Lisaks temperatuurile on niiskus väga oluline protsessiparameeter. Näiteks on ümbritseva atmosfääri suhtelisel õhuniiskusel kaugeleulatuv mõju meie heaolule ja tervisele. Tööstusprotsessides on niiskuse õige reguleerimine sageli määrava tähtsusega toote konkurentsivõime ja kvaliteedi seisukohast. Niiskustaseme õige reguleerimine võib aidata kaasa ka märkimisväärsele energiatarbimise kokkuhoiule. Loetelu rakendustest, kus niiskuse mõõtmist peetakse oluliseks, võib lõputult pikendada. Kõikjal, kus õhu veeaurusisaldus võib tekitada või mõjutada keemilisi, füüsikalisi või bioloogilisi protsesse, on väga oluline tagada niiskuse pidev jälgimine.
Puhas ja kuiv õhk sisaldab järgmisi koostisosi (mahuprotsentides):
78,10 mahuprotsenti lämmastikku
20,93 mahuprotsenti hapnikku
0,93 vol-% argoon
0,03 mahuprotsenti süsinikdioksiidi
0,01 Vol.-% vesinik
koos väiksema koguse neooni, heeliumi, krüptooni ja ksenooniga.
Lisaks nendele koostisosadele sisaldab sise- ja välisõhk mitmeid gaase ja tahkeid aineid ning teatud koguses niiskust veeauru kujul. Seega on õhk erinevate gaaside homogeenne segu ja seda võib pidada „ideaalseks gaasiks“. Päikesekiirgus ja tuul tagavad gaaside ühtlase segunemise, nii et vaatamata erinevustele erikaalus ei toimu kihistumist.
Gaasisegu üldrõhk koosneb selle koostisosade osarõhkude summast. Lihtsustatult väljendatuna koosneb õhk seega kuivast õhust ja veeaurust.
P = Pw + Pdry
kus (Pw) on veeauru tekitatud osarõhk ja (Pdry) kõigi teiste gaaside osarõhkude summa.
Õhk on võimeline absorbeerima ja salvestama teatud koguse veeauru sõltuvalt oma temperatuurist. See kogus suureneb temperatuuri tõustes. Mis tahes temperatuuril võib tekkiva veeauru rõhk tõusta ainult kuni küllastuspiirini, mida nimetatakse veeauru küllastusrõhuksPS.
Atmosfäärirõhk ja muude gaaside või saasteainete olemasolu ei mõjuta eespool kirjeldatud käitumist.
Veeaururõhu kõver näitab veeaurusisalduse küllastumise maksimumi õhus erinevatel temperatuuridel.
Kastepunkti temperatuur Td on temperatuur, mille juures õhk on veeauruga küllastunud; edasine veeauru lisamine või õhu jahutamine põhjustab kondenseerumist. Üleliigne veeaur kondenseerub vihmana, uduna või kondensaadina. Küllastunud olek säilib. Kastepunkti temperatuur on võrdne veeauru küllastustemperatuuriga ja võib olla maksimaalselt 100 °C normaalrõhul.
Õhu niiskusesisaldust saab iseloomustada kahe parameetriga. Eristatakse suhtelist niiskust ja absoluutset niiskust.
Suhteline niiskus on määratletud kui gaasi tegeliku osalise aururõhu Pw ja maksimaalse võimaliku aururõhu, st küllastusaururõhuPs suhe konkreetsel temperatuuril.
rH=100 * ( Pw/ Ps (t) ) [%]
Suhteline niiskus on mittemõõtmeline väärtus. See kujutab endast suhtarvu ja on esitatud protsentides. Kuna küllastumisrõhk sõltub ainult õhu temperatuurist, siis järelikult sõltub ka suhteline niiskus temperatuurist.
Absoluutne õhuniiskus a on teatud õhukoguses sisalduv veeauru kogus.
a= veeauru mass / õhumaht
Absoluutse õhuniiskuse mõõtühik on g/m3. Absoluutse õhuniiskuse mõõtmisel on see suur eelis, et see näitab gaasi tegelikku veekogust, mis ei sõltu näiteks temperatuurist.
Siin esitatakse veeauru massi ja kuiva gaasi massi suhe. Tavaliselt kasutatakse ühikuid g/kg kivinenud õhku ja %.
Seega näitab see, mitu grammi veeauru sisaldub ühes kilogrammis kuiva õhku. Protsessitehnikas mängib veesisalduse määramine olulist rolli, kuna see annab palju sisukamaid andmeid võrreldes suhtelise niiskusega.
Absoluutse ja suhtelise niiskuse mõõtmed on omavahel kindlas seoses. Absoluutse niiskuse ühikuid saab valida vastavalt vastavatele nõuetele.
Kõige levinumad mõõtühikud on järgmised:
Kastepunkt (-temperatuur) - °C
segunemissuhe - g/kg kuiva õhu kohta
Absoluutne õhuniiskus - g/m3
Absoluutse õhuniiskuse mõõtühikud ja nende seos suhtelise õhuniiskusega
Vastavad korrelatsioonid on esitatud i-x diagrammil (Mollieri diagramm).
Mõõdetud:
Õhutemperatuur 28 °C
Niiskus 60 % rH
Leia mõõdetud väärtused diagrammil ja määra lõikepunkt A. Pane lõikepunktile vertikaaljoon ja tõmba läbi diagrammi ülemise ja alumise serva. Ülemise serva lõikepunkt annab veeaururõhu e = 17 mm QS, alumise serva lõikepunkt annab veesisalduse X = 14 g/kg.
Mõõdetakse:
Õhutemperatuur 28 °C
Niiskus 60 % rH
Nagu on kirjeldatud punktis a) Määratakse lõikepunkt A. Lähtudes lõikepunktist A minnakse vertikaalselt maksimaalse niiskuse 100 %-ni ja sellest punktist tõmmatakse teljel (vasakul) joon koos temperatuuri jaotusega. Uue lõikepunkti tulemuseks on kastepunkti temperatuur 19,4 °C. Kastepunktitemperatuur 19,4 °C on sama, mis kastepunktitemperatuur 19,4 °C.
Temperatuuri, niiskusesisalduse ja suhtelise õhuniiskuse vaheline seos
Õhuniiskuse määramiseks saab kasutada erinevaid mõõtmismeetodeid. Sobivaima mõõtmismeetodi valiku teeb tavaliselt kasutaja seoses mõõdetava objektiga. Sageli on võimalik saavutada suurem mõõtetäpsus või täita soovitud nõuded lihtsa, kuid õigesti paigutatud õhuniiskuse mõõteseadmega. Üldiseks abiks on allpool kirjeldatud mõningaid tuntumaid ja sagedamini kasutatavaid niiskuse mõõtmise meetodeid ja nende kasutusvaldkondi.
Elektriline psühromeeter
Anduri ehitus
Psühhromeetria mõõtmismeetodiga määratakse õhu suhteline niiskus otse. Mõõtmismeetod põhineb soojusvahetuse põhimõttel.
Põhimõtteliselt koosneb psühromeeter kahest sõltumatust temperatuuriandurist, millest ühte kasutatakse niiskustemperatuuriandurina ja teist kuiva temperatuuriandurina. Niiskustemperatuuriandurit ümbritseb veega immutatud imav kangas. Sõltuvalt temperatuurist või tsirkuleeriva õhu niiskusesisaldusest eraldub teatud kogus veeauru aurustumise teel vajaliku õhuvoolu kaudu. See põhjustab niiske termomeetri pinna märgatavat jahtumist (märja temperatuuri temperatuur). Samal ajal mõõdetakse teise temperatuurianduriga keskkonna õhutemperatuuri (kuiva temperatuuri). Sel viisil määratud psühromeetriline temperatuuri erinevus on õhus oleva suhtelise õhuniiskuse mõõtühik.
Psühhromeetri ja hoolika käsitsemise abil on võimalik teostada täpseid õhuniiskuse mõõtmisi. Rahvusvaheliselt tunnustatud võrdlus- ja kontrollseadmetena kasutatakse näiteks Assmanni aspiratsioonipsühromeetrid. Sisseehitatud vedruvoolikuga ventilaator tagab keskmise konstantse õhukiiruse umbes 3 m/s, mis voolab ümber termomeetrite. Temperatuurierinevus loetakse kahelt kalibreeritud klaasist termomeetrilt.
Hindamine toimub käsitsi, kasutades tabelit või graafilist psühromeetrite paneeli. Suurema hindamistäpsuse saavutamiseks võib kasutada ka Saksamaa ilmateenistuse 10. kraadini jaotatud aspiratsioonipsühromeetri tahvleid.
Lisaks aspiratsioonipsühromeetrile on saadaval ka mitmesuguseid erinevaid konstruktsioone. Enamiku klaastermomeetritega mehaaniliste psühromeetrite kasutusvaldkond on piiratud klimaatilise mõõtmisvahemikuga temperatuuril ≤ 60 °C. Nende konstruktsioonide eeliseks on see, et ei ole vaja toiteallikaid.
Elektrilised psühromeetrid võimaldavad laiendatud kasutusala. Märg ja kuiv temperatuur mõõdetakse Pt-100 takistustermomeetritega. See tähendab, et „Sprungsche valemi“ kohaselt määratud suhtelist niiskust saab otse kuvada või edasi töödelda mikroprotsessoriga juhitavates kuvamis-, juhtimis- ja salvestusseadmetes, millel on vastav sisendahel. Temperatuurivahemik on peaaegu 0-100 °C.
Psühhromeetria mõõtmismeetod on tundmatu teiste niiskuse mõõtmismeetodite suhtes ja võimaldab seetõttu suures osas mõõtmisi määrdunud, lahusteid sisaldavate ja agressiivsete gaaside puhul. Näiteks kasutatakse elektrilisi psühromeetreid pidevateks mõõtmisteks lihaveise- ja juustutööstuses.
Rohkem kui sada aastat tuntud psühromeetrilise mõõtmismeetodiga on realiseeritud lihtne ja kuluefektiivne niiskuse mõõtmise meetod. Usaldusväärsed pidevad mõõtmised nõuavad siiski rakendusspetsiifilisi kriteeriume, mis peavad olema täidetud. Näiteks piisav ventilatsioon ja niisutamine ning mõõteseadmete hooldus. Üksikasjad on esitatud vastava seadme töö- ja protseduurijuhendis.
Temperatuurist sõltuv välisõhu niiskusesisaldus tungib veeauruna niiskusanduri ülemisse hügroskoopilisse elektroodi ja jõuab aktiivsele polümeerikile.
Polümeerikile imendunud veeauru kogus muudab niiskusanduri elektrilisi omadusi ja muudab selle mahtuvust. Mahtuvuse muutus on proportsionaalne suhtelise õhuniiskuse muutusega ning seda hinnatakse järgnevas elektroonikas ja teisendatakse standardiseeritud väljundsignaaliks. Hindamiselektroonika peab olema kohandatud vastava niiskusanduri põhivõimsusele.
Tänu spetsiaalsele konstruktsioonile ja mahtuvuslikele niiskusanduritele on saavutatud väga kiire reageerimisaeg. Lisaks sellele on need suures osas tundmatud kerge määrdumise ja tolmu suhtes. Pinnakontaktide kaitseks on andurid ümbritsetud plastkorpusesse. Kõrge õhuniiskuse korral on saadaval kastekindlad versioonid.
Võimenduslikke mõõtmismeetodeid kasutatakse näiteks kliimasektoris ja tööstusprotsessides, kus ei ole kõrge kontsentratsiooniga söövitavaid gaase või lahuseid.
Kapatsitiivsete niiskusandurite standardne mõõtepiirkond on valdavalt 10 kuni 90 % RH. Kõrgema kvaliteediga versioonide puhul on võimalik mõõta vahemikus 0-100 % RH.
Tööstusrakendustes kasutatava mahtuvusliku niiskusanduri töövihkamine
Juuste pikkuse muutus sõltuvalt suhtelisest õhuniiskusest
Üks mahtuvusmõõtmise meetodi peamisi eeliseid on teostatav temperatuurivahemik, milles saab niiskuse mõõtmisi teostada. Näiteks võimaldavad kaasaegsed tööstuslike rakenduste niiskusandurid mõõtmisi vahemikus -40 kuni +180 °C, kusjuures temperatuur registreeritakse samaaegselt ja see on saadaval ka standardiseeritud väljundsignaalina.
Sõltuvalt seadme versioonist on näidatud tööpiirkonna kõrvalekalded võimalikud.
Puhtalt elektrilise mõõtmise tõttu on mahtuvuslik mõõtmismeetodil veel üks eelis. Näiteks saab uusima mikroprotsessoritehnoloogiaga varustatud kvaliteetseid niiskusandureid varustada mitmesuguste võimalike lisavõimaluste ja funktsioonidega.
Kuna erinevad gaasirõhud ja õhukiirused ei mõjuta mahtuvuslikule niiskusandurile peaaegu üldse, on saadaval seadmeid, mis võimaldavad mõõtmisi rõhu all olevates süsteemides vahemikus 0 kuni 100 bar.
Mõõtmistäpsus on sõltuvalt seadme versioonist vahemikus ±2 kuni ±5 % rf. Teatud tingimustel on võimalik saavutada isegi ±1 % r. h. mõõtmistäpsus.
Hügromeetriline mõõtmismeetod kasutab õhuniiskuse määramiseks hügroskoopiliste kiudmaterjalide erilisi omadusi. Kui need kiud puutuvad kokku välisõhuga, tekivad kompensatsiooniaja järel mõõdetavad muutused pikkuses, mis sõltuvad õhu niiskusesisaldusest.
Vastava paberimassi seisundi põhjal saab nüüd teha otseseid järeldusi olemasoleva õhuniiskuse kohta. Hügromeetrilistes mõõteelementides kasutatakse peamiselt spetsiaalselt ettevalmistatud plastniite ja inimjuukseid.
Mõõteelemendi tõhusus põhineb asjaolul, et kasutatavad juuksed on võimelised niiskust imama. Niiskuse imendumine tekitab juustes paisumise efekti, mis on märgatav peamiselt pikkuse muutumisena.
Niiskuse suurenemisel juuksed pikenevad. Pikkuse muutus on umbes 2,5 % juuste pikkuse suhtes, kui niiskus muutub 0-100 %. Kõrge õhuniiskuse korral on juuste pikenemine siiski suhteliselt väike (vt joonis eespool).
Juuste mõõteelemente kasutatakse eelistatavalt kliimaseadmetes. Juuste pikkuse muutumine kantakse osuti või pliiatsiga üle spetsiaalse mehaanilise täppisülekande abil. Mehhaanilise stabiilsuse huvides ühendatakse mitu juuksekarva, et moodustada juuksekimp või juukseharva.
Mõõtmismeetod tagab ±3 % täpsuse mõõtepiirkonnas 0 kuni 90 (100) % RH. Võimalik on ümbritsev temperatuur vahemikus -35 kuni +50 °C. Pikaajalisel kasutamisel madala õhuniiskuse vahemikus alla 40 % RH tuleb juuksekarvaelement uuendada. Selleks pannakse juuksehügromeeter umbes 60 minutiks peaaegu küllastunud õhku (umbes 94-98 %). Seejärel saab näituri asendit reguleerimiskruviga korrigeerida. Juuksehügromeetrid on tundlikud hügroskoopilise tolmu suhtes ja neid tuleb seetõttu regulaarselt kaitsta või puhastada.
Plastikust mõõteelement kasutab inimkarvade asemel plastmassist niite. Spetsiaalne protsess annab ka nendele kiududele hügroskoopilised omadused. Suhtelise õhuniiskuse muutused põhjustavad mõõteelemendi pikkuse proportsionaalse muutuse. Pikendus edastatakse samuti täpse mehaanilise ülekande kaudu.
Plastikust mõõteelemendi eeliseks on see, et seda saab kasutada kõrgematel temperatuuridel (kuni 110 °C) ja ka pikema aja jooksul madala suhtelise õhuniiskuse juures. Juuste mõõteelementidest tuntud regenereerimine ei ole siinkohal vajalik.
Plastikust mõõteelement on veekindel ja tundmatu kuiva mustuse, tolmu, lendlehtede ja muu sarnase saastatuse suhtes. Mõõtmis- või tööpiirkond on (0)30 kuni 100 % suhteline õhuniiskus, kuid sõltub ümbritsevast temperatuurist (vt joonis allpool). Mõõtmistäpsus on ±2-3 %.
Plastikelemendiga hügromeetrilisi andureid kasutatakse pidevaks mõõtmiseks tööstuslikus protsessitehnikas ja kliimarakendustes nende suure tundmatuse ja kõrgema temperatuuritaluvuse tõttu. Sõltuvalt vastavast rakendusest on saadaval mitmesuguseid seadmeversioone.
Plastikust mõõteelemendi maksimaalne temperatuur ja niiskus
Nende hulka kuuluvad muu hulgas:
Plastmassist mõõteelemendi pikkuse muutust tajutakse sobiva süsteemiga ja tavaliselt muundatakse see lineaarseks takistussignaaliks. Saadaval on ka sisseehitatud kahejuhtmeliste saatjatega versioonid, mille väljundis on saadaval standardiseeritud voolu- ja pingesignaalid. Seadmeid, millel on täiendav temperatuurimõõtmisvahemik, nimetatakse hügrotermoanduriteks.
Selle variandi puhul kasutatakse mõõteelemendi pikkuse muutumist lülituskontakti käivitamiseks. Hügrostaate kasutatakse niisutus- ja kuivatussüsteemide juhtimiseks.
Hügrograaf on salvestav niiskuse registreerija, millel on hügromeetrilised juukse- või plastmassist mõõteelemendid. Võimalik on ka täiendav temperatuuri registreerimine (hügrotermograaf). Kasutusvaldkondadeks on näiteks ilmajaamad.
Hügromeetrilise mõõtmismeetodiga on üldiselt võimalik niiskuse mõõtmine rõhuta ja mitteagregeerivas õhus. Vältida tuleks mõõtmisi lahusteid sisaldavates ja agressiivsetes keskkondades, kuna nende tüüp ja kontsentratsioon võivad põhjustada ebaõigeid mõõtmisi või hävitada mõõteelemendi.
Niiskuse mõõtmise meetodeid ja nende kasutusvaldkondi käsitlevas osas on käsitletud põhiprintsiipe. Kirjeldatud seadme versioonid ja tehnilised näitajad võivad seetõttu erineda tootja omadest. Üksikasjalikumat teavet võib seetõttu leida üksikute seadmete kasutusjuhendist või andmelehtedest.