Oltre alla temperatura, l'umidità è un parametro molto importante. L'umidità relativa dell'atmosfera, ad esempio, ha un'influenza di vasta portata sul nostro benessere e sulla nostra salute. Nei processi industriali la corretta regolazione dell'umidità è spesso decisiva per la competitività e la qualità del prodotto. L'elenco delle applicazioni in cui la misurazione dell'umidità è considerata importante si può ampliare fino all'infinito. Ovunque il contenuto di vapore acqueo dell'aria possa produrre o influenzare processi chimici, fisici o biologici, è molto importante garantire un monitoraggio continuo dell'umidità.
L'aria pulita e secca contiene i seguenti costituenti (in vol %):
78.10 Vol.-% azoto
20.93 Vol.-% ossigeno
0.93 Vol-% argon
0.03 Vol.-% diossido di carbonio
0.01 Vol.-% idrogeno
insieme a quantità minori di neon, elio, kripton e xeno.
Oltre a questi costituenti, l'aria interna ed esterna contiene una serie di gas e solidi, nonché una certa quantità di umidità sotto forma di vapore acqueo. L'aria è quindi una miscela omogenea di diversi gas e può essere considerata un "gas ideale". La radiazione solare e il vento assicurano una miscelazione uniforme dei gas coinvolti, in modo che non vi sia stratificazione nonostante le differenze di peso specifico.
La pressione totale di una miscela di gas è costituita dalla somma delle pressioni parziali dei suoi costituenti. In parole povere, l'aria è costituita da aria secca e vapore acqueo.
P = Pw + Pdry
dove (Pw) rappresenta la pressione parziale prodotta dal vapore acqueo e (Pdry) la somma delle pressioni parziali di tutti gli altri gas.
L'aria è in grado di assorbire e immagazzinare una certa quantità di vapore acqueo a seconda della sua temperatura. Questa quantità aumenta con l'aumentare della temperatura. A qualsiasi temperatura particolare, la pressione del vapore acqueo risultante può aumentare solo fino al limite di saturazione che viene definito pressione di saturazione del vapore acqueo PS.
La pressione atmosferica e la presenza di altri gas o contaminanti non hanno alcuna influenza sul comportamento sopra descritto.
La curva della pressione del vapore acqueo indica il massimo di saturazione del contenuto di vapore acqueo nell'aria a diverse temperature.
La temperatura del punto di rugiada Td è la temperatura alla quale l'aria è satura di vapore acqueo; un'ulteriore aggiunta di vapore acqueo o il raffreddamento dell'aria provoca la condensazione. Il vapore acqueo in eccesso si condensa sotto forma di pioggia, nebbia o condensa. Lo stato di saturazione viene mantenuto. La temperatura del punto di rugiada è pari alla temperatura di saturazione del vapore acqueo e può essere al massimo di 100 °C a pressione normale.
Il contenuto di umidità dell'aria può essere caratterizzato da due parametri. Si distingue tra umidità relativa e umidità assoluta.
L'umidità relativa è definita come il rapporto tra l'effettiva pressione parziale di vapore Pw in un gas e la massima pressione di vapore possibile, cioè la pressione di vapore di saturazione Ps, alla particolare temperatura.
rH=100 * ( Pw / Ps (t) ) [%]
L'umidità relativa è un valore non dimensionale. Rappresenta un rapporto ed è specificato in percentuale. Poiché la pressione di saturazione dipende solo dalla temperatura dell'aria, ne consegue che anche l'umidità relativa dipende dalla temperatura.
L'umidità assoluta a è la quantità di vapore acqueo contenuta in un determinato volume d'aria.
a= massa di vapore acqueo / volume d'aria
L'unità di misura dell'umidità assoluta è il g/m3. La misurazione dell'umidità assoluta ha il grande vantaggio di rappresentare la quantità di acqua effettivamente presente in un gas, ad esempio indipendentemente dalla temperatura.
Qui viene rappresentato il rapporto tra la massa del vapore acqueo e la massa dell'aria secca. Di solito si utilizzano le unità g/kg di aria secca e %.
Indica quindi quanti grammi di vapore acqueo sono contenuti in un chilogrammo di aria secca. Nell'ingegneria di processo, la determinazione del contenuto d'acqua svolge un ruolo importante, in quanto fornisce dati molto più significativi rispetto all'umidità relativa.
Le dimensioni dell'umidità assoluta e relativa hanno una relazione fissa tra loro. Le unità di misura dell'umidità assoluta possono essere selezionate in base ai rispettivi requisiti.
Le unità più comuni sono:
Punto di rugiada (-temperatura) - °C
Rapporto di miscelazione - g/kg di aria secca
Umidità assoluta - g/m3
Unità di misura dell'umidità assoluta e loro relazione con l'umidità relativa
Le correlazioni corrispondenti sono mostrate nel diagramma i-x (diagramma di Mollier).
Valori misurati:
Temperatura dell'aria 28 °C
Umidità 60 % rH
Individuare i valori misurati nel diagramma e determinare il punto di intersezione A. Far cadere una linea verticale sul punto di intersezione e tracciarla fino ai bordi superiore e inferiore del diagramma. Il punto di intersezione sul bordo superiore dà la pressione del vapore acqueo e = 17 mm QS, che sul bordo inferiore dà il contenuto d'acqua X = 14 g/kg.
Valori misurati:
Temperatura dell'aria 28 °C
Umidità 60 % rH
Come descritto al punto a), determinare il punto di intersezione A. Dal punto di intersezione A andare in verticale fino all'umidità massima del 100% e da questo punto tracciare una linea sull'asse (a sinistra) con la divisione della temperatura. Il nuovo punto di intersezione dà come risultato una temperatura del punto di rugiada di 19,4 °C. La temperatura del punto di rugiada di 19,4 °C è uguale alla temperatura del punto di rugiada di 19,4 °C.
Relazione tra temperatura, umidità e umidità relativa
Per determinare l'umidità dell'aria si possono utilizzare diversi metodi di misurazione. La scelta del metodo di misurazione più adatto deve essere fatta dall'utente in relazione all'oggetto da misurare. Spesso è possibile ottenere una maggiore precisione di misurazione o soddisfare i requisiti desiderati con un dispositivo di misurazione dell'umidità semplice ma correttamente predisposto. Per assistenza generale, di seguito vengono descritti alcuni dei metodi di misurazione dell'umidità più noti e più frequentemente utilizzati e i loro campi di applicazione.
Psicrometro elettrico
Costruzione del sensore
Con il metodo di misurazione psicrometrica, l'umidità relativa dell'aria viene determinata direttamente. Il metodo di misurazione si basa sul principio dello scambio di calore.
Lo psicrometro è costituito essenzialmente da due sensori di temperatura indipendenti, uno dei quali viene utilizzato come sensore di temperatura di umidità e l'altro come sensore di temperatura a secco. Il sensore di temperatura di umidità è circondato da un tessuto assorbente imbevuto d'acqua. A seconda della temperatura o del contenuto di umidità dell'aria in circolazione, una certa quantità di vapore acqueo viene rilasciata per evaporazione attraverso un flusso d'aria necessario. Questo fa sì che la superficie del termometro umido si raffreddi sensibilmente (temperatura di bulbo umido). Allo stesso tempo, la temperatura dell'aria dell'ambiente (temperatura secca) viene misurata con il secondo sensore di temperatura. La differenza di temperatura psicrometrica così determinata è una misura dell'umidità relativa presente nell'aria.
Con lo psicrometro e un'attenta manipolazione, è possibile effettuare misurazioni precise dell'umidità dell'aria. Ad esempio, gli psicrometri ad aspirazione di Assmann sono utilizzati come dispositivi di riferimento e di controllo riconosciuti a livello internazionale. Un ventilatore integrato con avvolgimento a molla assicura una velocità media costante dell'aria di circa 3 m/s, che scorre intorno ai termometri. La differenza di temperatura viene letta su due termometri in vetro calibrati.
La valutazione viene effettuata manualmente utilizzando una tabella o un pannello psicrometrico grafico. Per una maggiore precisione di valutazione si possono utilizzare anche i grafici psicrometrici ad aspirazione del Servizio Meteorologico Tedesco, suddivisi in decimi di grado.
Oltre allo psicrometro ad aspirazione, sono disponibili diversi modelli. Il campo di applicazione della maggior parte degli psicrometri meccanici con termometri in vetro è limitato all'intervallo climatico per le misurazioni a temperature ≤ 60 °C. Il vantaggio di questi modelli è che non richiedono alimentazione.
Gli psicrometri elettrici consentono un campo di applicazione esteso. Le temperature di bulbo umido e di bulbo secco vengono misurate da termometri a resistenza Pt-100. Ciò significa che l'umidità relativa determinata secondo la "formula di Sprungsche" può essere visualizzata direttamente o ulteriormente elaborata in dispositivi di visualizzazione, controllo e registrazione controllati da microprocessore con circuiti di ingresso corrispondenti. L'intervallo di temperatura è compreso tra 0 e 100 °C.
Il metodo di misurazione psicrometrica è insensibile ad altri metodi di misurazione dell'umidità e quindi consente ampiamente di effettuare misurazioni in gas sporchi, contenenti solventi e aggressivi. Ad esempio, gli psicrometri elettrici sono utilizzati per misurazioni continue nell'industria della macelleria e del formaggio.
Con il metodo di misurazione psicrometrica, noto da oltre cento anni, è stato realizzato un metodo di misurazione dell'umidità semplice ed economico. Misurazioni continue e affidabili, tuttavia, richiedono il rispetto di criteri specifici per l'applicazione. Ad esempio, una ventilazione e un'umidificazione sufficienti e la manutenzione dell'apparecchiatura di misurazione. I dettagli sono riportati nelle istruzioni operative e procedurali del rispettivo strumento.
Il contenuto di umidità dell'aria ambiente, che dipende dalla temperatura, penetra nell'elettrodo superiore igroscopico del sensore di umidità sotto forma di vapore acqueo e raggiunge il film polimerico attivo.
La quantità di vapore acqueo assorbita dal film polimerico modifica le proprietà elettriche del sensore di umidità e ha l'effetto di cambiare la capacità. La variazione di capacità è proporzionale alla variazione dell'umidità relativa e viene valutata dall'elettronica a valle e convertita in un segnale di uscita standardizzato. L'elettronica di valutazione deve essere adattata alla capacità di base del rispettivo sensore di umidità.
Grazie allo speciale design e al basso peso morto dei sensori di umidità capacitivi, si ottengono tempi di risposta molto rapidi. Inoltre, sono largamente insensibili allo sporco leggero e alla polvere. Come protezione contro il contatto con la superficie, i sensori sono racchiusi in una custodia di plastica. Sono disponibili versioni a prova di rugiada per applicazioni in ambienti ad alta umidità.
I metodi di misura capacitivi sono utilizzati, ad esempio, nel settore climatico e nei processi industriali in cui non vi è un'elevata concentrazione di gas o soluzioni corrosive.
Il campo di misura standard dei sensori di umidità capacitivi è prevalentemente compreso tra il 10 e il 90 % RH. Con le versioni di qualità superiore, è possibile effettuare misure nell'intervallo tra 0 e 100 % RH.
Furore di lavoro di un sensore di umidità capacitivo per applicazioni industriali
Variazione della lunghezza dei capelli in base all'umidità relativa
Uno dei principali vantaggi del metodo di misura capacitivo è l'intervallo di temperatura in cui è possibile effettuare la misurazione dell'umidità. Ad esempio, i moderni sensori di umidità per applicazioni industriali consentono di effettuare misure tra -40 e +180 °C, registrando contemporaneamente anche la temperatura, disponibile come segnale di uscita standardizzato.
A seconda della versione dello strumento, sono possibili deviazioni del campo di lavoro visualizzato.
A causa della misurazione puramente elettrica, il metodo di misurazione capacitivo offre un ulteriore vantaggio. Ad esempio, i sensori di umidità di alta qualità dotati della più recente tecnologia a microprocessore possono essere equipaggiati con una varietà di opzioni e funzioni possibili.
Poiché le diverse pressioni del gas e le velocità dell'aria non hanno praticamente alcuna influenza sul sensore di umidità capacitivo, sono disponibili versioni del dispositivo che consentono misurazioni in sistemi con pressione compresa tra 0 e 100 bar.
La precisione di misura è compresa tra ±2 e ±5% rf, a seconda della versione dello strumento. In determinate condizioni, è possibile raggiungere anche precisioni di misura di ±1 % RH.
Il metodo di misurazione igrometrica sfrutta le particolari proprietà dei materiali fibrosi igroscopici per determinare l'umidità dell'aria. Se queste fibre vengono esposte all'aria ambiente, dopo un tempo di compensazione si verificano variazioni di lunghezza misurabili in base al contenuto di umidità dell'aria.
La rispettiva condizione della cellulosa consente ora di trarre una conclusione diretta sull'umidità dell'aria presente. Negli elementi di misurazione igrometrica si utilizzano principalmente fili di plastica appositamente preparati e capelli umani.
L'efficacia dell'elemento di misurazione si basa sul fatto che i capelli utilizzati sono in grado di assorbire l'umidità. L'assorbimento dell'umidità crea un effetto di rigonfiamento del capello, che si manifesta soprattutto con una variazione della lunghezza.
Con l'aumento dell'umidità i capelli si allungano. La variazione di lunghezza è di circa il 2,5% rispetto alla lunghezza dei capelli con una variazione di umidità da 0 a 100%. I capelli, tuttavia, mostrano solo un allungamento relativamente ridotto in presenza di umidità elevata (vedi figura sopra).
Gli elementi di misurazione dei capelli sono utilizzati di preferenza negli strumenti di misurazione per applicazioni climatiche. La variazione di lunghezza del capello viene trasferita a una lancetta o a una matita mediante una speciale trasmissione meccanica di precisione. Per motivi di stabilità meccanica, diversi capelli vengono combinati per formare un fascio di capelli o un'arpa di capelli.
Il metodo di misurazione garantisce un'accuratezza di ±3 % nell'intervallo di misurazione da 0 a 90 (100) % RH. Sono possibili temperature ambiente da -35 a +50 °C. Per un uso prolungato in un intervallo di bassa umidità inferiore al 40 % RH, l'elemento del capello deve essere rigenerato. A tal fine, l'igrometro a capello viene esposto ad aria quasi satura (circa 94-98 %) per circa 60 minuti. Una eventuale correzione della posizione della lancetta può essere effettuata con una vite di regolazione. Gli igrometri a capello sono sensibili alla polvere igroscopica e devono quindi essere protetti o puliti a intervalli regolari.
L'elemento di misura in plastica utilizza fili di plastica invece di capelli umani. Un processo speciale conferisce anche a queste fibre proprietà igroscopiche. Le variazioni dell'umidità relativa causano una variazione proporzionale della lunghezza dell'elemento di misura. L'allungamento viene trasmesso anche tramite una trasmissione meccanica di precisione.
Il vantaggio dell'elemento di misura in plastica è che può essere utilizzato a temperature più elevate (fino a 110 ºC) e anche per un periodo di tempo più lungo a bassa umidità relativa. Una rigenerazione nota dagli elementi di misurazione dei capelli non è necessaria qui.
L'elemento di misura in plastica è resistente all'acqua e insensibile a sporco secco, polvere, lanugine e contaminazione simile. Il campo di misura o di lavoro è (0)30-100 % RH, ma dipende dalla temperatura ambiente (vedi figura sotto). La precisione di misurazione è dal 2 al 3 %.
I trasduttori igrometrici con elemento plastico sono utilizzati per misure continue nell'ingegneria dei processi industriali e in applicazioni climatiche grazie alla loro elevata insensibilità e alla maggiore compatibilità termica. A seconda della rispettiva applicazione, sono disponibili un'ampia varietà di versioni di strumenti.
Temperatura e umidità massima di un elemento di misura in plastica
Questi includono, ma non sono limitati a:
Il cambiamento di lunghezza dell'elemento di misura in plastica viene rilevato da un sistema adatto e di solito convertito in un segnale di resistenza lineare. Sono disponibili anche versioni con trasmettitori a due fili integrati, per cui sono disponibili segnali di corrente e tensione standardizzati in uscita. I dispositivi con un ulteriore intervallo di misurazione della temperatura sono denominati trasduttori igrotermo.
L'igrografo è un registratore di umidità registrante con elementi di misura igrometrici per capelli o plastica. È possibile anche un'ulteriore registrazione della temperatura (igrotermografo). I campi di applicazione sono ad es. le stazioni meteorologiche.
L'igrografo è un registratore di umidità registrante con elementi di misura igrometrici per capelli o plastica. È possibile anche un'ulteriore registrazione della temperatura (igrotermografo). I campi di applicazione sono ad es. le stazioni meteorologiche.
Con il metodo di misurazione igrometrico sono generalmente possibili misurazioni dell'umidità in aria non pressurizzata e non aggressiva. Le misurazioni in mezzi aggressivi e contenenti solventi dovrebbero essere evitate, poiché il loro tipo e la loro concentrazione possono causare misurazioni errate o distruggere l'elemento di misura.
La sezione sui metodi di misurazione dell'umidità e i loro campi di applicazione tratta i principi di base. Le versioni descritte degli strumenti e le specifiche tecniche possono pertanto differire da quelle del costruttore. Informazioni più dettagliate possono quindi essere trovate nelle istruzioni per l'uso o nelle schede tecniche dei singoli strumenti.