Definicje wilgotności materiałów

Wstęp

Pomiary wilgotności są na drugim miejscu za temperaturą w miernictwie wielkości nieelektrycznych. W większości przypadków pomiary wilgotności odnoszą się do wilgotności powietrza (czyli gazu). W poniższym artykule skupimy się głównie na definicji wilgotności materiałów typu ciała stałe i ciecze. Dla gazów wilgotność jest definiowana w odmienny sposób.

Nazewnictwo

Jak to zostało zasygnalizowane we wstępie termin wilgotność (ang. humidity)  najczęściej odnosi się do wilgotności powietrza. W języku angielskim bardziej powszechne jest odróżnienie wilgotności powietrza (ang. air humidity) od wilgotności materiału (ang. material moisture). Moisture tłumaczmy jako wilgoć. W języku polskim polskim nazwa „wilgoć materiału” raczej nie funkcjonuje – już bardziej „zawartość wilgoci w materiale” ale jest to wielowyrazowe określenie i w języku mówionym się nie przyjęło (tzw. zasada oszczędzania wysiłku – dążenie do zmniejszania ilości słów/wyrazów). Przyjęło się za to określenie „mierniki wilgoci” (dotyczą materiału) w odróżnieniu od mierników wilgotności (na ogół dotyczą wilgotności powietrza).

Dodatkowo sprawę nazewnictwa komplikuje możliwość określenia wilgoci materiału na podstawie wilgotności powietrza, którym materiał jest otoczony – tzw. metoda równowagowa pomiaru wilgoci (stosowana dla materiałów higroskopijnych tzn.takich, które chłoną parę wodną z powietrza np. drewno, papier). Podsumowując – dla pewności przy pomiarach wilgotności należy zwrócić uwagę czy chodzi o wilgotność powietrza czy materiału, bo inaczej definiuje się wilgotności dla ciał stałych a inaczej dla gazów (np. powietrza). Również sama wilgotność materiału jest różnie wyrażana – o czym poniżej.

Definicje wilgotności materiałów

Wilgotność materiału informuje o ilości wody materiale. Są różne definicje wilgotności materiałów. Niestety nie ma jednolitych symboli literowych przyjętych dla wilgotności materiału ani w języku polskim ani w angielskim. W artykule został przyjęty symbol literowy M (od ang. Moisture) dla wilgotności materiałów.

  • Wilgotność bezwzględna (Moisture absolute)
    • Jak wynika  z powyższego wzoru wilgotność bezwzględna jest to stosunek masy wody zawartej w materiale do masy suchego materiału (pomnożony razy 100 aby uzyskać wynik w procentach)
    • W wilgotności bezwzględnej  masa wody jest odniesiona do masy materiału suchego, dlatego często wilgotność bezwzględna określana jest jako wilgotność sucha  (ang. dry basis moisture)
    • Wilgotność bezwzględna może przekroczyć 100%
    • Wilgotność bezwzględna jest stosowana np. przy pomiarach wilgotności drewna
    • Inne nazwy dla wilgotności bezwzględnej to wilgotność masowa, ang. Gravitmetric Water Content (GWC), lub ang. Moisture Ratio
  • Wilgotność względna (Moisture relative)
    • Jak wynika z powyższego wzoru wilgotność względna jest to stosunek masy wody zawartej w materiale do masy wilgotnego materiału (masa wody + masa suchego materiału) pomnożony razy 100 aby uzyskać wynik w procentach
    • W wilgotności względnej  masa wody jest odniesiona do masy materiału mokrego, dlatego często wilgotność względna określana jest jako wilgotność mokra (ang. wet basis moisture)
    • Wilgotność względna  nie przekracza 100%
    • Wilgotność względna jest używana do określania wilgotności wielu materiałów np.: zbóż, trocin, pelletu
  • Wilgotność objętościowa (Moisture volumetric)
    • Wilgotność objętościowa  nie przekracza 100%
    • Inne nazwy dla wilgotności objętościowej ang. Volumetric Water Content (VWC)
    • Wilgotność objętościowa oznaczana jest często literą grecką θ
    • Wilgotność objętościowa jest najczęściej stosowana w pomiarach wilgotności gleby. Jest bardzo wiele typów podłoży glebowych, które różnią się gęstością. Zastosowanie wilgotności objętościowej ułatwia porównywanie wilgotności gleb między sobą.  

Porównanie wilgotności względnej i bezwzględnej

Wilgotność względna jest najczęściej używaną miarą wilgotności. Jest prosta w interpretacji i praktyczna w użyciu. Na przykład jeżeli wilgotność względna kukurydzy wynosi 15% to oznacza,  że  np. w próbce 100 gram kukurydzy 15 gramów stanowi woda a 85 gramów  to sucha masa kukurydzy.

Jeżeli chodzi o wilgotność bezwzględną, to dobrze definicję tej wilgotności oddaje angielska nazwa „moisture ratio” – wilgotność bezwzględna jest stosunkiem masy wody do masy suchego materiału.  Korzystając z tego samego przykładu jak wyżej, jeżeli 85 gramów to sucha masa kukurydzy a 15g to woda, więc wilgotność bezwzględna będzie wynosiła (15/85)*100 = 17.6%. Wilgotność bezwzględna jest zawsze większa od wilgotności względnej.  Wilgotność bezwzględna ma zastosowanie w badaniach naukowych oraz przy przetwórstwie materiałów. Ze względów historycznych wilgotność bezwzględna jest używana przy pomiarach wilgotności drewna.

Poniższy wykres przedstawia relacje między wilgotnością względną i bezwzględną.

Charakterystyczną wartością wilgotności względnej  jest 50%  – wtedy wilgotność bezwzględna wynosi 100%. Dla wilgotności do 10% wilgotność względna i bezwzględna różni się nieznacznie (nie więcej niż ok. 1%).

Przeliczenia wilgotności materiałów

Wilgotności materiałów różnie zdefiniowane powyżej można przeliczać między sobą w razie potrzeby wg poniższych wzorów:

Przykład obliczania wilgotności materiałów

Materiałem wzorcowym do obliczeń będzie porowata gąbka.

Założenia i wstępne wyliczenia:

  • Masa mokrej gąbki = 110 gramów
  • Masa suchej gąbki = 53 gramy
  • Masa wody w gąbce = 110-53 = 57 gramów
  • Objętość wody w gąbce – ok. 57cm3
    • Gęstość wody wynosi ok. 1g/cm3 -> objętość  wody 57g/(1g/cm3)=57cm3
  • Objętość gąbki = 8x20x5cm = 800cm3

Obliczenia:

Podsumowanie

Powyższy przykład pokazuje duże różnice wilgotności materiału w zależności od typu wilgotności. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę w danych technicznych czujnika/miernika jaka wilgotność jest na wyjściu czujnika.  W razie potrzeby można dokonać odpowiedniego przeliczenia na potrzebny typ wilgotności. W  panelu odczytowym WL-50  można ustawić odpowiedni typ wilgotności, taki jaki jest potrzebny dla danego zastosowania.