drugom plinu tvarima.

Transcript

1 MJERENJE VLAGE I MOKRINE (engl. humidity and moisture): Vlaga, vlažnost (engl. humidity): Mokrina (engl. moisture): odnosi se na količinu vodene are u zraku ili nekom drugom linu odnosi se na količinu vode u tekućinama i krutim tvarima. Primjeri rimjene: - tekstilna industrija: u reviše suhoj atmosferi tkanine u okretu se nabiju statičkim elektricitetom - višebojni tisak: tiskanje u sljedećoj boji obavlja se nakon sušenja rethode boje; zbog romjene vlage zraka air mijenja dimenzije i može doći do neravilnog slaganja boja - raćenje romjene mokrine drveta u sušarama - mjerenje mokrine u žitaricama - meteorologija Izvedbe: - mjerenje relativne vlažnosti omoću rosišta - sihrometri - higrometri s vlaknima (životinjskog orijekla ili sintetičkim) - otornički - kaacitivni - elektrolitički - sa samozagrijavanjem - iezoelektrički - infracrveni - mikrovalni - nuklearni 9-1

2 MJERENJE VLAGE U ZRAKU Definicija relativne i asolutne vlažnosti zraka Atmosferski tlak zraka ( a ) jednak je zbroju arcijalnog tlaka suhog zraka ( s ) i arcijalnog tlaka vodene are ( ): = + a Svakoj temeraturi zraka odgovara maksimalna moguća količina vodene are koju zrak ri toj temeraturi može sadržavati. Pri toj maksimalnoj vlazi kažemo da je zrak zasićen vodenom arom. Ako bi u zrak ubacili dodatnu količinu vodene are došlo bi do kondenzacije. Ovisnost tlaka zasićene vodene are ( z ) o temeraturi zraka: s T r temeratura rosišta P z (T r ) tlak zasićene vodene are na temeraturi rosišta T [ o C] z [kpa] Na određenoj temeraturi okoline T rikazan je atmosferski tlak a i odgovarajući tlakovi suhog zraka s i vodene are. Relativna vlažnost zraka (RV ili RH od engl. relative humidity) na određenoj temeraturi jednaka je omjeru tlaka vodene are i tlaka zasićene vodene are na toj temeraturi: RV = z = m ( T ) m ( T ) z Asolutna vlažnost zraka: masa vode u jediničnom volumenu zraka, izražava se u kg/m 3. Određuje se vaganjem: rvo se izmjeri masa određenog volumena zraka s zatečenim sadržajem vlage. Nakon toga se jakim higroskonim sredstvom uije sva vlaga iz zraka i izmjeri se masa suhog zraka. Iz ta dva mjerenja izračuna se masa vodene are o jedinici volumena. Ovakva mjerenja se rovode samo u većim meteorološkim institutima. 9-2

3 MJERENJE RELATIVNE VLAŽNOSTI ZRAKA POMOĆU ROSIŠTA: Pri relativnoj vlažnosti manjoj od 100% tlaku vodene are na temeraturi T odgovara temeratura T r < T ri kojoj tlak redstavlja tlak zasićene vodene are z (T r ). Temeratura T r naziva se temeratura rosišta. Određivanjem temerature rosišta možemo izračunati relativnu vlažnost zraka rema sljedećem izrazu: z ( Tr ) RV = T ri čemu odatke o z (T r ) i z (T) očitamo iz tablice ovisnosti tlaka zasićene vodene are o temeraturi. z ( ) Temeratura ogledala O 1 mjeri se omoću mjerila temerature smještenog neosredno isod reflektirajuće ovršine, a regulira omoću uređaja za hlađenje (Peltier) i grijanje. Kada je temeratura ogledala O 1 veća od temerature rosišta T r intenzitet svjetla koje ada na detektore svjetla 1 i 2 je jednak a su rema tome jednaki i naoni u 1 i u 2. Uz taj uvjet na ulazu, regulator uključuje hlađenje ogledala O 1. Kada temeratura ogledala O 1 dosegne temeraturu rosišta T r na njegovoj ovršini se formiraju kai vode koje smanjuju intenzitet svjetla na detektoru 1 a time i ad naona u 1 u odnosu na naon u 2 što uvjetuje uključenje grijanja ogledala O 1. Temeratura ogledala O 1 oraste iznad T r, sloj vlage ishlai a je onovo u 1 = u 2 i onovo se uključuje hlađenje. Prema tome, temeratura ogledala O 1 će oscilirati oko temerature rosišta T r koja se očita s mjerila temerature. Uz oznate temerature okoline T i temerature rosišta T r iz tablice ovisnosti tlaka zasićene vodene are o temeraturi očitamo vrijednosti z (T r ) i z (T) i izračunamo relativnu vlažnost. Prednosti: - najtočnija metoda, točnost određivanja T r može iznositi do 0.03 C. Nedostaci: - osjetljivost na čistoću ogledala - velika otrošnja energije - visoka cijena 9-3

4 PSIHROMETAR (engl. sychrometer, dry and wet bulb): Rad sihrometra temelji se na činjenici da vlažni redmeti zbog isaravanja imaju nižu temeraturu od suhih. Sastoji se od dva temeraturna senzora od kojih je jedan suh i okazuje stvarnu temeraturu zraka T dok je drugi omotan vlažnom gazom i okazuje temeraturu T v < T. Iz tablice se očitaju odgovarajući tlakovi zasićene are z (T) i z (T v ) i izračuna se relativna vlažnost rema izrazu: RV = z ( Tv ) A( T Tv ) ( T ) ri čemu je a atmosferski tlak, a A veličina koja rvenstveno ovisi o brzini strujanja zraka. Pri brzinama od 3 do 5 m/s A ima ribližno konstantnu vrijednost od (6.35 ± 0.15) 10-4 C -1. Prilikom ugradnje sihrometra treba osigurati strujanje zraka u navedenom osegu brzina. Za mjerenje temerature najčešće se koriste Pt-100 otornički retvornici. Ova metodom se ubacuje dodatna vodena ara u zrak, što može biti neoželjno u nekim situacijama. z a MJERILA VLAGE S VLAKNIMA (engl. hair hygrometers): Neki materijali kao ljudska i životinjska dlaka te mnoga sintetička vlakna mijenjaju duljinu u ovisnosti o relativnoj vlažnosti zraka. Na tom načelu radi veći broj jednostavnih mjerila vlažnosti zraka. Kao senzor koristi se ramen od desetak vlakana koja su rednaeta omoću oruge. Promjena duljine uslijed romjene relativne vlažnosti okreće mehanizam s kazaljkom koja na skali okazuje relativnu vlažnost. Nakon umjeravanja na temeraturi 15 C do 20 C točnost iznosi 3 do 4% u rasonu temerature od 8 C do 35 C. Mogu se koristiti za mjerenje u osegu temeratura od 10 C do 60 C uz rethodno umjeravanje na radnoj temeraturi. Moraju se često umjeravati. 9-4

5 OTPORNIČKI PRETVORNICI VLAGE: Higroskoni materijali (nr. litijev klorid - LiCl, olistiren, aluminijev oksid Al 2 O 3 ) imaju sosobnost uijanja vlage iz zraka, ri čemu im se bitno mijenja električki otor. Na valjkasto tijelo od izolatora namotane su dvije žice od latine koje se međusobno ne dodiruju. Po cijeloj ovršini nanesen je sloj LiCl. Povećanjem vlažnosti smanjuje se otor. Isti retvornik u ločastoj izvedbi: na sustrat su naneseni vodiči reko kojih je ostavljen sloj higroskonog materijala. Pretvornik vlage u kojem se kao higroskoni materijal koristi LiCl naziva se "Dunmore cell". Ako se kao higroskoni materijal uotrijebi olistiren tretiran sumornom kiselinom tada se retvornik naziva "Poe Cell". Na aluminijskoj ločici (rvi kontakt) formiran je orozni sloj aluminijskog oksida. Preko njega je nanesen tanki orozni sloj zlata (drugi kontakt). Vodena ara rolazi kroz tanki sloj zlata i asorbira se u Al 2 O 3 sloju. Imedancija ovakvog retvornika ovisi o količini vlage u Al 2 O 3 sloju Mjerenje se rovodi izmjeničnom strujom radi izbjegavanja elektrolize asorbirane vode. Sklo radi na frekvenciji na kojoj ne dolazi do izražaja kaacitivna komonenta imedancije 9-5

6 KAPACITIVNI PRETVORNICI VLAGE: Kao dielektrik koristi se higroskoni materijal kojem se uslijed asorbirane vlage bitno mijenjaju dielektrička svojstva najčešće su to higroskoni olimeri, debljine 8 12 µm dimenzija 12 x 12 mm na čije stranice je naaren tanki sloj zlata čime se formira ločasti kondenzator. Promjena kaaciteta u ovisnosti o relativnoj vlažnosti zraka (RV) može se ribližno oisati izrazom: C RV = C 1+ 0 ( α RV ) RV ri čemu je C 0 kaacitet ri RV = 0%, a α RV konstanta. Izvedba kaacitivnog retvornika vlage u tehnici tankog filma. Na istom sustratu su izvedeni i temeraturni senzori. Karakteristike: - rason mjerenja relativne vlažnosti: 5% do 90% u temeraturnom odručju od 0 C do 50 C - točnost: 2% 9-6

7 PRETVORNICI VLAGE SA SAMOZAGRIJAVANJEM: Temelje se na otorničkom retvorniku s LiCl. Pretvornik se naaja se višim naonom uslijed čega dolazi do zagrijavanja sloja LiCl na temeraturu višu od temerature okoline. Uslijed zagrijavanja isarava se vlaga iz LiCl, ovećava se otor i smanjuje struja kroz retvornik. Temeratura retvornika dostiže konstantnu vrijednost ri kojoj se usostavlja ravnoteža između brzine isaravanja i uijanja vlage iz okoline. Temeratura ravnotežnog stanja je viša ri većoj relativnoj vlažnosti zraka, a se vlažnost očitava omoću temeraturnog senzora koji mjeri temeraturu zagrijanog sloja LiCl. Ne mogu se koristiti za određivanje vode u tekućinama. ELEKTROLITSKI PRETVORNICI VLAGE: Kao higroskoni materijal koristi se fosforni entoksid P 2 O 5 kroz koji se roušta istosmjerna struja. Asorbirana vlaga se elektrolizom rastavlja na kisik i vodik čime se ovećava otor retvornika. Struja se smanjuje do trenutka kada se izjednačuje brzina elektrolize i brzina asorcije vlage iz zraka. Pri većoj relativnoj vlažnosti zraka je i struja ri kojoj se usostavlja ravnotežno stanje jača, a se vlažnost zraka očitava omoću amermetra. Posebno su ogodni za mjerenje malih količina vlage (od 1 m). Točnost im je oko 10% ri mjerenju relativne vlažnosti od 1 m, kod većih iznosa RV točnost oraste na 5%. Vrijeme odziva im je oko 1 min. PIEZOELEKTRIČKI PRETVORNICI VLAGE: Sastoji se od iezoelektričkog kristala obloženog slojem higroskonog materijala. Pretvornik je sojen u krug oscilatora koji oscilira na rezonantnoj frekvenciji kristala. Pri ovećanju vlažnosti se uslijed asorcije ovećava masa retvornika što uzrokuje smanjenje njegove rezonantne fekvencije. Relativna vlažnost se određuje mjerenjem romjene frekvencije. Mjerenje se rovodi naizmjeničnim uštanjem suhog i vlažnog lina reko retvornika i određivanjem razlike frekvencija. Uotreba im je ograničena samo na određivanje vlage u linovima (ne mogu se koristiti za određivanje vlage u tekućinama). Također nisu uotrebljivi za mjerenje vlage u linovima koji bi mogli tijekom mjerenja stvoriti talog na retvorniku. Vrijeme odziva je oko 1 min. 9-7

8 ODREĐIVANJE VLAGE I MOKRINE MJERENJEM APSORPCIJE INFRACRVENOG ZRAČENJA Koristi se za mjerenja vlage u linovima i mokrine u tekućinama i krutim tvarima. Temelji se na činjenici da voda intenzivno asorbira infracrveno (IC) zračenje valnih duljina 1.43 µm i 1.93 µm. Izvedba mjerila vlage u linovima i mokrine u tekućinama: Infracrveno svjetlo rolazi kroz otički filter koji naizmjence roušta referentnu i mjernu valnu duljinu. IC svjetlo referentne valne duljine voda slabo asorbira, za razliku od IC svjetla mjerne valne duljine. Na izlazu foto-osjetljivog detektora dobijamo dva imulsa, referentni i mjerni čija amlituda ovisi o količini vlage u mjerenom uzorku. Metoda je ograničena na rozirne tekućine i linove koji ne sadrže dodatne komonente koje bi mogle utjecati na asorciju IC zračenja. Izvedba mjerila mokrine u krutim tvarima: Intenzitet reflektiranog IC zračenja ovisit će o količini vlage u uzorku koji se mjeri. Metoda se ne može koristiti za uzorke koji slabo reflektiraju IC zračenje. Budući da IC zračenje ne rodire duboko u materijal, ova metoda daje odatak samo o ovršinskoj mokrini. 9-8

9 MJERENJE MOKRINE Odnosi se na mjerenje sadržaja vode u tekućim i krutim tvarima. Definira se kao omjer mase vode i ukune mase uzorka: mv ψ = m Temeljni način mjerenja mokrine je vaganjem: izmjeri se masa uzorka u izvornom stanju, nakon toga se uzorak otuno osuši i izmjeri se masa suhog uzorka. Oduzimanjem se dobije masa vode. Uzorak se suši duljim zagrijavanjem do temeratura nešto iznad 100 C. Kada se masa uzorka restane smanjivati znači da je sva voda isarila.oisana metoda nije rimjenjiva u industriji i trgovini zbog sorosti. Najčešće izvedbe retvornika za mjerenje mokrine: - otornički - kaacitivni - asorcija infracrvenog zračenja - nuklearni - usorenje brzih neutrona na atomima vodika - NMR u 9-9

10 OTPORNIČKI I KAPACITIVNI PRETVORNICI ZA MJERENJE MOKRINE KRUTIH TVARI Izvedba koja se koristi za mjerenje mokrine u rasutim teretima (najčešće žitarice) sastoji se od dvije elektrode između kojih se nalazi isitivani materijal. Elektrode mogu biti ločaste ili češće koaksijalne. Pretvornici za mjerenje mokrine bala amuka ili vune imaju dva ili više šiljaka koji se zabadaju u isitivani uzorak. Pretvornik za mjerenje mokrine u rasutim materijalima izveden s koaksijalnim elektrodama može se koristiti kao otornički i kao kaacitivni retvornik, ovisno o radnoj frekvenciji (mjerenje se rovodi izmjeničnom strujom zbog izbjegavanja elektrolize vode.) Otornički retvornik: Otor se smanjuje ovećanjem mokrine Koristi se niska radna frekvencija, od mrežne do nekoliko stotina Hz radi zanemarenja kaacitivne komonente. Otor se može mijenjati za tri do četiri reda veličine. Pri orastu temerature otor se smanjuje a je otrebno rovesti korekciju izmjerene mokrine od ribližno 0.1% o C. Kaacitivni retvornik: Kaacitet se ovećava s ovećanjem mokrine. Koriste se radne frekvencije oko 10 MHz radi zanemarenja otorničke komonente. 9-10

11 NUKLEARNI UREĐAJI ZA MJERENJE MOKRINE Temelji se na usorenju brzih neutrona u sudaru s atomima vodika. Budući da su neutroni električki neutralni njihova količina gibanja se mijenja jedino uslijed sudara s drugim atomima. Pri tome vrijedi: m v 1 1 m1v = m2v2 + m1v3 zakon o očuvanju količine gibanja 2 2 m2v2 m1v3 = zakon o očuvanju energije m 1 masa neutrona m 2 masa atoma s kojim se neutron sudario v 1 brzina neutrona rije sudara v 2 brzina atoma nakon sudara v 3 brzina neutrona nakon sudara Iz zakona o očuvanju količine gibanja i zakona o očuvanju energije možemo odrediti brzinu neutrona nakon sudara: v 3 = v1( m2 m1 ) ( m + m ) 2 1 Ako je masa atoma u sudaru jednaka masi neutrona, tada se sva kinetička energija neutrona redaje atomu i brzina neutrona jednaka je nuli. Budući da vodikov atom ima masu ribližno jednaku masi neutrona on je najbolji asorber energije neutrona. Prema tome, broj sorih neutrona je mjera količine vodikovih atoma u uzorku. Pri tome treba voditi računa o atomima vodika koji su u kemijskom sastavu uzorka koji se isituje ako je to konstanta, može se uzeti u obzir ri kalibraciji. Kao izvor brzih neutrona koristi se lutonij-berilij ili americij-berilij. Točnost ri mjerenju mokrine žitarica iznosi oko 0.5% u osegu mokrine od 0 do 20%. 9-11

12 MIKROVALNI UREĐAJI ZA MJERENJE MOKRINE Koristi se mikrovalno zračenje frekvencije od 20 GHz do 22 GHz budući da molekule vode najbolje asorbiraju mikrovalno zračenje u toma frekvencijskom odručju. Mjeri se intenzitet mikrovalnog zračenja nakon rolaska kroz uzorak ili nakon refleksije od uzorka. 9-12