Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Vlhkoměry

Měření vlhkosti vzduchu a vlhkosti plynů obecně je častou úlohou v meteorologii, potravinářství, papírenském a chemickém průmyslu, při úpravě vzduchu v budovách a v mnoha dalších odvětvích. Protože jednotlivé obory kladou různé požadavky na rychlost odezvy, přesnost, stabilitu, odolnost proti vodě, chemickou odolnost a rozměry čidla i na náklady na měření, byla vyvinuta a používá se řada vlhkoměrů založených na principech stručně zmíněných v tomto článku.

Jednotky

Vlhkost vzduchu lze vyjádřit několika způsoby. Hmotnost vodní páry v jednotce objemu vzduchu se označuje jako absolutní vlhkost s obvyklou jednotkou gram na krychlový metr.

Obsah vodní páry ve vzduchu je omezený. Vzduch se vodní parou nasytí a další vlhkost již nepřijímá. Konkrétní hodnota vlhkosti závisí především na teplotě a s rostoucí teplotou roste. Relativní vlhkost udává poměr mezi skutečným a maximálním, nasyceným obsahem vody ve vzduchu. Udává se v procentech (%RH, %RV).

Dalším měřítkem vlhkosti vzduchu je teplota, na kterou je třeba měřený vzorek ochladit, aby byl vodní parou nasycen. Při této teplotě začíná vodní pára kondenzovat, proto dostala poetický název rosný bod. Jednotkou je Celsiův stupeň, popř. Kelvin. Absolutní vlhkost vzduchu při nasycení vodní parou (100 %RH) při vybraných teplotách (rosných bodech) je uvedena v tab. 1.

Tab. 1. Absolutní vlhkost vzduchu při nasycení vodní parou v závislosti na teplotě

Teplota (°C) Vlhkost (g/m3)
–100 0,000 018
–80 0,000 6
–60 0,011
–40 0,12
–20 0,888
0 4,87
10 9,44
20 17,4
25 23,1
30 30,5
40 51,3
60 130
80 292
100 591

Metody měření

Metody měření vlhkosti plynů se vyvíjely od prostých ukazovacích přístrojů po současné vlhkoměry s elektrickým analogovým a popř. i číslicovým výstupem. K dispozici jsou v současné době především následující přístroje a metody.

Mechanický (vlasový) vlhkoměr
Upravené přírodní materiály (lidské vlasy, koňské žíně, hedvábí) i některé syntetické produkty (nylon či butyrát celulózy) jsou schopny absorbovat ve své struktuře určité množství vody úměrné relativní vlhkosti okolí. Absorpce je doprovázena změnou rozměru, která se převádí mechanismem na výchylku ručky nebo pisátka. Metoda patří k historicky nejstarším.

Gravimetrie
Gravimetrický vlhkoměr přestavuje z metrologického hlediska absolutní standard. Jeho princip je jednoduchý – vhodné sušidlo absorbuje vodní páru ze známého objemu vzduchu a zjištuje se přírustek jeho hmotnosti. Měření je ovšem zdlouhavé, zejména při malé vlhkosti, přístroj značně nákladný a použitelný pouze v laboratorních podmínkách. Slouží především k ověřování a kalibraci dalších standardů.

Kondenzační vlhkoměr
Kondenzační vlhkoměr patří k velmi přesným měřidlům, předstihuje ho pouze gravimetrická metoda. Sestává z termoelektricky chlazeného kovového zrcátka, jehož odrazivost se snímá opticky. Orosení způsobuje výraznou změnu odrazivosti a zpětná vazba zmenšuje či zvětšuje intenzitu chlazení, aby se zrcátko udržovalo mírně orosené. Teplota zrcátka se pak měří platinovým odporovým teploměrem. Alternativou k optickému sledování zrcadla je použití krystalového rezonátoru, jehož rezonanční frekvence je ovlivněna kondenzací vodní páry na jeho povrchu. Za zmínku stojí i starší varianta, kdy se ochlazování zrcátka dosahovalo odpařováním éteru a pozorovatel odečetl teplotu v okamžiku, kdy zaznamenal kondenzaci. Kondenzační vlhkoměr se pyšní z principu dlouhodobou stabilitou, odolností proti chemikáliím a velkou přesností.

Elektrolytický vlhkoměr
Vlhkost obsažená ve vzorku plynu se absorbuje ve speciálním roztoku, kde reaguje s elektrolyticky vylučovaným činidlem. Prošlý elektrický náboj je úměrný absolutní vlhkosti vzorku vzduchu. Přepočet lze provést při použití známých fyzikálních konstant. Elektrolytický vlhkoměr se vyznačuje zejména dlouhodobou stabilitou.

Psychrometr
Obalí-li se banička teploměru knotem ponořeným do vody a umístí se do proudu měřeného vzduchu, bude tento tzv. vlhký teploměr ukazovat nižší teplotu než teploměr neupravený, tzv. suchý. Příčinou poklesu teploty je odpařování vody z knotu. Tato změna skupenství je doprovázena spotřebou odparného tepla. Intenzita odpařování závisí na relativní vlhkosti přiváděného vzduchu. Pokud by byl např. vzduch zcela nasycen, naměří oba teploměry stejnou hodnotu (k žádnému odpařování vody z knotu nemůže dojít).

V klasickém uspořádání se teploty odečítají ručně a naměřené hodnoty se přepočítávají na údaj vlhkosti s použitím grafu nebo tabulky. Existují však i elektronické psychrometry, kde je rtuťový teploměr nahrazen platinovým odporovým čidlem teploty a přepočet provádí elektronika.

Odporový senzor vlhkosti
Odporový senzor využívá změnu vodivosti, která u některých hygroskopických (vodu pohlcujících) materiálů doprovází absorpci vody. Dunmorovo provedení používá polyvinylalkohol s přídavkem chloridu nebo bromidu lithného. Přívodní elektrody jsou platinové, provedené jako dvojitá spirála z drátu na válci z izolantu nebo jako dva hřebínky napařené na keramickém podkladu. Aby se předešlo polarizaci elektrod, je nutné měřit střídavým napětím. Ačkoliv změna vodivosti pokrývá jenom třetinu až pětinu celkového rozsahu relativních vlhkostí 0 až 100 %, různé koncentrace lithné soli umožňují měřit v různých pásmech. Senzor je citlivý na orosení (kondenzaci) a nelze ho použít při vyšších teplotách, přesto si udržuje své postavení zejména díky velké přesnosti (desetiny %RH) a poměrně dobré stabilitě.

Kapacitní senzor vlhkosti
Absorpci vody v polymerních materiálech využívají i kapacitní čidla. Sledovanou veličinou je u nich změna kapacity kondenzátoru, v němž je dielektrikem polymer. Jedna z elektrod je děrovaná, umožňující okolnímu vzduchu kontakt s polymerním dielektrikem. Přestože je množství absorbované vody poměrně malé, díky její velké dielektrické konstantě jsou změny kapacity měřitelné: řádově činí 0,1 % z celkové kapacity na každé %RH. Tyto senzory se vyrábějí také s integrovaným zpracováním signálu, kdy výstupem je místo kapacity mnohem přijatelnější elektické napětí, nebo dokonce digitální rozhraní. Kapacitní senzory se vyznačují malou závislostí údaje na teplotě, odolností vůči kondenzaci, dobou odezvy řádu desítek sekund, přesností v jednotkách %RH, poměrně dobrou odolností proti chemikáliím a vyšším teplotám, malými rozměry a v neposlední řadě nízkou cenou.

Vlhkoměr s vyhřívanými termistory
Jde o metodu využívající závislost tepelné vodivosti vzduchu na jeho vlhkosti. Senzor obsahuje dva stejné termistory, z nichž jeden je hermeticky uzavřen v suchém dusíku a druhý je přístupný okolnímu prostředí. Termistory jsou zapojeny do série a tvoří jednu větev můstku. Druhá větev obsahuje pevné rezistory a trimr k nulování. Průchodem proudu se termistory zahřívají a dosažená teplota závisí na stupni jejich ochlazování, tj. na tepelné vodivosti okolního plynu. Můstek se vynuluje při umístění senzoru v suchém vzduchu a přítomnost vodní páry způsobí jeho rozvážení. Senzor poskytuje signál úměrný absolutní vlhkosti. Jeho přednostmi jsou schopnost pracovat při vysokých teplotách (až 200 °C) a chemická odolnost.

Absorpce záření
Pro speciální účely se používají vlhkoměry sledující absorpci ultrafialového nebo infračerveného záření vodní parou. Pracují na vlnových délkách 121 nm nebo 123 nm v ultrafialové části spektra nebo 6,25 m v infračervené oblasti. Výstupní signál je úměrný absolutní vlhkosti a předností je velmi krátká doba odezvy. Zdrojem ultrafialového záření jsou výbojky plněné vodíkem nebo kryptonem a v infračervené oblasti se používají žhavené zdroje.

Tab. 2. Rovnovážná relativní vhlkost vzduchu nad nasyceným roztokem soli (%RH)

Sůl Teplota (°C)
5 10 15 20 25
chlorid lithný 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3
chlorid hořečnatý 33,6 33,5 33,3 33,1 32,8
uhličitan draselný 43,1 43,1 43,1 43,2 43,2
bromid sodný 63,5 62,2 60,7 59,1 57,6
chlorid sodný 75,7 75,7 75,6 75,7 75,3
chlorid draselný 87,7 86,8 85,9 85,1 84,3
síran draselný 98,5 98,2 97,9 97,6 97,3

Standardy

Většina měřidel vlhkosti vyžaduje kalibraci, a to při výrobě i periodicky během provozu. Lze tak učinit změřením téhož vzorku plynu zárověň kalibrovaným a referenčním měřidlem, nebo připravit plyn (vzduch) definované vlhkosti.

Metoda dvou tlaků
Jednou z možností je nasycení vzduchu vodní parou při větším tlaku následované expanzí na menší tlak. Poměrem obou tlaků lze dosáhnout žádané výsledné vlhkosti.

Obr. 1.

Nasycené roztoky solí
Vzduch v rovnováze s roztokem soli má menší vlhkost než vzduch nad čistou vodou. S výhodou se užívají nasycené roztoky solí, jejichž koncentrace není ovlivněna odpařováním nebo absorpcí vody. Volbou soli lze obsáhnout široký rozsah relativních vlhkostí, nutný k několikabodové kalibraci čidel s nelineární charakteristikou. Konkrétní hodnoty pro různé teploty jsou uvedeny v tab. 2.

Měřicí řetězce

Příklad jednoho z možných řešení rozlehlého řetězce pro kombinované měření současně vlhkosti, teploty a okamžité hodnoty signálu 4 až 20 mA senzory s digitálním rozhraním RS-485 ovládaného z PC je ukázán na obr. 1.

RNDr. Josef Hanzal,
(snail@iol.cz)