Vlhkostní kalkulačka

Zabýváte-li se metrologií vlhkosti, na vlastní kůži brzy zjistíte, že neustále potřebujete přepočítávat vlhkostní veličiny mezi sebou. Potřebujete například vědět, jaká je hodnota vlhkosti vyjádřená v relativní vlhkosti, když znáte teplotu a rosný bod, či naopak. To se uplatňuje při kalibracích měřidel. Jak často? Přímo neustále.

Kulhající konkurence? Jak kdy

Nemá smysl zastírat, že na trhnu existují komerční produkty k tomu určené. Některé jsou dostupné volně, u jiných je potřeba si připlatit. Placené verze obvykle stojí řádově několik tisíc korun. Kromě designu a nabízených funkcí se takové kalkulačky liší i v kvalitě výpočtu. Některé vlhkostní kalkulačky počítají lépe, jiné hůře. Je to dáno hlavně tím, že použité vzorce mohou být poměrně komplexní a jejich implementace do programu je pak výrazně náročnější. V takových případech se používají matematicky jednodušší výrazy, nebo zjednodušující předpoklady (stavové chování ideálního plynu apod.). Proto pokud potřebujete pro přepočty vlhkostních veličin přesné hodnoty, je potřeba se poohlédnout po skutečně kvalitní kalkulačce. To platí zejména při práci za jiných (vyšších) než atmosférických tlaků, kde vliv přítomnosti média značně roste. Relativně se vliv tlaku na vypočtené hodnoty běžně pohybuje od jednotek procent po desítky procent při tlacích v jednotkách MPa.

Zkušenost s konkurencí

Moje osobní zkušenost s několika takovými programy je taková, že buď nepoužívají korekční faktory vůbec, nebo jen s velmi podivnými výsledky. Může se dokonce stát, že korekční faktory jsou implementovány do programu správně, ale přesto ho nelze spolehlivě použít. Domnívám se, že jde o výjimku, nicméně se může stát, že program má sice různé možnosti nastavení, ale je jen velmi obtížné zajistit jistou opakovatelnost tak, aby spolehlivě fungoval vždy se zadaným nastavením. Pokud např. zapnete použití korekčních faktorů, očekáváte, že program je opravdu použije a ne ,,jak kdy“. Nastavení zřejmě někdy nereagovalo správně a na výsledky se pak nešlo spolehnout.

Neduhy a motivace

To mě přivádí k poslednímu neduhu komerčních programů a to tím největším: aplikace může vypadat sebelíp, používat sebelepší rovnice a nabízet různé funkce, ale do takového pěkného komerčního programu nevidíme. Na jednu stranu je to pochopitelné – autoři si chrání svoje know-how, svůj kód. Jenže na stranu druhou my jako uživatel nikdy nevíme, reálně jaké rovnice a postup vlastně program používá. Jinými slovy nevíme, co je pod pokličkou – pomocí jakých rovnic se výpočet řeší, nebo jakým postupem. S ohledem na typickou složitost výpočtu některých veličin, především korekčního faktoru, je riziko chyby poměrně vysoké a uživatel si nemůže provést žádnou kontrolu, nebo jen ověření, že výpočet se odehrává podle jeho potřeb (např. konkrétní norma, nebo vědecký článek apod.).

Řekl jsem si že ne, takhle to nepůjde a rozhodl se udělat vlastní program. Kromě obrovského výukového potenciálu takové tvorby můžu totiž kdykoliv zasáhnout a provést případné změny. Do programu vidím a vím tak naprosto přesně, jak a s jakými klíčovými rovnicemi kalkulačka počítá.

Ukázka z Vlhkostní kalkulačky

Níže je náhled na grafické rozhraní vytvořené Vlhkostní kalkulačky verze 1.03.

Co program umí

Kalkulačka nabízí několik možností. Můžete si vybrat mezi použitou rovnicí, dále jestli chcete použít enhancement faktor či ne, typ nosného média a v zadání pak nastavíte požadovanou vstupní veličinu a napíšete její hodnotu společně s některými dalšími daty. Jak jsem psal v úvodu, k dispozici jsou veličiny: rosný bod/bod ojínění (dew point/frost point), relativní vlhkost a parciální tlak vodní páry.

Pokud nevíte, co je enhancement faktor, tak v podstatě se jedná o korekční faktor – takovou berličku používanou ve vlhkostní praxi – pomocí které se koriguje vliv média. Médium je v tomto případě vzduch. Rovnice popisující vliv parciálního tlaku na teplotě jsou totiž udané pro rovnováhu nad čistou vodou bez přítomnosti jiných plynů (vzduch). Molekuly vzduchu ovšem způsobují to, že zvýší parciální tlak nasycených par. Vzduch se vlastně chová jako takové rozpouštědlo pro molekuly vody, které pomáhá dostávat z povrchu kapaliny do plynného skupenství.
Vedle toho je možné přepočítat danou veličinu z měřeného tlaku na jiný, což je také velmi častá operace.

Čeština je možná nejdokonalejší jazyk na světě, ale v praxi to nestačí

Pár lidí u nás sice může mít z kalkulátoru radost, ale cizinec by si mohl vylámat zuby už na slově ,,vlhkostní“. Pro zahraniční uživatele tak existuje i anglická mutace původní verze. Náhled na grafické rozhraní níže.

Ohlasy

Co mě překvapilo asi nejvíce jsou reakce lidí, které přišli do kontaktu s Vlhkostní kalkulačkou. Nechci se tímto prostřednictvím chlubit, to jistě ne, nicméně prozatím jsou reakce velmi pozitivní. Velké procento lidí, které se o kalkulátoru doslechlo – ať už prostřednictvím přednášky nebo z doslechu – mělo o něj zájem. A to mě opravdu těší, protože i když to bude znít jako klišé, tak můžu dělat něco, co mě baví a ostatním lidem to navíc přijde užitečné. A je to vážně krásný pocit. Tak vím, že ta práce měla a má smysl.

Shrnutí

O programu

Program Vlhkostní kalkulačka umožňuje výpočet a přepočet v praxi nejpoužívanějších vlhkostních veličin v metrologii vlhkosti (rosný bod, bod ojínění, relativní vlhkost, parciální tlak, absolutní vlhkost).

Přednosti Vlhkostní kalkulačky

• nabízí přepočet nejpoužívanějších vlhkostních veličin na jiný tlak,
• je snadno použitelná  – obsahuje přehledné grafické rozhraní, které je zasazené do Microsoft Excelu kompatibilní od verze 2007 (pro starší verze Excelu je potřeba na webu stáhnout plugin, který umožňuje otevírání souborů typu .xlsx),
• je lehce přenosná – protože jde o Excelovský soubor, snadno kalkulátor přenesete do jiného PC,
• umí být flexibilní – uživateli umožňuje základní konfiguraci vstupu: můžete si vybrat ze dvou variant rovnic, je zde možnost enhancement faktoru pro další zvýšení přesnosti, dále je zda nastavení typu vstupní veličiny (rosný bod/bod ojínění, relativní vlhkost, parciální tlak páry) a typ nosného média (vzduch, dusík, kyslík, argon),
• byla podrobena úspěšné validaci – při stejném zadání byly výstupy úspěšně porovnávány s několika profesionálními kalkulátory.

Vize i krize

Pro každý program, aplikaci nebo jakýkoliv software platí, že nic není dokonalé. A totéž platí i zde. Přestože jsem vynaložil poměrně velkou snahu o to vytvořit dobrý vlhkostní kalkulátor pro výpočet a přepočet vlhkostních veličin – což se mi nakonec celkem podařilo – stále zde vidím prostor pro zlepšení. Vlastně ohromný. Plánů pro jeho další vylepšení a rozšíření programu mám spoustu. Vývoj programu tak určitě není ani zdaleka u konce. Pro začátek zde uvádím známé problémy a v další části kapitoly pak předkládám část vize pro tento program.

A) Známé problémy

• enhancement faktor pro vzduch platí do asi 2,03 MPa,
• pro ostatní plyny (dusík, kyslík, argon, neon) nejsou vůbec,
• validace s enhancement faktory jen částečná – obtížně se hledá dostatečně kvalitní software, se kterým by se šlo porovnat,
• koeficienty pro Sonntagovu rovnici pro výpočet nasyceného tlaku vodních par: první dva řádky jsou prohozeny oproti rešerši, což vyžaduje další prošetření, nicméně nebyl zjištěn absolutně žádný dopad na výsledky (validace byla v naprosté shodě s programy od firmy Michell nebo Vaisala) – je možné, že práce programu s koeficienty je správná nebo došlo k prohození pouze v rešerši.

B) Vize do budoucna

• přidat další vlhkostní parametry,
• přidat rovnice pro odhad chyby přepočtů (existují na Sonntagovu formuli),
• přidat možnost výběru mezi podchlazenou vodou a ledem (aktuální verze automaticky rozpozná podle teploty, zda jde o rovnováhu nad kapalnou nebo pevnou fází),
• vyladit práci VK s enhancement faktory (např. pomocí spolehlivého referenčního programu, pokud takový existuje),
• rozšířit rozsah platnosti enhancement faktorů pro vzduch pro tlaky nad 2,03 MPa (není možné pro absenci příslušných dat, která v době rešerše neexistují),
• přidat enhancement faktory pro ostatní plyny (stejný problém jako v předchozím bodě),
• přepsat do samostatně spustitelného programu.

Pojďme to rozjet

Pokud vás tento kalkulátor zaujal, kontaktujte mně s žádostí o vlastní projekt a něco vymyslíme. Rád odpovím.

Zdraví vás Lukáš Kolík, autor
19.4.2019

 

UPDATE 8.5.2019

Vlhkostní kalkulačku si nyní můžete zcela ZDARMA stáhnout z webu Českého metrologického institutu:

 

https://www.cmi.cz/download_teplota

 

Kalkulačka je napsána pro MS Excel od verze 2007 nebo novější, přitom má responzivní grafické rozhraní, jak jste mohli vidět z náhledu a je plně funkční.