Одиниця виміру вологості. Загальні відомості. одиниці виміру вологості газів

Вологість повітря є одним з параметрів (поряд з температурою і тиском), які визначають самопочуття людини і умови комфорту або дискомфорту. Разом з тим вологість технологічних газів (повітря, азот, аргон, кисень, водень і т. Д.), Які використовуються в різних галузях промисловості і сільського господарства вирішальним чином впливає на якість (а часто і кількість) продукції, що випускається. Тому завдання вимірювання вологості газів є досить поширеною і актуальною. У даній роботі ми досить коротко розглянемо основні терміни і величини, які використовуються в гігрометри, методи вимірювання вологості і деякі проблеми і помилки виникають при цьому.

ОДИНИЦІ ВИМІРУ ВОЛОГОСТІ ГАЗІВ

Для кількісної оцінки вологості газів використовується цілий ряд показників, причому в певних областях науки і техніки знаходять переважне застосування ті чи інші з них. Найбільш часто з них використовуються наступні одиниці: відсотки відносної вологості, температура випадання роси (в градусах Цельсія), абсолютна вологість (в г / м 3), об'ємне влагосодержание (в об'ємних відсотках або мільйонних частках - ррm). Між цими одиницями існує взаємозв'язок яка в загальному вигляді може бути виведена з рівняння стану Менделєєва-Клапейрона. Детально ці співвідношення розглянуті, наприклад в монографії [I]. Для перекладу різних одиниць вологості з однієї в іншу існують також спеціальні гігрометріческіе таблиці (розраховані на підставі математичних виразів). Все гігрометріческіе величини можна розділити на кілька груп.

I. До величинам характеризує концентрацію водяної пари відносяться:

1. Абсолютна вологість а (зазвичай виражається в г / м 3), тобто маса водяної пари, що міститься в одиниці об'єму газу.

2. Гнучкість або парціальний тиск водяної пари е, виражається в одиницях тиску - мм рт. ст., або миллибарах. При певній температурі Т значення величини пружності водяної пари можуть змінюватися в межах від 0 до максимального значення Е - характеризує повне (максимальне). насичення газу парами води. (Правда для пересичені газу можливо е\u003e Е).

II. До величинам характеризує вологості отношенія.относятся:

3. Влагосодержание (відношення суміші) d, тобто відношення маси водяної пари до маси сухого газу в тому ж обсязі, виражене в безрозмірних одиницях (г / г або кг / кг). Цю величину можна також розглядати як відношення щільності водяної пари до густини сухого газу в однакових умовах. Рідше використовується відношення маси водяної пари до маси (сумарною) вологого газу, зване питомої вологістю - q, яке виражається в тих же одиницях, що і вологовміст.

4. Об'ємне влагосодержание х (безрозмірна величина) дорівнює відношенню обсягу водяної пари до обсягу газу. Також як і в попередньому випадку цю величину можна виразити по відношенню до обсягу сухого (х 0) або вологого газу (х) .Влагосодержаніе і об'ємне влагосодержание зазвичай використовують для характеристики дуже малих змістів водяної пари. В цьому випадку зручною одиницею виміру є мільйонна частка - млн-1 або в міжнародному позначенні - ррт (скорочення за першими літерами від part per million). Природно при цьому 1 ppm = 10 -6 = 10 -4%. У технічній літературі цю одиницю виміру вмісту вологи часто позначають ррmw (т. Е. Масова або вагова), частку об'ємного вмісту вологи ppmv (т. Е. Об'ємна).

5. Молярна частка водяної пари s, дорівнює відношенню числа молей водяної пари до загальної кількості молей вологого газу.

III. Температура точки роси.

6. За визначенням Всесвітньої Метеорологічної Організації (ВМО), термодинамічна температура точки роси (льоду) вологого повітря при тиску р і відносно суміші d є температура, при якій вологе повітря, насичений по відношенню до води (льоду) при тому ж тиску р, має відношення суміші, що дорівнює даним відношенню суміші d. Отже, точка роси (льоду) дорівнює температурі, яку прийме вологий газ, якщо охолодити його ізобаріческі до повного насичення по відношенню до плоскої поверхні води (льоду). При одному і тому ж стані вологого повітря, у якого точка льоду< О, точка росы всегда ниже точки льда.

З технічної точки зору - температура точки роси це температура при якій на охолоджуваної поверхні дзеркала випадає конденсат (т. Е. «Роса»).

IV. Відносна вологість.

7. Відносна вологість дорівнює відношенню дійсної вологості газу до його максимально можливої ​​вологості, відповідної насиченню при даній температурі. Отже ця величина характеризує ступінь насичення газу водяною парою. Величина абсолютної вологості при постійній відносній вологості є функцією температури. А при однаковому значенні абсолютної вологості, але різної температурі, (що має місце при надходженні повітря з вулиці в приміщення) газ має різні значення відносної вологості. Відносна вологість виражається у відносних одиницях (0<отн.влажность<1) или, чаще, в процентах (Q <отн.влажность <100%). Её можно вычислить с помощью различных, ранее рассмотренных единиц влажности. На практике для вычисления отн.влажности чаще всего используют значения упругости насыщенного пара Е, полученные из справочных таблиц или диаграмм. При температурах ниже 0°С эту величину можно определять для водяного пара в равновесии с водой или льдом. Общепринятым является определение относительной влажности при любых температурах по Ед.

У таблиці 1  наводяться формульні співвідношення різних одиниць вологості, а   в таблиці 2  наведені чисельні співвідношення різних одиниць вологості при 20 ° С. У більшості випадків всі ці співвідношення виводяться з рівняння Менделєєва-Клапейрона. При цьому виходять з того, що при звичайних температурах і тисках вологі газові суміші і повітря, а також їх компоненти з точністю, достатньою для більшості практичних завдань, підпадають під дію законів ідеальних газів.

Найбільш складний вид має залежність пружності насиченої водяної пари від температури. Всесвітня метеорологічна організація рекомендує використовувати в якості найбільш точної для води наступну формулу при температурах від -50 до + 100 ° С.

lgE в   = 10,79574 (l-T o / T) -5,028001g (T / T o) + i, 50475.10-4 +

0,42873.10-3 + 0,78614

У цій формулі Од виражено в миллибарах. На практиці зазвичай користуються розрахованими за цією формулою таблицями. Частина з них наведена в таблиці 3.

Методи контролю вологості досить докладно викладені в монографіях.

Тепер коротко розглянемо деякі проблеми, які можуть виникнути при вимірах відносної вологості за допомогою приладу ІВТМ-7.

При вимірах вологості в приміщеннях слід пам'ятати, що повітря в приміщення в основному надходить з вулиці. При цьому часто, .Особливо взимку, температура на вулиці і в приміщенні відрізняються. У прогнозі погоди переданому по радіо або телебаченню вказуються температура і відносна вологість повітря (природно на вулиці). Відносна вологість дорівнює відношенню дійсної вологості газу до його максимальної можливої ​​вологості, відповідної насиченню при даній температурі.

Як приклад можна розглянути таку ситуацію: температура повітря на вулиці -10 ° С, відносна вологість 99%, температура повітря в приміщенні при цьому + 20 ° С. В цьому випадку відносна вологість повітря в приміщенні буде 11% (!). На практиці 99% -ва (або 100% -ва) вологість буває досить рідко, зазвичай вона нижче - в цьому випадку в кімнаті вологість буде ще нижчою! Тому взимку в приміщеннях зазвичай сухо. Звичайно в приміщенні можуть бути свої внутрішні джерела вологи - ємності з водою (наприклад, акваріум), киплячий чайник, люди - які видихають повітря насичене парами води і т. Д. Або кондиціонер.

Влітку, коли різниця між температурою на вулиці і в приміщенні, зазвичай не дуже велика - вологість в приміщенні може бути досить високою. Однак при цьому також необхідно враховувати різницю температур між вулицею і приміщенням. Часто може спостерігатися ситуація коли приміщення з сонячної сторони прогрівається до 30 градусів і вище, а на вулиці температура 17-18 ° С, або протилежна ситуація коли на вулиці на сонці температура може досягати 35 ° С, а в напівпідвальному приміщенні прохолодно (ті ж 18 ° С) і при цьому, природно більш волого ніж на вулиці.

Слід також пам'ятати, що будь-який прилад (і в тому числі ІВТМ-7) вимірює вологість безпосередньо в місці розташування вимірювального зонда. У той же час навіть в невеликому за розмірами приміщенні вологість в різних точках може істотно відрізнятися (до 20 - 30%). Це відбувається через вже згаданих локальних джерел вологи (або її поглиначів) і існування слабких конвекційних потоків (протяги і т. П.). Для точних вимірювань вологості необхідно, щоб встановилося термодинамічна рівновага між температурою вимірюваного повітря і температурою сенсора, тобто потрібно щоб спочатку точно встановилася температура показується приладом і після цього можна зчитувати показання вологості.

Для приблизної оцінки рівня вологості при тій чи іншій температурі можна скористатися наведеній нижче таблицею 2  співвідношення різних одиниць вологості при температурі 20 ° С. (Для прикладу Ви можете взяти вищезгаданий випадок для температури -10 ° С).

література

1. М. А. Берлінер - Вимірювання вологості. с. 199-207 (м, "Енергія", 1973 г.)

2. Дж. Мітчелл, д. Сміт Акваметрія (переклад з англійської), М., Хімія, 1980 г., 600 с.

У пірометрії об'єктами вимірювання є містять вологу (вологі) гази, повітря і газові суміші. Вологий незабруднене повітря можна розглядати як бінарну суміш сухого повітря і водяної пари, для якої характерні зміни вмісту водяної пари в дуже широких межах (для атмосферного повітря від 2-Ю-6 до 4-5% об'ємних). критичні температури тк  всіх газів, що входять до складу атмосферного повітря, дуже низькі. Як відомо, при температурі вище критичної ( Т\u003e ТК) Газ може знаходитися тільки в газоподібному стані при будь-яких значеннях тиску. Чим вище температура газу в порівнянні з критичної і чим менше його тиск в порівнянні з тиском насичення, тим ближче газ за своїми фізичними властивостями до ідеального газу. Тому при звичайних температурах і тисках вологі газові суміші і повітря, а також їх компоненти з точністю, достатньою для більшості практичних завдань, підпадають під дію законів ідеальних газів:

А) 4 закону парціальних тисків Дальтона:

Р = £  Pi.

Де р - загальний тиск газу; K  - загальне число компонентів суміші ідеальних газів; рt - парціальний тиск £ -го компонента.

Згідно з цим законом повне (барометричний) тиск повітря:

де   рс,Є -   Парціальний тиск, відповідно сухого повітря і водяної пари.

Б) рівняння стану ідеального газу: PiVi= RiTi,

Де Рі Vi, Ті - тиск, об'єм і термодинамічна температура (° К) газу; Ri - питома газова стала і-го газу.

Питома газова стала пов'язана з універсальної газової постійної R  співвідношенням Ri= R/ Mi (МІ - молекулярна маса і-го газу). Значення питомої газової сталої рівні: для сухого повітря Rc = 287  м2 / (с 2 ■ град),  для водяної пари Ru = =461  м2 / (с 2 град),  для вологого повітря RB  залежить від його вологості.

Насправді повітря і газові суміші являють собою неідеальні гази, відхилення властивостей яких від властивостей ідеального газу в загальному збільшується з пониженням температури і підвищенням тиску. Рівняння стану чистого реального газу можна записати у вигляді (Л. 6-1]

PV/ RT = Z (p, Т),

де Z  - коефіцієнт стисливості, який є функцією тиску »р і температури Т. Цю функцію описує вириальне рівняння стану:

PV / RT = 1   + BIV + CIV2 + p / V3 +

де   В, С,D  - відповідно другий, третій, четвертий і т. Д. Ви - ріального коефіцієнти, що характеризують відхилення від рівняння стану ідеального газу внаслідок взаємодії між парами, трійками, четвірками і т. Д. Молекул. коефіцієнти   В,  С, D  ... є функціями тільки температури Т і хімічної природи даного газу; їх визначають теоретичним розрахунком або експериментом. Характеристики вологого повітря, розраховані по віриалів рівняння, мають відхилення від значень, отриманих для ідеальних газів; в звичайних умовах Еги відхилення незначні.

Деякі величини, що характеризують вологість газів (гигро - метричні характеристики), пов'язані з пружністю насичення (максимальної пружністю) Е, яка характеризує стан насичення газу водяною парою. При температурах нижче критичної (для води Ти = 647,30 ° К = + 374,15 ° С) вода може міститися в газі в трьох фазах: рідкої, газоподібної (у вигляді водяної пари) і твердої (лід). Потрійна точка води на фазовій діаграмі, відповідна рівноваги всіх трьох фаз, має координати   тв == 273,16 ° К (fc = + 0,01 ° C) і ро = 610,6   н / м2 (6,1114  мбар).  У цій точці пружність насичення над водою і льодом однакова і дорівнює   рв-  Для гігрометри важливо те, що при температурах нижче   Т0  водяна пара може перебувати в динамічній рівновазі з водою або з льодом. При цьому значенні температури   Т<То   доводиться розглядати насичення щодо води та щодо льоду, причому значення максимальної пружності водяної пари щодо плоскій поверхні чистої переохолодженої води (£ ") більше цієї пружності щодо чистого льоду   (Ел),  т. е.   ЕВ\u003e Е ".

пружності насичення   єв  і   їв  є функціями температури   Т  і тиску   р  газу; при тисках нижче 10   кгс / см2  їх можна розглядати як функції однієї змінної Т. Для опису функцій   ЕВ (7 *) і   Їв (Т)  були запропоновані численні формули.

Деякі з них засновані на рівнянні Клаузиуса - Клапейрона, яке для переходу Водач ^ водяна пара має вигляд:

DEL dT _ L dT E ~ ARn T2 k Ts "

де L  - питома прихована теплота "пароутворення; K= ARu  - постійна (Л - термічний еквівалент роботи, Rn  - питома газова стала водяної пари).

Е L / 1 1

де   єв  - пружність насичення при температурі   Т0.  Більш точна формула враховує залежність L від температури /:

£ = £ про + (Срп-сб) /,

де   Лс- "Значення L  - при i / = 0 ° C; Cv„   - питома теплоємність водяної пари при постійному тиску; св - питома теплоємність води. Величини Срп і сі можна вважати ие залежними від температури.

Формулу (6-1)

Можна застосувати н для обчислення / ".\u003e: За умови заміни в ній L  на Lc  - питому приховану теплоту сублімації (переходу: лід ^ водячи пар).

На практиці зазвичай користуються емпіричними залежностями Е (Т).  Одна з найбільш поширених. (Формула Магнуса) має наступний вигляд:

At

Е =  Ј0106 + ",

де T  - температура, ° С; a, B  - постійні, мають неоднакове значення для   ЕЕ і   ЕЛ.

Значення постійних о, Ь, а також ряд інших емпіричних формул для розрахунку £ в і   їв наведені в | [Л. 0-9]. Всесвітня метеорологічна організація (ВМО) рекомендувала в 1961 р в якості найбільш точних наступні формули:

6. За визначенням, прийнятим іВМО, термодинамічна температура точки роси (льоду) Тв (ТЛ) вологого повітря при тиску   р  і відносно суміші D  є температура, лрі якої вологе повітря, насичений по відношенню до води (льоду) при тому ж тиску р, має відношення - суміші, що дорівнює даним відношенню суміші D. Отже, точка роси "(льоду) дорівнює температурі, яку прийме вологий газ, якщо охолодити його ізобаріческі до повного насичення по відношенню до - плоскій поверхні води (льоду). При одному і тому ж стані вологого повітря, у якого тл<0°С, точка росы всегда ниже точки льда тв<тл.

Г) Відносна вологість

7. Відносна вологість ср дорівнює відношенню дійсної вологості газу до його максимальної можливої ​​вологості, відповідної насиченню при даній температурі. Отже, величина ф характеризує ступінь насичення газу водяною парою і в зв'язку з цим застосовується в багатьох галузях науки і техніки. Величина абсолютної вологості при постійній відносній вологості є функцією температури. Відносна вологість виражається у відносних одиницях (O ^ "tp ^ l) або у відсотках (0 ^ ф ^ 100%) - Її можна обчислити за допомогою різних, розглянутих вище характеристик вологості. За останнім визначенням ВМО відносна вологість (ФВ) виражається відношенням молярної частки водяної пари досліджуваного повітря до молярної частки при насиченні повітря по відношенню до води (льоду) при тих же значеннях температури і тиску. Крім того, значення<р можно вычислить по отношениям следующих ве­личин для исследуемого и насыщенного воздуха: абсо­лютной влажности  а,  пружності   е,  відносини суміші d і питомої вологості Q.   Відповідні чисельні значення (позначимо їх фа, фе, (Pd,   Фс) будуть дещо відрізнятися один від одного. Відносна вологість пов'язана з температурою точки роси т і температурою газу t (t ^ r) співвідношенням

Де Ет - пружність насиченої пари при температурі т; Et  - пружність насиченої пари при температурі t. На практиці для обчислення відносної вологості найчастіше використовують значення пружності насиченої пари Е, отримані з довідкових таблиць або діаграм. Надалі, якщо не буде особливих застережень, приймемо:

V,%\u003e =? ■%\u003e = - §- 100 = ҐS100.

При температурах нижче - О ° С цю величину можна визначати для водяної пари в рівновазі з водою (<рБ) или льдом (фл). Так как"для одной и той же температу­ры  Її\u003e Ел,  то завжди ФВ ^ фл - Загальноприйнятим є визначення - відносної вологості -при будь-яких температурах по   єв;  нижче, при відсутності застережень, мається на увазі Ср = ф'-

Наведений перелік не охоплює деяких менш уживаних величин, наприклад: дефіцит вологості D  (Недолік - насичення) -різницю (при даному стані газу) максимальної можливої ​​і дійсної пружності - газу D= E-Є,   причому щодо вибору величини Е залишаються\u003e B  силі міркування, висловлені для відносної вологості; дефіцит точки роси - різниця температур газу і його точки роси; обложений шар води - див. § 9-2. Однак наявність навіть ше- сти-семи характеристик, виражених різними одиницями виміру, - викликає суттєві незручності. Зокрема, ця обставина перешкоджає уніфікації гігрометрів - існуючі прилади мають шкали, градуйовані в різних одиницях.

■ Тому цілком закономірні спроби скорочення числа "гігрометріческіх характеристик і виділення однієї з них в якості основної (базової). Критеріями для порівняльної оцінки різних характеристик є простота розрахунку або отримання" даних, можливість створення інструментальних засобів вимірювання і область застосування, зокрема наявність додатків, де ця характеристика є єдино можливою. Найважливіша якість характеристики - її консервативність, т. Е. Збереження. при - різних процесах. З цієї точки зору в США в якості базової величини вибрано відношення суміші D.   При користуванні цією характеристикою відпадає необхідність вказівки температури і тиску - газу, при яких визначалося значення D.   Крім того, пропонувалося "[Л. 6-3] зберегти відносну вологість і точку роси. Останні дві характеристики дозволяють обчислити і пружність водяної пари.

Залежності, що зв'язують різні гігрометпіче - ські характеристики, легко вивести на основі властивостей ідеального газу. Г1пі цьому перехід від параметрів газу   , рГТ  до   рв,  тв  виконується з умови:

V "= V - - їг-. Наприклад, значення абсолютної вологі - Аі I

Сті, віднесене-к газу при Г0 = 273 ° К і /? 0-760   мм рт. ст.,

Так само: аа = а- На підставі закону Дальтона давши - Р " €

Ня-сухого газу   рс  визначаємо з виразу   рс = р-Е, причому E= Sup  і Pc= Scp (Sn, Sc  - молярні дблі водяної пари і сухого газу).

Рівняння стану ідеального газу можна записати в наступному вигляді: для водяної пари

(Р-   е) V =   tj-   RT,

EV = m w

Для сухого газу

Ігл  cW ----- ---

Де т, М - маса і молекулярна маса, а індекси «п» і «с» відносяться до водяної пари і сухому газу.

■ Ставлення молекулярних мас водяної пари і сухого газу, що дорівнює відношенню їх щільності рп / рс, позначимо у = MjJMc, = рп / .рс ,; для повітря приймаємо v = = 0,62198 (в-розрахунках v = 0,622).

У табл. 6-2 - наведені основні характеристики вологості і співвідношення між ними, розраховані на підставі наведених рівнянь.