кривої тиску водяної пари.
Тиск навколишнього середовища або наявність інших газів не робить впливу на криву тисків водяної пари. Вологість насичення досягається максимальною кількістю водяної пари, дивись діаграму.
Точка насичення
При подальшому надходженні водяної пари утворюється конденсат. Надмірна кількість водяної пари виявляється у вигляді дощу, туману або конденсату. Насичене стан при цьому зберігається. Якщо насичений тепле повітря охолоджується, то також відбувається конденсація. Тепер охолоджене повітря буде вбирати менше вологи. Температура, при якій це відбувається, називається температурою точки насичення. Вона вказується в ° С. За допомогою точки насичення можна встановити тиск водяної пари вологого повітря по кривій тиску водяної пари. Отже, точка насичення є одиницею вимірювання кількості води у вологому повітрі. Величина абсолютної вологості повітря підбирається в залежності від даних розрахункових вимог. Різні розмірності мають постійне співвідношення один з одним, дивись діаграму.
Відносна вологість
Відносна вологість повітря це відношення фактично наявної, тобто абсолютної вологості повітря Fabs до максимально можливої вологості повітря Fsat при даній температурі. Відносна вологість повітря являє собою безрозмірну величину. Вона є передавальним числом і вказується в%.
При високій температурі повітря може поглинати більше вологи ніж за низькою. Максимальна вологість, яку може поглинути повітря, називається вологістю насичення. До насичення тиск водяної пари і отже відносна вологість пропорційна всьому барометричному тиску. Так як тиск насичення залежить тільки від температури, відносна вологість повітря також залежить від температури. Відносна вологість зменшується, якщо температура підвищується, і навпаки. Вплив коливань температури на відносну вологість може бути значним.
Залежності тиску насиченої пари над плоскою поверхнею води і льоду від температури, отримані теоретично на підставі рівняння Клаузіуса - Клапейрона і звірені з експериментальними даними багатьох дослідників, рекомендовані для метеорологічної практики Всесвітньою метеорологічною організацією (ВМО):
ln psw = -6094,4692 T-1 + 21,1249952 - 0,027245552 T + +0,000016853396 T2 + 2,4575506 ln T
ln psi = -5504,4088 T-1 - 3,5704628 - 0,017337458 T + +0,0000065204209 T2 + 6,1295027 ln T,
де psw і psi - тиск насиченої пари над плоскою поверхнею води і льоду відповідно (Па);
Т - температура (К).
Наведені формули справедливі для температур від 0 до 100 º C (для psw) і від -0 до -100 º C (для psi). У той же час ВМО рекомендує першу формулу і для негативних температур для переохолодженої води (до -50 º C).
2. Методи і засоби вимірювання вологості
Вологість і вміст молекул води в речовинах і матеріалах є одним з найбільш важливих характеристик складу. Вже зазначалося, що вологу необхідно вимірювати в газах (концентрація парів води), у сумішах рідин (власне вміст молекул води) і в твердих тілах в якості кристалізаційної вологи, що входить в структуру кристалів. Відповідно, набір методів і пристроїв для вимірювання вмісту молекул води в матеріалах виявляється досить різноманітним.
Традиції вимірювальної техніки, що спираються на повсякденний досвід, призвели до того, що у вимірах вологості склалася специфічна ситуація, коли в залежності від впливу кількості вологи нате чи інші процеси необхідно знати або абсолютне значення кількості вологи в речовині, або відносне значення, яке визначається як процентне відношення реальної вологості речовини до максимально можливої в даних умовах. Якщо необхідно знати, наприклад, зміна електричних або механічних властивостей речовини, в цьому випадку визначальним є абсолютне значення вмісту вологи. Те ж саме відноситься до змісту вологи в нафті, в продуктах харчування і т.д. У тому випадку, коли необхідно визначити швидкість висихання вологих об'єктів, комфортність середовища проживання людини або метеорологічну обстановку, на перше місце виступає ставлення реальної вологості, наприклад повітря, до максимально можливої при даній температурі.
У зв'язку з цим характеристики вологості, а також величини та одиниці вологості поділяються на характеристики влагосостоянія і вологовмісту.
Вологовміст - величини та одиниці, що виражають реальну кількість вологи в речовині. Основною характеристикою вологовмісту є абсолютна вологість, що визначається як кількість вологи в одиниці об'єму:
(1)
До цього класу характеристик можна віднести парціальний тиск водяної пари в газах, абсолютну концентрацію молекул води для газу, близького до ідеального, яка визначається як:
(2)
де Т - абсолютна температура, n 0 - постійна Лошмідта, що дорівнює числу молекул ідеального газу в 1 см 3 при нормальних умовах, тобто при p 0 = 760 Торр = 1015 ГПа і T 0 = 273,1 б К. Часто використовується така характеристика абсолютної вологості як точка роси, тобто температура, при якій дана абсолютна вологість газу стає 100%. Ця характеристика привнесена в гігрометри метеорологам і, тому що є найбільш характерною при визначенні моменту випадання роси і визначення її кількості.
Влагосостояніе - процентне співвідношення, яке дорівнює відношенню абсолютної вологості до максимально можливої при даній температурі:
(3)
Відносна вологість може характеризуватися так званим дефіцитом парціального тиску, рівного відношенню парціального тиску вологи до максимально можливого при даній температурі. Дуже рідко в гігрометріческіх вимірах можна зустріти дефіцит точки роси.
Зв'язок між температурою і максимально можливої абсолютною вологістю дається рівнянням пружності насичених парів води. Це рівняння має вигляд:
(4)
На практиці частіше користуються таблицею тиску насичених парів над плоскою поверхнею води або льоду при різних температурах. Ці дані наведені в табл. 1.
Таблиця 1. Тиск насичених парів над плоскою поверхнею води
t ° c | Р нк, мбар | А нк г / м 3 | t ° C | Р нк, мбар | А нк г / м 3 |
0 | 6,108 | 4,582 | 31 | 44,927 | 33,704 |
1 | 6,566 | 4,926 | 32 | 47,551 | 35,672 |
2 | 7,055 | 5,293 | 33 | 50,307 | 37,740 |
3 | 7,575 | 5,683 | 34 | 53,200 | 39,910 |
4 | 8,159 | 6,120 | 35 | 56,236 | 42,188 |
5 | 8,719 | 6,541 | 36 | 59,422 |