Vlhkost vzduchu a její měření

Fyzikální základy

Pojmem vlhký vzduch se rozumí směs suchého vzduchu a vodních par. Někdy je voda ve vzduchu obsažena též ve zkondenzované formě - vodních kapičkách (mlhový vzduch), eventuelně krystalcích ledu. Voda je v tomto případě ve dvou fázích, jde tedy o heterogenní směs, množství vody v kapalné či pevné fázi lze zjistit pouze měřicími metodami založenými na separaci vody ze vzduchu (kondenzací, absorpcí) nebo po úpravě vzduchu (ohřátí). V dalším výkladu nebudeme tento komplikovanější případ uvažovat.

Svými vlastnostmi se vzduch (jak suchý tak vlhký) blíží ideálnímu plynu, pro který platí rovnice stavu a Daltonův zákon. Daltonův zákon říká, že ve směsi plynů se každá složka chová tak, jako by daný prostor za stejných podmínek vyplňovala sama a to při svém parciálním (částečném, dílčím) tlaku. Druhým aspektem Daltonova zákona je, že úhrnný tlak směsi (z termodynamického hlediska jde o statický tlak) je dán součtem parciálních tlaků všech složek. V našem případě tak můžeme říci, že statický tlak vlhkého vzduchu je roven součtu parciálního tlaku suchého vzduchu p_a a parciálního tlaku vodních par p_v.

Množství vodních par ve vzduchu nazýváme vlhkost vzduchu. Lze jí vyjádřit různým způsobem. Hmotnost vodních par m_v vztažená k objemu vzduchu V se nazývá absolutní vlhkost:

je to vlastně hustota (samotných) vodních par. Poměr hmotnosti skutečného obsahu vodních par k hmotnosti vodních par nasyceného vzduchu m_v" je relativní vlhkost:

(pozn.: symbol " se používá pro označení veličiny vztahující se k sytým vodním parám). Ve vzduchotechnických výpočtech se používá měrná vlhkost, což je hmotnost vodních par vztažená na hmotnost suchého vzduchu:

Dalšími veličinami je teplota rosného bodu, která je dána ochlazením vzduchu až na stav sytosti a teplota mokrého teploměru, což je teplota mezního adiabatického ochlazení (tj. ochlazení na stav sytosti odpařováním vody bez přívodu či odvodu tepla).

Dilatační hygrometry

Měřicím principem je změna rozměru některých organických látek vlivem vlhkosti. Tyto látky absorbují vodu v závislosti na relativní vlhkosti okolního vzduchu a změnou obsahu vody dilatují. Dilatace se přenáší mechanismem na ukazatel. Používají se lidské vlasy, živočišné blány, nebo syntetické organické látky. Nejběžnějším je vlasový hygrometr používaný hlavně v přístrojích pro laiky (pokojový hygrometr) a v meteorologii (zapisovací hygrograf). U hygrografu pisátko ovládané vlasovým (případně blánovým) čidlem zapisuje průběh na pás papíru posunovaný hodinovým strojem. Nevýhodou dilatačních hygrometrů je kromě velké nelinearity nutnost časté regenerace, která spočívá ve vystavení čidla po dobu několika hodin vysoké vlhkosti blížící se stavu nasycení. U přístrojů umístěných v místnostech většinou nelze pravidelnou regeneraci zajistit a hygrometr pak neukazuje správnou hodnotu. V meteorologických aplikacích dochází k regeneraci samočinně při nočním poklesu teploty (při kterém dojde ke zvýšení relativní vlhkosti, často až k rosnému bodu).

Odporové a kapacitní hygrometry

Lithiumchloridový hygrometr s kapalným elektrolytem: na nevodivé trubičce je nasazena tkanina obsahující dvojici drátkových elektrod bifilárně ("rovnoběžně") navinutých. Tkanina je napuštěna vodným roztokem LiCl, elektrody jsou připojeny ke zdroji (střídavého) proudu, který svým průchodem elektrolyt zahřívá. Zvýšením teploty se odpařuje voda z elektrolytu, čímž se zmenší jeho vodivost, klesá proud a tím i teplota. Při poklesu teploty elektrolytu dochází naopak k absorpci vodní páry, zvyšuje se vodivost a se zvětšováním proudu roste opět teplota. Rovnovážný stav obsahu vody v elektrolytu závisí na teplotě elektrolytu, která je pak funkcí parciálního tlaku vodních par v okolním vzduchu. Teplota se měří čidlem zasunutým v trubičce, přístroj z ní vyhodnotí vlhkost.

Hygrometr s tuhým elektrolytem Al₂O₃ je tvořen jednou hliníkovou elektrodou s vrstvičkou Al₂O₃ a druhou elektrodou z napařené tenké vrstvičky zlata propustné pro vodní páry. Absorpcí vody do elektrolytu se mění elektrický odpor, z něhož je pak vyhodnocena vlhkost.

Kapacitní hygrometr je postaven na principu kondenzátoru s dielektrikem z polymeru, který má hygroskopické vlastnosti. Jedna z elektrod je provedená tak, že umožňuje vodním parám z okolního vzduchu difundovat do polymeru. Polymer absorpcí vody mění své dielektrické vlastnosti, tím se mění i kapacita kondenzátoru, ze které se vyhodnotí vlhkost.

Čidla na principu hygrometru s tuhým elektrolytem nebo kapacitního hygrometru používá většina běžných elektronických přístrojů pro měření vlhkosti vzduchu, přístroje zároveň měří i teplotu vzduchu, někdy bývají kombinované i s měřením dalších veličin.

Pro samostatný záznam časového průběhu vlhkosti (a teploty) vzduchu lze sice použít výše zmíněného hygrografu (termohygrografu), šikovnější jsou však miniaturní elektronické záznamníky vlhkosti a teploty - tzv. dataloggery, které pojmou do paměti rozsáhlá data. Zaznamenaná data se ke zpracování přenesou ze záznamníku do počítače.

Psychrometry

Psychrometrický způsob zjištění vlhkosti je založen na měření tzv. mezního adiabatického ochlazení - realizuje se jako ochlazení teploměru obaleného punčoškou, která je nasáklá destilovanou(!) vodou, v proudu vzduchu. Takto upravený teploměr se nazývá mokrý teploměr. Ochlazení je závislé na rozdílu parciálních tlaků sytých vodních par v mezní vrstvě nad hladinou vody v punčošce (je to tedy parciální tlak sytých par při teplotě na které se ustálí mokrý teploměr) a parciálního tlaku vodních par v okolním vzduchu:

kde: Δt [K] je psychrometrický rozdíl teplot, t je teplota vzduchu, zde je zvykem jí nazývat teplota suchého teploměru - je měřena neupraveným, tedy suchým teploměrem, t_m je teplota mokrého teploměru, p"_vm [Pa] je parciální tlak syté páry při teplotě mokrého teploměru, p_v [Pa] je parciální tlak vodních par ve vzduchu, A [1/K] je psychrometrický součinitel, p [Pa] je statický tlak vzduchu v místě měření. Psychrometrický součinitel je pro rychlost proudění větší než 3 m/s konstantní - roven hodnotě 662.10^-6 1/K, při nižších rychlostech se značně mění. Potřebná rychlost proudění je zajištěna jen u nuceně větraných - aspiračních psychrometrů.

Psychrometr obsahuje suchý a mokrý teploměr, kolem teploměrů je prosáván měřený vzduch. Ventilátorek zabezpečující aspiraci je poháněn buď hodinovým strojkem (Assmannův psychrometr) nebo elektromotorkem. Teploměry musí být chráněné proti sálání. Ze změřených teplot suchého t a mokrého teploměru t_m lze spočítat z upravené předchozí rovnice parciální tlak vodních par:

Nebo s použitím Mollierova diagramu odečíst parciální tlak vodních par, měrnou vlhkost či relativní vlhkost.

Určení vlhkosti z teploty mokrého a suchého teploměru

U elektronických přístrojů založených na psychrometrické metodě provede výpočet vlhkosti vyhodnocovací elektronika.

Vlhkoměry na principu rosného bodu

Princip spočívá ve snímání změny odrazivosti kovového ochlazovaného zrcátka při jeho orosení. Zrcátko odráží paprsek z LED diody do snímače, při orosení zrcátka dojde ke snížení světelného toku, které je vyhodnoceno elektronickým obvodem. Obvod řídí ochlazování zrcátka Peltierovým článkem tak, aby se teplota ustálila na hranici orosování. U jiného provedení přístrojů je paprsek LED diody odrážen proti tmavé ploše, při orosení dojde naopak ke zvýšení množství světla dopadajícího do snímače, princip řídícího obvodu je obdobný. Méně výhodný způsob je zjišťování okamžiku orosení elektrodami. Protože parciální tlak vodních par nad hladinou (kapalné) vody je jiný než nad ledem, musí přístroj vyloučit ojínění. Z teploty okolního vzduchu t a teploty rosného bodu (zrcátka) t_r pak přístroj vypočte vlhkost. Vlhkost lze na základě těchto dvou teplot stanovit i ručně. - odečtením z Mollierova diagramu.

Určení vlhkosti z teploty rosného bodu

Kondenzační metoda

U této metody se vzorek vzduchu prosaje přes chladič, kde dojde ke kondenzaci větší části vodní páry. Hmotnost vodních par v původním vzorku se zjistí jako součet hmotnosti vody, která zkondenzovala v chladiči a hmotnosti vodní páry, která v plynu zůstala. Za chladičem je vodní pára v sytém stavu, její parciální tlak je závislý pouze na teplotě za chladičem. Hmotnost vodní páry, která v plynu zůstala se spočte ze vztahu:

kde: V [m] je objem vzorku, p"_v [Pa] je parciální tlak syté páry za chladičem, T [K] je teplota za chladičem, r_v = 461,5 J/kg.K je plynová konstanta vodní páry..

Kondenzaci vodní páry v chladiči lze též nahradit jejím pohlcováním - absorpcí do sušicí látky. Vyhodnocení vlhkosti je analogické, za absorbérem však není vodní pára v sytém stavu, ale o určitém parciálním tlaku p_v.

Literatura:

Ďaďo, S., Kreidl, M.: Senzory a měřicí obvody, ČVUT Praha 1996
Horák, Z., Krupka, F., Šindelář, V.: Technická fysika, SNTL Praha 1960
Chyský, J.: Vlhký vzduch, SNTL Praha 1977
Jenčík, J. a kol.: Technická měření ve strojnictví, SNTL Praha 1982
Jenčík, J., Volf, J.: Technická měření, ČVUT Praha 2003
Matuška, T. a kol.: Experimentální metody v technice prostředí, ČVUT Praha 2005