LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

I ENERGETYKI

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

INSTRUKCJA LABORATORYJNA

Temat ćwiczenia:

WYZNACZANIE WILGOTNOŚCI WZGLĘDNEJ

I STOPNIA ZAWILŻENIA POWIETRZA

HIGROMETREM IZOCHORYCZNYM

Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zawilżenia powietrza higrometrem izochorycznym

2

1. WPROWADZENIE

Pomiar ilości pary wodnej zawartej w gazach (powietrze atmosferyczne, spaliny,

czynnik suszący) ma znaczenie nie tylko przy opisie procesów klimatyzacji i suszenia, ale
także przy bilansowaniu różnych procesów technologicznych. Zawartość wilgoci w gazie
określa się najczęściej przez podanie wilgotności względnej, czyli ilorazu aktualnej ilości
pary wodnej w gazie i maksymalnej ilości pary wodnej w gazie w warunkach nasycenia dla
danej temperatury (wilgotność względną można również zdefiniować jako stosunek
aktualnego ciśnienia cząstkowego pary wodnej do ciśnienia nasycenia przy danej
temperaturze). Innym sposobem określenia ilości wilgoci w gazach jest podanie stopnia
zawilżenia gazu definiowanego jako stosunek ilości (masy) pary wodnej zawartej w gazie do
ilości (masy) gazu suchego.

Istnieje wiele metod pomiaru ilości (lub udziału) pary wodnej w gazach. Ze względu na

zasadę pomiaru metody te można podzielić na grawimetryczne, termometryczne, chemiczne,
elektryczne, radiacyjne i higroskopowe.

Metody grawimetryczne polegają na pomiarze masy gazu suchego i pary wodnej. Ilość pary
wyznacza się poprzez ważenie wilgoci zaabsorbowanej przez odpowiednie substancje
(najczęściej są to Mg(ClO)

4

lub P

2

O

3

) . Masę gazu suchego wyznacza się zazwyczaj z

równania stanu. Jest to metoda o stosunkowo dużej dokładności.

Metody termometryczne - wykorzystują różne zjawiska fizyczne zachodzące w gazie
dwuskładnikowym jakim jest gaz wilgotny. Do grupy tej należą tzw. higrometry punktu rosy
działające na zasadzie pomiaru temperatury nasycenia dla danego stopnia zawilżenia gazu.
Pomiar ten odbywa się przez obserwację powierzchni lustrzanej ochładzanej płytki. Obserwację
można prowadzić sposobem bezpośrednim lub z wykorzystaniem elementów fotoelektrycznych.
Do tej grupy należy również psychometryczna metoda pomiaru. Polega ona na zastosowaniu
dwóch termometrów z których jeden „suchy" mierzy temperaturę badanego gazu, natomiast
drugi tzw. "mokry" temperaturę gazu w którym nastąpiło odparowanie wody w ilości
umożliwiającej osiągnięcie stanu nasycenia. Różnica wskazań obu termometrów jest
wskaźnikiem wilgotności gazu.

Metody chemiczne - swoją zasadą działania są podobne do chromatografów. W analizatorach
chemicznych badany gaz wilgotny wdmuchuje się do cieczy absorbującej, którą jest zazwyczaj
kwas siarkowy. Określenia zawartości pary wodnej w gazie dokonuje się na podstawie pomiaru
zmian przewodności elektrycznej absorbentu przed i po absorpcji.

Metody elektryczne - wyróżnia się tutaj higrometry oporowe i z ogrzewanym czujnikiem. W
higrometrach oporowych stosuje się czujniki elektrolityczne i sorpcyjne. Zasada działania tych
czujników jest podobna - wskutek pochłaniania wilgoci zmieniają się w pewnym stopniu
własności elektryczne tego czujnika. Zmiany tych własności są odpowiednio przetwarzane na
sygnał elektryczny.
Metody radiometryczne - pomiar wilgotności gazu tą metodą opiera się na zjawisku absorpcji
promieniowania podczerwonego o określonej długości fali przez parę wodną zawartą w gazie.

Metody higroskopowe - najbardziej znanym higrometrem jest higrometr włosowy. W
higrometrze tym jest wykorzystane zjawisko zmiany długości włosa w zależności od stopnia
nasycenia go wilgocią. Przyrost długości włosa w zakresie wilgotność względnej 0 - 100 % jest
rzędu ok. 2.5 %. Zakres stosowania higrometrów włosowych ograniczony jest do czynników o
temperaturze nie przekraczającej 50ºC. Nie ma takiego ograniczenia co do najniższych
wartości temperatury w jakich może on być stosowany.

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zawilżenia powietrza higrometrem izochorycznym

3

2. ZASADA POMIARU WILGOTNOŚCI GAZÓW HIGROMETREM

IZOCHORYCZNYM

Prezentowana metoda pomiaru wilgotności gazów (powietrze, spaliny i inne gazy) za

pomocą higrometru izochorycznego należy do metod termometrycznych. Gaz wilgotny o
temperaturze wyższej od temperatury punktu rosy doprowadza się do naczynia pomiarowego 1
o stałej objętości (rys. 1). Naczynie to znajduje się w płaszczu wodnym 2. Temperatura cieczy
w tym płaszczu podczas pobierania próbki gazu jest wyższa od temperatury punktu rosy pary
wodnej zawartej w badanym gazie. Po zamknięcia próbki gazu w naczyniu i ustaleniu się
równowagi termodynamicznej między gazem a cieczą w płaszczu, dokonuje się pomiaru
ciśnienia manometrycznego p

m1

i temperatury t

1

gazu wilgotnego w stanie początkowym.

Następnie schładza się izochorycznie badany gaz do temperatury znacznie niższej od
temperatury punktu rosy co osiąga się przez ochładzanie cieczy w płaszczu wodnym za pomocą
kriostatu. Po ponownym ustaleniu się równowagi termodynamicznej mierzy się ciśnienie
manometryczne p

m2

i temperaturę t

2

. Zgodnie z prawem Daltona ciśnienie cząstkowe gazu

suchego tworzącego roztwór z parą wodną spełnia zależność:

2

2

2

1

1

1

2

1

s

s

g

g

p

p

p

p

p

p

ϕ

ϕ

−

−

=

,

(1)

gdzie:
p

g1

, p

g2

– ciśnienie bezwzględne gazu suchego w stanie 1 i 2,

p

1

, p

2

– ciśnienie bezwzględne gazu wilgotnego w stanie 1 i 2,

p

s1

, p

s2

– ciśnienie nasycenia pary wodnej dla temperatury t

1

i t

2

,

ϕ

1

– wilgotność względna w stanie 1 (wielkość wyznaczana),

ϕ

2

– wilgotność względna w stanie 2 (

ϕ

2

= 1).

Po dodatkowym dwukrotnym wykorzystaniu równania stanu dla gazu suchego z zależności
(1) otrzymuje się:

1

2

2

2

1

1

1

1

s

s

s

p

p

p

T

T

p

p

−

−

=

ϕ

.

(2)

Aby wykorzystać wzór (2) należy zmierzyć ciśnienie otoczenia oraz odczytać z tablic
parowych wartości ciśnienia nasycenia p

s1

i p

s2

dla temperatury T

1

i T

2

. Ciśnienie

bezwzględne gazu jest sumą ciśnienia otoczenia i ciśnienia manometrycznego.
Zmierzone wielkości pozwalają wyznaczyć molowy stopień zawilżenia powietrza:

1

2

2

1

1

2

−

−

=

s

Z

p

p

p

T

T

X

,

(3)

oraz masowy stopień zawilżenia powietrza:













−

−

=

=

1

96

.

28

02

.

18

2

2

1

1

2

s

Z

g

p

p

p

p

T

T

X

M

M

X

.

(4)

3. OPIS

STANOWISKA BADAWCZEGO

Zasadniczy element higrometru izochorycznego to naczynie pomiarowe 1 w którym gaz

wilgotny podlega przemianom. Naczynie to jest otoczone płaszczem wodnym 2 utworzonym w
zbiorniku 3. Ciecz termostatyczna dopływa do płaszcza króćcem 4, na którym zamontowany

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zawilżenia powietrza higrometrem izochorycznym

4

jest zawór odcinający 5. Ciecz odprowadzana jest przez króciec 12. Płaszcz wodny znajdu-
jący się w zbiorniku 3 otoczony jest warstwą izolacji cieplnej 8. Całość zamknięta jest w
blaszanej obudowie 14. Badany gaz zasysa się do naczynia pomiarowego przez króciec 7 lub 9.
Na obydwu króćcach znajdują się zawory odcinające (6 i 10). Do pomiaru temperatury próbki
badanego gazu służy termoelement NiCr-CrAl umieszczony w rurce 11. Ciśnienie
manometryczne badanego gazu mierzy się manometrem cieczowym podłączonym do króćca
impulsowego 13.

1

2

3

4

6

7

8

9

10

11

12

13

14

5

Rys. 1 Schemat zbiornika pomiarowego

Do schładzania cieczy w płaszczu wodnym wykorzystuje się kriostat KT30 E11.

Urządzenie to pozwala na płynną regulację temperatury czynnika roboczego w zakresie od –
30 – 100ºC. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 2. Zbiornik pomiarowy
higrometru połączony jest przez króciec 9 i zawór 10 z centralną instalacją wyciągową
gazów, tak więc napełnianie naczynia pomiarowego 1 badanym gazem następuje przez
zassanie próbki gazu z zewnątrz poprzez zawór 6 i króciec 7.

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zawilżenia powietrza higrometrem izochorycznym

5

SET

1

0

1

0

o

C

o

C

do instalacji wyciągowej

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

∆h

(p

m

)

Rys. 2 Schemat stanowiska pomiarowego

1 – zbiornik higrometru izochorycznego, 2 – zawór odcinający dopływ gazu, 3 – zawór odcinający

dopływ cieczy termostatycznej, 4 – zawór odcinający odpływ gazu, 5 – przewód odpływowy cieczy

termostatycznej, 6 – przewód dopływowy cieczy termostatycznej, 7 – wskaźnik temperatury badanego

gazu, 8 – panel sterowania kriostatu z wyświetlaczem temperatury cieczy termostatycznej, 9 – agregat

chłodniczy kriostatu

4. PRZEBIEG

ĆWICZENIA

UWAGA: wszystkie odwołania do pozycji rysunkowych dotyczą rysunku nr 2

Ćwiczenie należy zrealizować według następującego schematu:

1. sprawdzić, czy zawory odcinające dopływ gazu (2 i 4) są otwarte,
2. uruchomić instalację wyciągową gazów i przepłukiwać zbiornik pomiarowy badanym

gazem przez około 1 min,

3. napełnić zbiornik pomiarowy badanym gazem – zamknąć zawory 2 i 4 (aby gaz nie został

wyssany ze zbiornika należy najpierw zamknąć zawór 4),

4. odczekać do chwili ustalenia się równowagi temperaturowej między gazem a cieczą

termostatyczną w płaszczu (objawem jest ustalenie się ciśnienia) – w odstępach czasu
zadanych przez prowadzącego należy notować na karcie pomiarowej aktualne wskazania
przyrządów, tj. różnicę wysokości cieczy manometrycznej i temperaturę badanego gazu,

5. po ustaleniu się ciśnienia gazu w zbiorniku odczytać temperaturę t

1

i ciśnienie p

m1

,

6. schłodzić gaz – w tym celu należy uruchomić agregat chłodniczy kriostatu 9 oraz panel

sterujący 8 (termostat) upewniając się uprzednio, czy zawór odcinający dopływ cieczy
termostatycznej 3 jest otwarty; po uruchomieniu urządzenia należy ustawić żądaną wartość
temperatury cieczy termostatycznej na panelu sterującym kriostatu – wartość ten określa
prowadzący ćwiczenie,

7. odczekać do chwili osiągnięcia zadanej temperatury cieczy termostatycznej,
8. postępując analogicznie jak w punkcie 4 odczytać temperaturę t

2

oraz ciśnienie p

m2

,

9. odczytać ciśnienie otoczenia z barometru.

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

Wyznaczanie wilgotności względnej i stopnia zawilżenia powietrza higrometrem izochorycznym

6

Instrukcja laboratoryjna

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

W trakcie ćwiczenia wyznaczana jest wilgotność względna i stopień zawilżenia powietrza
atmosferycznego. Dla sprawdzenia wyników uzyskanych za pomocą higrometru
izochorycznego należy porównać je z wynikami uzyskanymi z innych przyrządów
pomiarowych: psychrometru naściennego oraz psychrometru Assmanna. W tym drugim
przypadku z przyrządu należy odczytać wartości temperatury wskazywane przez termometry
suchy i wilgotny, natomiast wilgotność wyznacza się na podstawie wykresu i – X dla
powietrza wilgotnego.


5. WYKONANIE

SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu należy umieścić:
- krótką charakterystykę wyznaczanych wielkości oraz opis metody pomiarowej,
- zwięzły opis stanowiska pomiarowego i przebiegu pomiarów,
- kartę pomiarową zatwierdzoną przez prowadzącego,
- wyniki

obliczeń oraz analizę błędów pomiarów,

- uwagi

końcowe i wnioski.

LITERATURA

[1] Szargut J.: Termodynamika, PWN, Warszawa 1980.
[2] Górniak H., Szymczyk J.: Podstawy termodynamiki, cz.II, Skrypt Politechniki Śląskiej nr
1676, Gliwice 1991.

Aktualizacja: dr inż. T. Bury – 5.03.2006