badanie potencjału wody w materiałach budowlanych za pomocą

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 1
2008
Łukasz GUZ1 i Henryk SOBCZUK1
BADANIE POTENCJAŁU WODY
W MATERIAŁACH BUDOWLANYCH
ZA POMOCĄ SONDY PSYCHROMETRYCZNEJ
WATER POTENTIAL MEASUREMENT IN POROUS MATERIALS
WITH PELTIER PSYCHROMETER
Streszczenie: Nadmierne zawilgocenie przegród budowlanych w znacznym stopniu przyśpiesza niszczenie
materiału, z którego wykonana jest przegroda. Wilgoć moŜe powodować uszkodzenia fizyczne, chemiczne
i biologiczne. Zawilgocony materiał podlega szybszej korozji, moŜe stanowić podłoŜe do rozwoju
mikroorganizmów, traci swoje zdolności termoizolacyjne, a jeŜeli wykroplona w przestrzeni porowatej wilgoć
zamarznie, następuje zniszczenie struktury materiału. Obecnie przegrody w nowo powstających budynkach
projektowane są w taki sposób, by uniemoŜliwić transport wilgoci w przegrodę oraz wykraplanie się w niej pary
wodnej. Istnieje jednak wiele budynków czy zabytków, które naleŜy poddać termomodernizacji lub renowacji.
W takim przypadku niezbędna jest znajomość stanu zawilgocenia materiału, z którego są wykonane przegrody
budowlane. Istnieje więc konieczność pomiaru zawilgocenia całego przekroju przegrody budowlanej.
Najprostszym sposobem pomiaru zawilgocenia jest metoda suszarkowo-wagowa, która jest jednak metodą
destrukcyjną, gdyŜ wymaga wycięcia z przegrody kawałka materiału. Za pomocą psychrometrycznej sondy
Peltiera moŜna zmierzyć potencjał wody, który jest wyznacznikiem tego, jak silnie materiał porowaty wiąŜe wodę.
Dzięki temu moŜe być obliczona wilgotność względna materiału porowatego. Aby wykonać pomiar potencjału
wody za pomocą sondy, naleŜy ją umieścić w wywierconym otworze i po ustabilizowaniu się warunków
termodynamicznych między powietrzem w materiale porowatym a powietrzem otaczającym termoparę wykonać
odpowiednie procedury związane z pomiarem. Do odczytu napięcia z sondy niezbędny jest bardzo dokładny
mikrowoltomierz. KaŜda sonda psychrometryczna musi być skalibrowana za pomocą roztworów soli o róŜnych
stęŜeniach molowych. Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe metoda pomiaru potencjału wody za pomocą sondy
psychrometrycznej jest dokładna i co bardzo waŜne, daje powtarzające się wyniki. MoŜliwy jest pomiar
wilgotności względnej w zakresie od 95 do 99%. Jest takŜe elastyczną metodą, gdyŜ pomiarów moŜna dokonywać
w szerokim zakresie temperatur, a wszystkie otrzymane wyniki moŜna porównywać po uprzednim przeliczeniu
ich do temperatury standardowej. Wszystko to czyni sondy psychrometryczne bardzo przydatnym narzędziem nie
tylko w laboratorium, ale równieŜ w terenie.
Słowa kluczowe: psychrometr, sonda psychrometryczna, sonda Peltiera, potencjał wody, wilgotność względna,
wilgoć, zawilgocenie
Potencjał wody Ψ jest miarą energii wiązania wody w danym układzie w porównaniu
do energii wiązania w czystej wodzie, najczęściej wyraŜa się go w jednostkach ciśnienia kPa [1]. Potencjał wody (nazywany równieŜ potencjałem całkowitym lub ciśnieniowym)
składa się z kilku elementów składowych: matrycowego, osmotycznego, grawitacyjnego,
temperaturowego i gazowego. Jednak w uproszczeniu przyjmuje się, Ŝe potencjał wody Ψ
jest sumą ssania matrycowego ΨM i osmotycznego ΨO [2]:
Ψ = ΨM + ΨO
(1)
Potencjał wody Ψ [Pa] moŜe być obliczony za pomocą wzoru:
1
Wydział InŜynierii Środowiska, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 40B, 20-618 Lublin,
tel. +48 81 538 44 81, email: [email protected], [email protected]
186
Łukasz Guz i Henryk Sobczuk
Ψ=−
R ⋅ T  Pw 
ln
Vw  p ″ 
 w 
(2)
gdzie: R - uniwersalna stała gazowa (R = 8,3144 [J/mol·K]), T - temperatura materiału
porowatego [K], Vw - objętość molowa wody (Vw = 1,8·10–5 [m3/mol]), pw/pw" - stosunek
ciśnienia pary wodnej, do ciśnienia pary wodnej w stanie nasycenia (wilgotność względna)
[3].
W celu dokonania pomiarów psychrometrycznych sondę umieszcza się w badanym
materiale. Wymaga to najczęściej wywiercenia otworu, a jeŜeli materiał jest sypki, moŜe
się to odbyć poprzez wciśnięcie sondy. Po ustabilizowaniu się warunków termicznych
i wilgotnościowych, co trwa minimum 40 minut, moŜna przystąpić do dokonywania
pomiarów wg następujących kroków [4]:
1. Pomiar temperatury sondy psychrometrycznej.
2. Pomiar napięcia, kiedy spoina miernicza jest sucha (napięcie odniesienia).
3. Przepuszczenia prądu w takim kierunku, aby spowodować podgrzanie i osuszenie
spoiny mierniczej (konieczne w przypadku wykonywanych wcześniej pomiarów).
4. Przepuszczenia prądu w takim kierunku, aby spowodować ochłodzenie spoiny poniŜej
punktu rosy oraz wykroplenie się na niej wilgoci.
5. Rozłączenie prądu chłodzącego oraz monitoring przebiegu napięcia generowanego
samorzutnie w obwodzie spoiny mierniczej i spoin odniesienia.
6. Obliczenie wilgotności względnej na podstawie krzywej kalibracyjnej sondy.
Podczas chłodzenia termopary prądem zachodzą dwa konkurencyjne zjawiska.
Pochłanianie ciepła w spoinie proporcjonalne do natęŜenia prądu spowodowane zjawiskiem
Peltiera oraz wydzielanie ciepła Joule’a proporcjonalne do kwadratu natęŜenia prądu [5].
Zastosowanie zbyt duŜego natęŜenia prądu powoduje, Ŝe ogrzewanie przewaŜa nad
chłodzeniem i spadek temperatury złącza nie zachodzi. Teoretyczna wartość natęŜenia
prądu dla psychrometrów z drutami średnicy 0,0025 cm, obliczona przez Rawling [6],
wynosi od 3 do 4 mA. W eksperymencie dobrano optymalną wartość prądu jednakową dla
wszystkich pomiarów.
Sondy psychrometryczne mają róŜne charakterystyki zmian napięcia wyjściowego,
dlatego dla kaŜdej sondy musi być wykreślona krzywa kalibracyjna korelująca napięcie
z wartością potencjału wody w badanym materiale porowatym. Do ustalenia zaleŜności
Ψ = f(µV) stosuję się roztwory soli NaCl lub KCl o róŜnych stęŜeniach. Jest to moŜliwe
dlatego, Ŝe roztwory soli charakteryzują się znanym potencjałem osmotycznym [7],
a wskutek tego powietrze nad roztworem ma określoną przez stęŜenie soli wilgotność
względną.
Kalibracja sond psychrometrycznych
W badaniach sondy psychrometryczne były kalibrowane poprzez zanurzenie
w roztworach soli NaCl o stęŜeniach: 0,2; 0,4; 0,7; 1,0; 1,4; 1,6 oraz 1,8 M. Kalibrowanie
odbywało się w izolowanej termicznie komorze, aby nie dopuścić do znacznych wahań
temperatury. W wyniku kalibracji otrzymano krzywe psychrometryczne dla kaŜdej sondy.
Przykładową krzywą dla wybranej sondy przedstawiono na rysunku 1.
Dla kaŜdej sondy dokonywano pomiaru co godzinę przez 5 dni. Przed kaŜdym pomiarem
został przepuszczony przez sondy w odwrotnym kierunku prąd Peltiera
Badanie potencjału wody w materiałach budowlanych za pomocą sondy psychrometrycznej
187
o wartości 5 mA przez 5 s. Zabieg ten miał na celu osuszenie termopary z wody, która
mogła pozostać po poprzednich pomiarach. Wartość prądu chłodzącego była w większości
pomiarów jednakowa i wynosiła 5 mA, natomiast czas przepływu prądu chłodzącego przez
termoparę był zaleŜny od stęŜenia roztworu.
Rys. 1. Krzywe psychrometryczne dla wybranej sondy w roztworach soli NaCl o róŜnych stęŜeniach
Fig. 1. Psychrometric curves for chosen probe in salt solution with different concentration
Za pomocą mikrowoltomierza LOM/mPts udało się uzyskać prawidłowo wyglądające
krzywe psychrometryczne dla roztworów NaCl o stęŜeniach od 0,4 do 1,6 M. Dla roztworu
o stęŜeniu poniŜej 0,4 M kształt krzywej psychrometrycznej był płaski bez widocznego
plateau. Roztwory o stęŜeniu poniŜej 0,4 M mają potencjał osmotyczny, który odpowiada
wilgotności względnej większej niŜ 99%. Przy takiej wilgotności względnej wykroplona
wilgoć na spoinie mierniczej w niewielkim stopniu odparowuje i powoduje niemierzalne
zmiany temperatury spoiny. Roztwór o stęŜeniu powyŜej 1,6 M ma potencjał osmotyczny,
który odpowiada wilgotności względnej poniŜej 95%. Krzywa psychrometryczna dla takich
stęŜeń nie miała charakterystycznego plateau, co moŜe sugerować, Ŝe nie nastąpiło
wykroplenie się wilgoci na spoinie mierniczej sondy psychrometrycznej. Zastosowanie
prądu 5 mA o długim czasie działania powyŜej 300 sekund równieŜ nie przyniosło
oczekiwanego efektu. Temperatura spoiny mierniczej szybko powracała do stanu
początkowego.
Wahania temperatury w cyklu dobowym w komorze pomiarowej mieściły się
w zakresie od 23,2 do 26,8°C. Mimo znacznych zmian temperatury podczas kalibracji
dochodzących do ∆t = 3,6°C wyniki pomiarów okazały się w bardzo duŜym stopniu
powtarzalne. Teoretyczna wartość róŜnicy temperatury podczas kalibracji nie powinna
wynosić więcej jak ±0,3°C [3]. Powtarzalne charakterystyki sugerują, iŜ stabilizacja
temperatury podczas kalibracji nie musi być na tyle precyzyjna, aby otrzymać dostatecznie
dokładne wyniki. UmoŜliwia to dokonywanie kalibracji w laboratoriach niewyposaŜonych
w odpowiedni sprzęt lub nawet w terenie.
Krzywe psychrometryczne posłuŜyły do obliczenia i wykreślenia krzywej kalibracyjnej
dla kaŜdej sondy, dzięki której moŜna bezpośrednio korelować napięcie wyjściowe z sondy
188
Łukasz Guz i Henryk Sobczuk
z potencjałem wody w badanym materiale. Przykładowa krzywa kalibracyjna
przedstawiana została na rysunku 2. Współczynnik korelacji dla krzywych kalibracyjnych
mieści się w granicach 0,933÷0,998. Jest to bardzo dobry wynik, biorąc pod uwagę fakt
braku precyzyjnej stabilizacji temperatury podczas kalibracji sond.
Napięcie wyjściowe [µV]
Potencjał wody
Rys. 2. Krzywa kalibracyjna dla wybranej sondy
Fig. 2. Calibration curve for chosen probe
Czas chłodzenia termopary
Czas przepuszczenia prądu chłodzącego przez termoparę był zaleŜny od stęŜenia
roztworu soli kalibrującej. Potencjał osmotyczny roztworów soli rośnie wraz ze wzrostem
stęŜenia, a tym samym niezbędny jest dłuŜszy czas stosowania prądu chłodzącego Peltiera,
aby wykroplić parę na termoparze. Średnie czasy chłodzenia w zaleŜności od potencjału
wody (więc takŜe od stęŜenia roztworu) zebrane podczas doświadczeń zostały
przedstawione na rysunku 3a. Z rysunku moŜna dostrzec, Ŝe krzywa czasu chłodzenia
przypomina kształtem krzywą logarytmiczną. Na rysunku 3b te same dane zostały
wykreślone w półlogarytmicznym układzie współrzędnych, w ten sposób wyniki czasów
chłodzenia dają się opisać równaniem linii prostej. Współczynniki regresji oraz korelacji
zostały obliczone statystycznie metodą najmniejszych kwadratów. Współczynnik korelacji
dla takiej prostej opisanej równaniem y = –0,478x + 1,268 wynosi r = 0,98.
Po odpowiednich przekształceniach powyŜszego równania, został wyprowadzony wzór
na czas chłodzenia w zaleŜności od potencjału wody, który moŜe być uŜywany do sond
o podobnej konstrukcji:
t = e −0,478Ψ +1,268
gdzie: t - czas chłodzenia spoiny mierniczej w sondzie [s], Ψ - potencjał wody [MPa].
Badanie potencjału wody w materiałach budowlanych za pomocą sondy psychrometrycznej
189
Ln(czas chłodzenia [s])
Czas chłodzenia [s]
Potencjał wody [MPa]
Potencjał wody [MPa]
Rys. 3. Krzywe określające czas chodzenia termopary
Fig. 3. Curves determining time of thermocouple cooling
Wnioski
Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe za pomocą sond psychrometrycznych moŜliwy
jest pomiar potencjału wody od –1824 do –7631 kPa, co odpowiada wilgotności względnej
95÷99%. Większość dostępnych mierników wilgotności względnej nie pokrywa tego
zakresu. Ten zakres wilgotności względnych występuje w pobliŜu punktu rosy i ma bardzo
niszczący wpływ na materiały i struktury budowlane. W przegrodach, w których występuje
ryzyko wykroplenia wilgoci w przestrzeniach porowatych, powietrze ma wilgotność
względną bliską 100%. W takich wypadkach pomiary zawilgocenia innymi metodami dają
niedokładne wyniki i wtedy uzasadniony jest pomiar zawilgocenia materiałów za pomocą
sond psychrometrycznych.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Sobczuk H.: Badanie przepływu ciepła i wody w materiałach budowlanych, [w:] II Kongres InŜynierii
Środowiska, tom I. Monografie Komitetu InŜynierii Środowiska PAN, 2005, 32, 77-91.
Wójcik E.: ZaleŜność między wilgotnością a ciśnieniem ssania w profilu mio-plioceńskich iłów na Stegnach.
Przegl. Geolog., 2005, 53(8), 699-702.
Andraski B.J. i Scanlon R.: Thermocouple Psychrometry, [w:] Methods of soil analysis (pr. zbior. pod red.
H. Dane, G.C. Topp). Soil Science Society of America, Madison, Wisc. 2002, 609-649.
Kassem E.: Measurements of moisture suction in hot mix asphalt mixes. Texas A&M University 2005, 7-26.
Wiebe H.H., Campbell G.S., Gardner W.H., Rawlings S.L., Cary J.W. i Brown R.W.: Measurement of plant
and soil water status. Utah State Univ., Logan, UT, 1971, 2-26.
Rawlins S.L.: Theory for thermocouple psychrometers used to measure water potential in soil and plants
samples. Agricult. Meteorol., 1966, 3, 293-310.
Skierucha W., Walczak R.T. i Wilczek A.: Monitoring system for verification of mass and energy transport
models, [w:] Porous media. Institute of Agrophysics PAS, Lublin 2004, 40-50.
WATER POTENTIAL MEASUREMENT IN POROUS MATERIALS
WITH PELTIER PSYCHROMETER
Summary: Moisture deteriorates buildings materials. It causes physical, chemical and biological damages. Moist
materials are susceptible for corrosion, provide suitable conditions for microbe growth and have diminished
thermal insulation properties. If condensed vapor in porous spaces freezes it can destroy the structure of material.
New buildings are designed to prevent water transport and vapour condensation in the building barriers. But there
still exist many old or historical buildings which require renovation. In this case, the knowledge of moisture
content is necessary because high moisture levels change physical properties of the materials and the measurement
should be possible in almost all zones of the barriers. The simplest one is the gravimetrical measurement method.
190
Łukasz Guz i Henryk Sobczuk
This is a destructive method because it requires cutting the samples from the building barriers. This underlines the
necessity to develop a simple and non-destructive measurement method that allows measurement in wide range of
humidity. Such method is adopted from agrotechnic measurement. Thermocouple psychrometry is a technique that
determines the water potential of liquid phase of porous buildings materials. To run the water potential
measurement experiment, the psychrometer probe must be placed in a drilled hole. After attaining the temperature
and the vapor pressure equilibrium between the the air in porous material and the space surrounding the probe,
a series of measurement procedures must be followed. Very sensitive microvoltometer is required to make voltage
drop readings from the thermocouple. Experiments made prove that the thermocouple psychrometry measurement
of water potential is a very accurate method and permits to get stable and repeatable results. Relative humidity can
be determined in range between 90 and 99%. This method is also very flexible because it gives the opportunity to
make measurements in a wide range of temperatures and then compare the results to the standard temperature after
simple conversion. All this advantages make thermocouple psychrometry a very useful method of relative
humidity determination in laboratory and field measurement.
Keywords: psychrometer, Peltier psychrometer, water potential, humidity, relative humidity, RH, moisture