Колко вода има във въздуха
Във въздуха винаги има водна пара. Колко точно се казва по няколко начина:
| Величина | Какво е | Единица |
|---|---|---|
| Абсолютна влажност d_w | грамове пара в кубичен метър въздух | g/m³ |
| Парциално налягане p_w | налягането само на парите | hPa |
| Обемно влагосъдържание C_v | обем пара / обем газ – за съвсем малки количества | ppm |
| Относителна влажност RH | p_w спрямо наситените пари при същата температура | % |
| Точка на оросяване T_p | температурата, при която същата пара стига 100 % RH | °C |
Номерът е, че колко пара може да побере въздухът зависи силно от температурата: 20 °C въздух побира около 17 g/m³, а 0 °C – само 5. Затова относителната влажност се мени, дори ако водата във въздуха е същата. Затоплиш стаята и RH пада, изстудиш я и RH расте. Щом стигне 100 %, водата излиза като роса.
Тук въздухът в банята е 24 °C и в него има 19 g/m³. RH = 87,5 %, а точката на оросяване е 21,8 °C. Огледалото е 20 °C – изпотява се.
Колко пара може да побере въздухът
наситени пари (RH = 100 %) RH = 50 % въздухът в банята изстиване при същата пара огледалото
Синята крива е таванът – наситените пари. Жълтата точка е въздухът в банята. Ако го охладим, без да махаме вода, той се движи хоризонтално наляво (пунктирът), докато удари тавана: това е точката на оросяване. Огледалото е по-студено и въздухът до него стига тавана – там водата се кондензира. „Зимен прозорец“: стъклото е 5 °C, а точката на оросяване на стаята е над това.
Температурно-градиентни сензори
Най-старите влагомери мерят влажността с температура:
- Психрометър – два термометъра, единият с мокър плат. Водата се изпарява и го охлажда, толкова повече, колкото по-сух е въздухът. От разликата сух − мокър се смята RH (при T > 0 °C).
- Кондензационен – огледало се охлажда, докато се появи роса, а температурата му в този момент е точката на оросяване. Широк обхват, точен, затова е еталон.
- LiCl – тъкан, напоена с литиев хлорид, между два електрода. Токът я затопля, докато се уравновеси с парите във въздуха, а Pt100 мери тази температура → T_p.
Сухият термометър показва 25 °C, а истинската влажност е 50 %. Мокрият показва 18 °C – с 7,05 °C по-малко.
Влажността от разликата на двата термометъра
RH срещу разликата сега
При 100 % водата не се изпарява и двата термометъра показват едно и също. Всеки градус разлика сваля RH с няколко процента. Колко точно зависи от температурата, затова психрометрите имат таблица. Мести сухия термометър: при студ същата разлика значи много по-сух въздух.
Сорбционни сензори: кондензатор, който пие вода
Днешните влагомери (в телефона, в климатика, в метеостанцията) са сорбционни: материал попива вода от въздуха и това мени някакво негово свойство.
- Полимерен капацитивен – полиимид между две плочи. Водата има ε ≈ 80, а полимерът ε ≈ 5, затова повече попита вода значи по-голям капацитет. Съвместим е с CMOS, затова е в почти всички интегрални сензори.
- Полиелектролитен резистивен – водата освобождава йони и съпротивлението пада. Мери се с променлив ток, иначе електролизира. Това е импедансен сензор: Z на R ∥ C.
- Пиезорезистивен – полиимидът набъбва и огъва силициева мембрана с мост на Уитстон (тема 6).
- Гравиметричен – кварцов резонатор, покрит със сорбент. Попитата вода го прави по-тежък и честотата пада (Зауербрей). Усеща 10⁻⁹–10⁻¹² g/cm². Вариант са сензорите с повърхностни акустични вълни (ПАВ).
- Al₂O₃ (анодиран алуминий), порест силиций, MOS (полимер върху гейта) и керамични – за тежки условия и високи температури.
Капацитивният HS1101 има 180 pF при 55 % RH. Най-лесно се чете с таймер 555 (АЦУ, тема 20): капацитетът задава честотата, а честота се мери лесно и без АЦП. Тук влажността е 55 %, C = 180 pF. Мултивибраторът трепти с 6,63 kHz (по формулата 6,66 kHz), а микроконтролерът от честотата смята RH = 57,3 %.
кондензатор (сензорът) изход
Кондензаторът на 555 е самият сензор. Повече влага → по-голям C → по-бавно зареждане → по-ниска честота. Между 5 и 95 % честотата се мени само с около 20 %, затова броенето на импулсите трябва да е точно. Микроконтролерът брои фронтовете за известно време и обръща полинома на сензора.
Самопроверка
1. Стаята е 20 °C и 50 % RH. Затопляме я до 25 °C, без да внасяме вода. Какво става с RH и с абсолютната влажност?
Абсолютната остава същата (~8,6 g/m³); RH пада (до ~37 %), защото по-топлият въздух може да побере повече пара.
2. Какво е точка на оросяване?
Температурата, до която трябва да се охлади въздухът (без да се мени водата в него), за да стане RH = 100 % и да се появи роса.
3. Защо мокрият термометър на психрометъра е по-студен?
Водата се изпарява и взима топлина; колкото по-сух е въздухът, толкова по-бързо е изпарението и толкова по-голяма е разликата.
4. Защо капацитетът на полимерния сензор расте с влагата?
Водата има ε ≈ 80, а полимерът ≈ 5 – попитата вода вдига средната диелектрична проницаемост, а C = εA/d.
5. Защо резистивният сензор за влажност се мери с променлив ток?
Проводимостта е йонна – постоянният ток би предизвикал електролиза и би разрушил сензора.