Levegő nedvességtartalmának mérése

A mérés célja:

• megismertetni a hallgatókat a gázok nedvességtartalmával kapcsolatos alapfogalmakkal,
• bemutatni a gázok nedvességtartalmának mérésére alkalmazott módszereket.

Ennek érdekében:

• összefoglaljuk a gázok nedvességtartalmával kapcsolatos alapfogalmakat,
• bemutatjuk a gázok nedvességtartalmának mérésére használt módszereket,
• a levegő nedvességtartalmát mérjük harmatpontos és pszichrometrikus módszerrel.

Elméleti összefoglaló

A nedvességtartalom az anyagban jelenlevő vízgőz fajlagos mennyiségét jelenti. Ismerete fontos egyes technológiai folyamatok szempontjából; bizonyos anyagok tárolása, technológiai folyamatok elvégzése csak adott nedvességtartalom mellett lehetséges. A levegő nedvességtartalmának ismerete különös jelentőséggel bír. A levegő, mint nedves környezet befolyásolja az anyagok tulajdonságait, és élettani hatást fejt ki az élővilágra. A levegő nedvességtartalmának mérésével kapcsolatban elmondottak más gázokra is vonatkoztathatóak.

A levegőnek mindig van bizonyos vízgőz- vagy páratartalma, azaz nedvessége. A levegő páratartalmának egyik jellemzője az abszolút páratartalom ($\setbox0\hbox{$f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$). Az abszolút páratartalom az egységnyi térfogatban levő vízgőz tömege

$\[f=\frac{m}{v}\]$

ahol $\setbox0\hbox{$V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a vizsgált levegő térfogata, és $\setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a benne levő vízgőz tömege. Mértékegysége g/m³. A levegő adott hőmérsékleten csak egy adott határig, képes vízgőzt felvenni. Ez az ún. "telítési páratartalom" ($\setbox0\hbox{$f_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$), melynél a vízgőz termodinamikai egyensúlyban van a folyadék fázissal. Ha $\setbox0\hbox{$m_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ az a víztömeg, amely az adott hőmérsékleten a $\setbox0\hbox{$V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ térfogatú levegőt telítetté teszi:

$\[f_0=\frac{m_0}{V}\]$

A telítési páratartalom hőmérsékletfüggő. A relatív páratartalom ($\setbox0\hbox{$\varphi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) a levegőben levő abszolút páratartalom és az adott hőmérséklethez tartozó telítési páratartalom hányadosa:

$\[\varphi=\frac{m}{m_0}\]$

Ez a levegő nedvességtartalmának legfontosabb jellemzője, élettani-, szárító-, nedvesítő hatása ugyanis ettől függ. Azt adja meg, hogy a levegőben levő páratartalom menyyire közelíti meg a telítési nyomást. A vízgőz egészen a telítésig jól követi az általános gáztörvényt:

$\[pv=\frac{m}{M}RT\]$

ahol $\setbox0\hbox{$p$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a parciális nyomás, $\setbox0\hbox{$V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a térfogat, $\setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a hőmérséklet, $\setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a víz tömege, $\setbox0\hbox{$M$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a mólsúly, $\setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ pedig az általános gázállandó. Az egyenletet átrendezve a

$\[p=\frac{RT}{M}\frac{m}{V}\]$

kifejezést kapjuk. Látható, hogy a vízgőz parciális nyomása ($\setbox0\hbox{$p$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) és az abszolút páratartalom ($\setbox0\hbox{$m/V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) között egyenes arányosság áll fenn. Így a relatív páratartalom kifejezhető a parciális vízgőznyomás és az adott hőmérséklethez tartozó telítési nyomás ($\setbox0\hbox{$p_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) segítségével is:

$\[\varphi=\frac{m}{m_0}\frac{p}{p_0}\]$

A telítési nyomás az adott hőmérsékleten a vízgőz által elérhető legnagyobb nyomás.

Ha az abszolút páratartamú telítetlen levegőt hűteni kezdjük, egyszer csak elérjük azt a hőmérsékletet, amelynél a levegő telítetté válik, azaz az abszolút páratartalma eléri az adott hőmérséklethez tartozó telítési páratartalmat. Ez a hőmérséklet a harmatpont ($\setbox0\hbox{$\tau$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$). A harmatpont ismerete lehetővé teszi a levegő abszolút páratartalmának a meghatározását.

A gázok páratartalmának mérésére alkalmas eljárásokat a levegő esetén alkalmazott módszerek bemutatásával ismertetjük. Gyakorlati szempontból a különféle gázok közül leginkább a levegő páratartalmának az ismerete fontos. Az alábbiakban néhány, a levegő nedvességtartalmának mérésére alkalmas módszert ismertetünk.

Nedvességtartalom mérésére szolgáló módszerek

A levegő abszolút nedvességtartalmának meghatározása

Az eljárás lényege, hogy ismert térfogatú ($\setbox0\hbox{$V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) levegőt áramoltatunk keresztül ismert tömegű ($\setbox0\hbox{$m_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$) nem párolgó nedvszívó anyagon. Az utóbbi a levegő nedvességtartalmát megköti, ami megnöveli a nedvszívó anyag tömegét ($\setbox0\hbox{$m_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$). A tömegek és a térfogat ismeretében az abszolút páratartalom kiszámítható:

$\[f=\frac{m_2-m_1}{V}\]$

Nedvességmérés harmatpont meghatározással

A harmatpontra való hűtés során a telítetlen levegő telítetté válik és megindul a kicsapódás. Ennek megfigyelésével a harmatponthoz tartozó hőmérséklet meghatározható. Minthogy a harmatponton az abszolút és telítési páratartalom megegyezik, a harmatpont hőmérsékletének és a telítési páratartalom hőmérsékletfüggésének ismeretében az abszolút (és a relatív) páratartalom számítható. A mérés úgy történik, hogy a levegőt fokozatosan addig hűtjük, amíg kicsapódás nem észlelhető. A kicsapódáshoz tartozó $\setbox0\hbox{$\tau$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ hőmérsékletet megmérjük, majd a (nagy pontossággal ismert) telítési páratartalom adatokból kikereshető a hozzá tartozó $\setbox0\hbox{$m/V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ telítési páratartalom vagy $\setbox0\hbox{$p$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ telítési nyomás értéket, ami a vizsgált levegő abszolút páratartalmát (illetve az ehhez tartozó parciális nyomást) adja meg. Ha ismert a vizsgált levegő kezdeti $\setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ hőmérséklete is, akkor a telítési páratartalom adatokból kikereshető az ahhoz tartozó $\setbox0\hbox{$m_0/V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ telítési páratartalom vagy $\setbox0\hbox{$p_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ telítési gőznyomásis. Ez alapján a $\setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ hőmérsékletű levegő relatív páratartalma kiszámítható.

Az egyszerűbb harmatpontos páratartalom mérőknél egy tükör felületét gyorsan párolgó folyadék segítségével hűtik. Ilyen a Lambrecht-féle higrométer, melynek fő alkotórésze egy fényes nikkel bevonattal rendelkező, éterrel, vagy más gyorsan párolgó folyadékkal részben megtöltött fémdoboz, melybe hőmérő és egy levegőáramoltató cső nyúlik be. Az éter párolgása miatt a doboz és a dobozzal érintkező levegőréteg lehűl. A levegő áramlási sebességével befolyásolható a párolgás (és a hűlés) sebessége. A harmatponton a doboz felületére vízgőz csapódik le, a megfelelő hőmérséklet a hőmérőről olvasható le. A mérés pontossága érdekében (a vízgőz túlhűthető) a párolgó folyadék és ezzel együtt a tükör hőmérsékletét a harmatpont közelében lassan kell csökkenteni. (Ezzel csökkenthető a folyadék és a tükör közti hőmérsékletkülönbség.) Amikor a pára a tükrön megjelenik, megszüntetik a párologtatást. Ennek eredményeként a tükör újra felmelegszik, és a pára eltűnik a felületről. A harmatponti hőmérsékletet jól közelíthető a pára megjelenéséhez és eltűnéséhez tartozó hőmérsékletek átlagával.

A mérési gyakorlaton a harmatpont meghatározása egy korszerűbb eszközzel történik. A fémtükröt Peltier-elemmel hűtjük, hőmérsékletét Pt ellenállás-hőmérővel mérjük, a vízgőz kicsapódását pedig az optikai reflexió változása alapján elektronikusan detektáljuk.

A tükröt hűtő Peltier-elem egyik (hideg) oldala a tükörrel van hőkontaktusban, a másik (meleg) oldalat csapvíz tartja állandó hőmérsékleten. Az eszközzel 0°C-ig lehet lehűteni a tükröt. A Peltier-elem működtetésére szabályozható egyenfeszültségű tápegység szolgál. Hűtésnél a tápegység + pólusához a Peltier-elem piros kivezetését kapcsoljuk. Felmelegítésnél általában elegendő a tápegység kikapcsolása, a tükröt a környezet melegíti fel. A szobahőmérsékletről történő hűtés során a tápegység feszültségét először 2 V-ra állítjuk, majd fokozatosan 3 V-ra, végül 4 V-ra. 4 V feszültség esetén a Peltier-elem árama kb. 1 A, így ennél nagyobb feszültséget alkalmazni tilos!

A fémtükör hőmérsékletét a hozzáillesztett Pt ellenállás-hőmérő segítségével mérjük, a $\setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ °C-ban mért hőmérsékletet az Ω-ban mért $\setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ ellenállásból az alábbi képlettel számítjuk:

$\[T=\frac{1}{0,0039}\left(\frac{R}{100}-1\right)\]$

A vízgőz kicsapódását optikai reflexió vizsgálatával detektáljuk, melynél a fényforrás infravörös félvezető-dióda, az érzékelő hangolt fototranzisztor (a környezet háttérvilágításának kiszűrésére váltóáramú mérőkörrel). A fototranzisztor ellenállását tudjuk mérni. Az alkalmazott félvezető dióda (fényforrás) feszültségét külön tápegységről 1,4 V értékűre állítjuk (ekkor az ellenállás értéke kb. 100 kΩ). A tükrön a nedvesség rácsapódását és elpárolgását reflexióváltozás, és így ellenállás-változás jelzi.

A fototranzisztor és az ellenállás-hőmérő ellenállását HAMEG programozható mérőműszerrel regisztráljuk. A két mérés jelét a számítógép két bemeneti csatornáján át a HAMEG HARM alprogrammal feldolgoztatva koordináta-rendszerben ábrázoljuk (a vízszintes tengely a hőmérséklet, a függőleges tengely az optikai jel). Megfigyeljük a töréspont ellenállásértékét, amibőla fenti képlettel számítható a harmatpont. A Pt ellenállás-hőmérő ellenállását és a telített vízgőz tenzióját a hőmérséklet függvényében táblázat tartalmazza.

Pszichrometrikus mérési módszer

Az August-pszichrométerrel végzett mérés azon ala-pul, hogy a párolgás sebessége függ a gáztérben levő vízgőz mennyiségétől. A levegőáramba helyezett két hőmérő közül az egyiket nedvesített textil veszi körül, így az a víz párolgása miatt erősebben hűl. A kialakuló hőmérséklet-különbséget befolyásolja a környezet nedvességtartalma. (Pl. 100 %-os páratartalomnál nincs párolgás, így a két hőmérő azonos hőmérsékletet mutat.) A mérés során a hőmérsékletkülönbség először gyorsan, majd lassabban változik, végül (néhány perc múlva) állandósul. A nedvesített hőmérő nem a harmatpont hőmérsékletét mutatja, mivel a harmatponton a párolgási sebesség nulla. Egy, a harmatpontnál magasabb hőmérsékletet kapunk, melyet korrigálni kell ahhoz, hogy a harmatpontnak megfelelő értéket kapjuk. A vízgőz p parciális nyomását a

,			  (8)

empirikus összefüggés adja meg, ahol pB a nedvesített hőmérő tB hőmérsékletéhez tartozó telített vízgőz nyomása, b a barométerállás és tA a száraz hőmérő állása (a nyomás és a barométerállás torr egységekben értendő). A levegő relatív nedvességtartalma a (6) kifejezés alapján számítható.

Higroszkópos páratartalom meghatározás

A módszer olyan nedvszívó (higroszkópos) anyagokat használ, melyeknél a nedvességtartalom változásával valamilyen tulajdonságuk (pl. elektromos vezetőképesség, méret, stb.) jól mérhetően megváltozik. Az elektromos paraméterek változását érzékeljük a páratartalomtól függő ellenállások ill. kapacitások esetén. A páratartalom-mérő ellenállások anyaga higroszkópos szilárd vékonyréteg vagy telítetlen oldat. A páratartalomtól függő kapacitások esetében a kondenzátorlemezek közötti szigetelő dielektromos állandója változik a nedvesség hatására. A "hajszálas higrométerek"-nél zsírtalanított hajszál vagy juhbél hosszúságának nedvességtartalom-függését használják ki. A "rezgő kvarcos" érzékelőknél a kvarckristályra felvitt higroszkópos anyag tömege és ezzel a kristály sajátfrekvenciája változik a nedvességtartalom függvényében.

Mérési feladatok

• A mérés elvégzéséhez és a mérési napló elkészítéséhez a dőlt betűs részekben adunk segítséget.

1. Határozza meg a levegő abszolút és relatív nedvességtartalmát a harmatpont mérésével! A harmatpontot az elméleti bevezetőben leírtak alapján határozza meg. Legalább 5 mérést végezzen. A mérés során ventillátorral áramoltasson friss levegőt. A környezeti hőmérséklet alapján határozza meg a relatív páratartalmat

2. Határozza meg a levegő abszolút és relatív nedvességtartalmát August-féle pszichrométerrel! A levegő áramoltatását biztosító ventillátort a hőmérőktől kb. 1 m távolságban állítsa fel! Vesse össze eredményét az 1. mérésből számított relatív nedvességtartammal! Ha a harmatpont-vizsgálatot tekintjük megbízhatónak, mennyi lesz az August-féle módszer parciá-lis gőznyomás egyenletében az empirikus arányossági tényező helyes értéke?

A Pt ellenállás-hőmérő ellenállása és a telitett vízgőz tenziója a hőmérséklet függvényében