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 tech-nológiai folyamatok szempontjából; bizonyos anyagok tá-rolása, technológiai folyamatok elvégzése csak adott ned-vességtartalom mellett lehetséges. A levegő nedvességtar-talmának ismerete különös jelentőséggel bír. A levegő, mint nedves környezet befolyásolja az anyagok tulajdon-ságait, és élettani hatást fejt ki az élővilágra. A levegő nedvességtartalmának mérésével kapcsolatban elmondot-tak más gázokra is vonatkoztathatóak. A levegőnek mindig van bizonyos vízgőz- vagy pára-tartalma, azaz nedvessége. A levegő páratartalmának egyik jellemzője az abszolút páratartalom ( f). Az abszo-lút páratartalom az egységnyi térfogatban levő vízgőz tö-mege

,					  (1)

ahol V a vizsgált levegő térfogata, és m a benne levő víz-gőz tömege. Mértékegysége g/m3. A levegő adott hőmérsékleten csak egy adott határig, képes vízgőzt felvenni. Ez az ún. "telítési páratartalom" (fo), melynél a vízgőz termodinamikai egyensúlyban van a folyadék fázissal. Ha mo az a víztömeg, amely az adott hőmérsékleten a V térfogatú levegőt telítetté teszi:

.					  (2)

A telítési páratartalom hőmérsékletfüggő. A relatív páratartalom () a levegőben levő abszolút páratartalom és az adott hőmérséklethez tartozó telítési páratartalom hányadosa:

.					  (3)

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

,				  (4)

ahol p a parciális nyomás, V a térfogat, T a hőmérséklet, m a víz tömege, M a mólsúly, R pedig az általános gázállan-dó. Az egyenletet átrendezve a

					  (5)

kifejezést kapjuk. Látható, hogy a vízgőz parciális nyomá-sa (p) és az abszolút páratartalom (m/V) között arányosság áll fenn. Így a relatív páratartalom kifejezhető a parciális vízgőznyomás és az adott hőmérséklethez tartozó telítési nyomás (p0) segítségével is:

.				  (6)

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 tarto-zó telítési páratartalmat. Ez a hőmérséklet a harmatpont (). A harmatpont ismerete lehetővé teszi a levegő abszo-lút páratartalmának a meghatározását. A gázok páratartalmának mérésére alkalmas eljáráso-kat a levegő esetén alkalmazott módszerek bemutatásával ismertetjük. Gyakorlati szempontból a különféle gázok közül leg-inkább a levegő páratartalmának az ismerete fontos. Az alábbiakban néhány, a levegő nedvességtartalmának mé-résére alkalmas módszert ismertetünk.

2. Nedvességtartalom mérésére szolgáló módszerek

2.1 A levegő abszolút nedvességtartalmának meghatáro-zása

Az eljárás lényege, hogy ismert térfogatú (V) levegőt áramoltatunk keresztül ismert tömegű (m1) nem párolgó nedvszívó anyagon. Az utóbbi a levegő nedvességtartal-mát megköti, ami megnöveli a nedvszívó anyag tömegét (m2). A tömegek és a térfogat ismeretében az abszolút pá-ratartalom kiszámítható:

.					  (6)

2.2 Nedvességmérés harmatpont meghatározással

A harmatpontra való hűtés során a telítetlen levegő te-lítetté válik és megindul a kicsapódás. Ennek megfigyelé-sével a harmatponthoz tartozó hőmérséklet meghatározha-tó. Minthogy a harmatponton az abszolút és telítési pára-tartalom 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 ad-dig hűtjük, amíg kicsapódás nem észlelhető. A kicsapó-dáshoz tartozó hőmérsékletet megmérjük, majd a (nagy pontossággal ismert) telítési páratartalom adatokból kike-ressük a hozzá tartozó értéket, ami a vizsgált levegő ab-szolút páratartalmát (m) adja. Ha ismert a vizsgált levegő kezdeti hőmérséklete is, a hozzá tartozó telítési páratarta-lomból (mo) és m-ből a relatív páratartalom számítható. Az egyszerűbb harmatpontos páratartalom mérőknél egy tükör felületét gyorsan párolgó folyadék segítségével hűtik. Ilyen a Lambrecht-féle higrométer, melynek fő al-kotórésze 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 sebességé-vel 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 csökkentjük. (Ezzel redukál-ható a folyadék és a tükör közti hőmérsékletkülönbség.) Amikor a pára a tükrön megjelenik, megszüntetjük a páro-logtatást. Ennek eredményeként a tükör újra felmelegszik, és a pára eltűnik a felületről. A harmatponti hőmérsékletet jól közelíthető a pára megjelenéséhez és eltűnéséhez tar-tozó 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 tü-körrel van hőkontaktusban, a másik (meleg) csapvízzel van temperálva. Az eszközzel 0 °C és 30 °C közötti hő-mérsékletre lehet lehűteni a tükröt. A Peltier-elem működ-tetésére szabályozható egyenfeszültségű tápegység szol-gál. Hűtésnél a tápegység + pólusához a Peltier-elem piros kivezetését kapcsoljuk. Felmelegítésnél általában elegen-dő a tápegység kikapcsolása, a tükröt a környezet melegíti fel. A szobahőmérsékletről történő hűtés során a tápegy-ség 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 ellenál-lás-hőmérő segítségével mérjük, a hőmérsékletet az alábbi képlettel számítjuk:

			  (7)

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 tápegység-ről 1,4 V értékűre állítjuk (ekkor az ellenállás értéke kb. 100 kΩ). A tükrön a nedvesség rácsapódását és elpárolgá-sát 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 koordiná-ta-rendszerben ábrázoljuk (a vízszintes tengely a hőmér-séklet, a függőleges tengely az optikai jel). Megfigyeljük a töréspont ellenállásértékét, majd a (7) képlettel számítható a harmatpont. A Pt ellenállás-hőmérő ellenállását és a telített vízgőz tenzióját a hőmérséklet függvényében az 1. táblázat tar-talmazza.

2.3 Pszichrometrikus mérési módszer

Az August-pszichrométerrel végzett mérés azon ala-pul, hogy a párolgás sebessége függ a gáztérben levő víz-gőz 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 gyor-san, majd lassabban változik, végül (néhány perc múlva) állandósul. A nedvesített hőmérő nem a harmatpont hő-mérsékletét mutatja, mivel a harmatponton a párolgási se-besség nulla. Egy, a harmatpontnál magasabb hőmérsékle-tet kapunk, melyet korrigálni kell ahhoz, hogy a harmat-pontnak megfelelő értéket kapjuk. A vízgőz p parciális nyomását a

,			  (8)

empirikus összefüggés adja meg, ahol pB a nedvesített hőmérő tB hőmérsékletéhez tartozó telített vízgőz nyomá-sa, b a barométerállás és tA a száraz hőmérő állása (a nyo-más és a barométerállás torr egységekben értendő). A le-vegő relatív nedvességtartalma a (6) kifejezés alapján számítható.

2.4 Higroszkópos páratartalom meghatározás

A módszer olyan nedvszívó (higroszkópos) anyagokat használ, melyeknél a nedvességtartalom változásával va-lamilyen tulajdonságuk (pl. elektromos vezetőképesség, méret, stb.) jól mérhetően megváltozik. Az elektromos paraméterek változását érzékeljük a pá-ratartalomtól függő ellenállások ill. kapacitások esetén. A páratartalom-mérő ellenállások anyaga higroszkópos szi-lárd vékonyréteg vagy telítetlen oldat. A páratartalomtól függő kapacitások esetében a kondenzátorlemezek közötti szigetelő dielektromos állandója változik a nedvesség ha-tására. A "hajszálas higrométerek"-nél zsírtalanított hajszál vagy juhbél hosszúságának nedvességtartalom-függését használják ki. A "rezgő kvarcos" érzékelőknél a kvarckristályra fel-vitt higroszkópos anyag tömege és ezzel a kristály saját-frekvenciája 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 nedvességtartal-mát a harmatpont mérésével! A harmatpontot az elméleti bevezetőben leírtak alapján hatá-rozza 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 nedvességtartal-mát 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 ténye-ző helyes értéke?

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