Тема 3. Вологість та методи її вимірювання

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Вологість повітря.

2. Вологість ґрунту.

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Вологість повітря

 

Вода може існувати в атмосфері в трьох фазах - рідкій, газоподібній і твердій. Газоподібна фаза води називається парою. Пара, яка знаходиться в термодинамічній рівновазі з рідиною (тобто стані, коли число молекул, що переходить із рідини в пару, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину за одиницю часу), називається насиченою.

Під вологістю повітря розуміють наявність у ньому водяної пари. Повітря, що містить водяну пару, називають вологим, а те, що не містить - сухим.

Абсолютна вологість повітря (а) - кількість водяної пари у грамах, що знаходиться в 1 м3 повітря (г/м3).

 

1.1. Методи вимірювання вологості повітря

Аспіраційний психрометр. Прилад містить два термометри - сухий і зволожений; ціна поділки термометрів становить 0,2оС. Термометри розташовані у металевих трубках, з’єднаних далі в одну (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Зовнішній вигляд аспіраційного психрометра:

1 - заводний ключ; 2 - віконце; 3 - головка аспіратора; 4 - трубка; 5 - сухий термометр;

6 - змочений термометр; 7 - трійник; 8, 12 - ізоляційні втулки; 9, 13 - захисні трубки;

10 - сухий термометр; 11 - корпус.

Резервуар одного з термометрів обмотаний батистом, що зволожується. При вимірюванні вологості психрометр встановлюють горизонтально і обдувають повітрям обидва термометри за допомогою вентилятора. З поверхні резервуару зволоженого термометра випаровується вода, що залежить від вологості навколишнього повітря.

Максимальну пружність водяної пари Ер що відповідає температурі зволоженого термометра, та максимальну насиченість водяної пари Е, яка відповідає температурі сухого термометра, визначають у мм рт. ст. або паскалях за відповідними таблицями або за допомогою номограми (рис. 3.2).

 

Рис. 3.2. Номограма для вимірювання параметрів вологості

 

Недоліком аспіраційного психрометра є те, що вентилятор захоплює повітря тільки на відстані кількох сантиметрів, що не дає змоги точно визначити вологість на певних ділянках. Крім того, величина психрометричного коефіцієнта А залежить від швидкості вентиляції, температури та типу психрометра.

Залежність абсолютної похибки вимірювань вологості аспіраційним психрометром з ціною поділки 0,1оС від температури, згідно проведених досліджень, свідчить, що похибками можна знехтувати при температурах, що перевищують 10оС, тоді як зниження температури викликає істотне збільшення похибок.

Волосяний гігрометр Дія приладу ґрунтується на здатності знежиреної волосини змінювати свою довжину зі зміною вологості.

Водяна пара здатна конденсуватися в капілярних порах людської волосини. Збільшення вологості призводить до зменшення угнутості менісків води в порах, завдяки чому волосина видовжується. Видовження волосини відбувається пропорційно логарифму відносної вологості.

Пучок таких волосин використовують в гігрографі - приладі для безперервного запису відносної вологості повітря (рис. 3.3).

 

Рис. 3.3. Схема гігрографа

 

Інші матеріали, що можуть бути застосовані як сенсори в гігрометрах - нейлон, бавовна, кишкова мембрана корови або свині. Перевагою волосяних гігрометрів є незалежність результатів вимірювань від температури - при зміні температури від мінус 30оС до +40оС величина похибки вимірювань знаходиться в інтервалі 1...3%. Волосяні гігрометри мають просту конструкцію та невисоку ціну. Недоліком волосяних гігрометрів є збільшення часового проміжку до реакції залежно від температури.

Ще одним недоліком гігрометрів є явище гістерезису - якщо гігрометр зберігають протягом кількох днів у сухому приміщенні, результати вимірювання вологості можуть значно (до 15%) відрізнятися від тих, що отримані за допомогою гігрометра, який тримали в вологому приміщенні. Через це гігрометри такого типу потребують постійного калібрування.

Ємнісний гігрометр. Основу приладу становить гігроскопічна полімерна плівка, з обох боків якої розташовані пористі металеві електроди (рис. 3.4 - а), що утворюють конденсатор ємністю близько 500 пФ. За поглинання плівкою молекул води об'єм плівки збільшується, відстань між електродами також збільшується, що приводить до зміни ємності конденсатора. Зовнішній вигляд ємнісного гігрометра зображено на рис. 3.4 - б.

 

     а)          б)

Рис. 3.4. Ємнісний гігрометр:

а) гігроскопічна полімерна плівка з металевими електродами; б) конструкція гігрометра

 

Ємнісний гігрометр застосовується для вимірювання відносної вологості. Перевагою приладу є його компактність (розміри приладу становлять 6 мм2), слабка залежність результатів вимірювань від зовнішньої температури, лінійність шкали в інтервалі 0...80% відносної вологості, швидкодія, малі значення гістерезису. Недоліком приладу є вплив зовнішніх забруднень на результати вимірювань. Гігрометри цього типу використовують в засобах автоматизованого контролю вологості повітря.

Конденсаційний гігрометр. Один з методів оцінки абсолютної вологості ґрунтується на вимірюванні точки роси. Якщо пласку гладеньку поверхню охолоджувати, можна спостерігати конденсацію вологи на ній. Температура поверхні в цей момент дуже близька до тієї, при якій повітря стає насиченою водяною парою, тобто до точки роси. Залишається тільки точно виміряти цю температуру. Конденсаційний гігрометр складається з маленького дзеркала, на яке нанесено тонкий антикорозійний шар золота. Дзеркало охолоджується напівпровідниковим елементом і опромінюється фотодіодом. Коли поверхня дзеркала вкривається росою, вона починає розсіювати оптичне випромінювання. Вертикальна компонента розсіяного випромінювання реєструється фотодетектором, електричний сигнал з виходу якого підсилюється й подається на систему підігрівання дзеркала. Нагріте дзеркало знову може бути охолоджене, і процес вимірювань триває. Визначення температури дзеркала за допомогою термодетектора дає змогу оцінити абсолютну вологість повітря. Перевагою приладу є його висока чутливість, можливість вимірювання абсолютної вологості в широкому інтервалі температур (від мінус 80 до +100оС) з точністю близько 1оС. Недоліком приладу є викривлення результатів вимірювання при низьких температурах, необхідність контролювання якості поверхні дзеркала, складність конструкції, висока ціна.

 

2. Вологість ґрунту

 

Ґрунт складається з твердих частинок, пори між якими заповнені повітрям (сухий ґрунт) або водою (ґрунтовий розчин). Але ці дві ситуації - екстремальні. Взагалі в порах є і повітря, і вода.

Вологість щодо сухої маси - це відношення маси води до сухої маси:

 

                  (3.1)

 

Вологість у процентах сухої маси визначається за виразом:

          Pm=qm · 100%       (3.2)

 

2.1 Методи вимірювання вологості ґрунту

Гравіметричний метод ґрунтується на визначенні маси води та маси сухого ґрунту. Зразок ґрунту нагрівають до 105оС до отримання сталої ваги. Процес триває 10...12 год. Вологість ґрунту визначають як відношення маси втраченої води до маси сухого ґрунту. Перевагою методу є можливість брати зразки безпосередньо з ґрунту за допомогою бура, простота процесу обчислень, невисока вартість обладнання. До недоліків слід віднести складність визначення води в ґрунті з неоднорідним профілем, потреба у багатьох зразках при дослідженнях залежності вмісту води від часу та простору, довготривалість методу.

Нейтронний метод використовує оцінку послаблення потоку швидких нейтронів атомами водню, що містяться в ґрунтовій воді. Металевий зонд діаметром близько 40 мм, що містить джерело швидких нейтронів і детектор повільних нейтронів, занурюють у грунт. Швидкі нейтрони поширюються радіально в ґрунті. Внаслідок пружних зіткнень з ядрами речовини ґрунту вони втрачають свою кінетичну енергію. При цьому, рівень послаблення швидких нейтронів пропорційний кількості атомів водню, істотним джерелом яких є ґрунтова вода. Повільні нейтрони оточують зонд, деякі з них потрапляють на детектор. Сигнал з виходу детектора через кабель подається на систему реєстрації.

Переваги методу - можливість оцінки води в великих ґрунтових об’ємах, можливість оцінки об’ємної вологості ґрунту, швидкість, здатність вимірювати вологість ґрунту протягом тривалого періоду часу.

Недоліками є необхідність роботи з радіоактивними джерелами, потреба у калібруванні приладу, висока вартість обладнання, неточність вимірювань поблизу ґрунтової поверхні.

Вимірювання поглинання гамма-випромінювання. Метод передбачає визначення вологості ґрунту у шарах товщиною 1...2 см. Принцип методу полягає в оцінці залежності рівня поглинання гамма-випромінювання від вмісту ґрунтової води за умови постійності густини ґрунту. Потік випромінювання діаметром близько 4,8 мм формується коліматором. Об’ємну вологість ґрунту визначають розрахунковим методом.

Метод має ті самі переваги та недоліки, що й нейтронний метод. Додатковою перевагою є можливість вимірювань на незначних горизонтальних та вертикальних відстанях. До додаткових недоліків можна віднести вплив неоднорідності ґрунтової густини та вмісту води на роздільну здатність методу, необхідність збігання двох отворів - від джерела та детектора, висока ціна та трудомісткість процесу вимірювань.

Діелектричний метод ґрунтується на вимірюванні частотної залежності комплексної діелектричної проникності ґрунту.

Діелектрична проникність речовини характеризує поляризацію діелектриків під впливом зовнішнього електричного поля. Вона показує, у скільки разів сила взаємодії між зарядами у вакуумі перевищує силу взаємодії між тими ж зарядами в даному середовищі. Через екранізацію вільних зарядів зв’язаними, що утворюються внаслідок поляризації середовища, виникає ослаблення взаємодії зарядів. Діелектрична проникність води є майже сталою величиною (близько 80), тоді як діелектрична проникність ґрунту дуже чутлива до об’ємної вологості ґрунту. Наприклад, зміні вмісту води у ґрунті від 20% до 21,8% відповідає зміна діелектричної проникності ґрунту від 3 до 5.

На практиці вимірювання діелектричної проникності ґрунту здійснюють за допомогою декількох підходів:

- визначення опору між двома електродами, розміщеними в ґрунті. Сенсор такого типу компактний, але проблема полягає в тому, що опір ґрунту істотно залежить від концентрації іонів в ґрунті, через що процес вимірювань потребує калібрування;

- вимірювання ємності конденсатора, який утворюється вологим ґрунтом між двома обкладинками. Цей метод характеризується невисокою вартістю, швидкодією та може бути застосований в автоматизованих системах вимірювання вологості ґрунту. Недоліком методу є необхідність калібрування.

Діелектричні методи характеризуються здатністю давати абсолютні величини вмісту води у ґрунті, вони можуть постачати інформацію з будь-якої глибини ґрунту з високою точністю.

Метод часової рефлектометрії передбачає генерацію високочастотного електромагнітного імпульсу та його поширення у грунт за допомогою двоелектродної або коаксіальної лінії (рис. 3.5).

При цьому вимірюється час між моментом посилання імпульсу та його реєстрації приймачем після відбивання від ґрунту.

Перевагою методу часової рефлектометри є швидкодія; метод дає змогу вимірювання об’ємної вологості ґрунту і не потребує калібрування. До недоліку слід віднести вплив солоності води на результати вимірювань.

 

 

Рис. 3.5. Метод часової рефлектометрії

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»