Определение влажности воздуха психрометрическим методом

Психрометрический метод

Психрометрический метод заключается в оценке характеристик показаний сухого и мокрого термометров (психрометрической разности) с помощью психрометрических таблиц. Наибольшее распространение получили два типа психрометров: Августа и Ассмана.

Психрометр Августа состоит из двух термометров. Сухой термометр показывает температуру окружающего воздуха; термочувствительный элемент второго термометра обёрнут гигроскопической тканью, конец которой опущен в сосуд с водой. Вследствие испарения влаги с поверхности ткани температура последней понижается, достигая в установившемся состоянии при реально 100%-й влажности температуры по мокрому термометру tм. Этот процесс отвечает условию i = const, поскольку для воздуха количество тепла, внесенного с испарившейся влагой, точно равно затратам теплоты на её испарение. Температура поверхности испарения будет зависеть от относительной влажности воздуха φ: чем ниже значение φ, тем интенсивнее идёт процесс испарения влаги и тем ниже будет значение tм. Разность показаний сухого (tc) и мокрого (tм) термометров называют психрометрической разностью. При tм = tc относительная влажность воздуха равна 100%. Зная психрометрическую разность и температуру воздуха, можно с помощью i-d диаграммы или прикладываемых к прибору психрометрических таблиц определить φ.

Психрометр Ассмана относится к аспирационному типу вследствие создания искусственной вентиляции термометров для гарантированного выполнения условия равенства температур датчиков значениям tм и tc. Экранирование ртутных капсул металлическими трубками и продувании через них воздуха с помощью специального вентилятора с завозным или электрическим приводом повышают точность измерений (устраняются внешние тепловые излучения на прибор и улучшается теплообмен воздуха с чувствительными элементами термометров). Относительную влажность φ определяют с точностью 1…2%.

Гигрометрический метод

Гигрометрический метод основан на эффекте изменения длины нити из того или иного гигроскопического материала (обезжиренные волосы, капроновая нить и др.) при изменении влажности окружающего воздуха. Приборы, реализующие этот метод, получили название гигрометров. Чем суше воздух, тем короче становится чувствительный элемент прибора (нить, связанная системой рычагов со стрелкой, указывающей текущее значение относительной влажности φ на градуированной шкале). Распространение получили волосные гигрометры типа МВ-1 и МВК, пленочные М-39 и др.

Психрометрический и гигрометрический – это практические методы определения влажности воздуха. Также существует ещё два метода определения влажности воздуха – это дистанционное измерение и массовый метод, рассмотрим их подробнее.

Дистанционное измерение

Дистанционное измерение относительной влажности воздуха позволяет контролировать её без разгерметизации помещения грузовой камеры. Для этого применяется дистанционный гигрометр, который состоит из: гигроскопической нити, индукционной катушки, магнитного сердечника и измерительного прибора.

Для автоматической регистрации относительной влажности воздуха в течение заданного отрезка времени применяют прибор под названием гигрограф. В нём вместо стрелки помешено перо, на которое непрерывно подаются чернила. Регистрация осуществляется с помощью бумаги на барабане с часовым или суточным заводом. Таким образом, вычерчивается непрерывная кривая линия проходимых значений φ. В других приборах реализован также принцип измерения электрического сопротивления нити при колебаниях влажности воздуха.

Массовый метод

Этот метод основан на точном замере содержания влаги в воздухе. Исследуемый воздух, объем которого контролируется специальным счётчиком, прогоняют через трубки, заполненные поглотителем влаги (силикагель, хлористый кальций и др.). Разность масс трубок с адсорбентом до и после пропускания воздуха показывает количество поглощенной влаги. Разделив массу влаги на объём пропущенного воздуха, получают плотность ρп, то есть абсолютную влажность воздуха. Зная температуру tc, по таблице насыщенного воздуха определяют плотность его в состоянии насыщения ρп. н и относительную влажность: φ = ρпп. н.

Читайте также:  Линейные светодиодные светильники в леруа мерлен каталог

Управление влажностью в грузовом помещении рефрижераторного вагона осуществляется укрупнённо – путём введения ограничений в режим вентилирования наружным воздухом

Контроль и организация регулирования влажности воздуха на железнодорожном транспорте

Регулирование влажности воздуха осуществляется лишь в пассажирских вагонах путем применения увлажнителей – аппаратов с форсунками для распыления воды. Такие аппараты включаются от датчиков, расположенных в вагонах. Управление влажностью в грузовом помещении рефрижераторного вагона осуществляется организационными методами – путем введения ограничений на маршруте и соответствующей технологии разгрузки СПГ (скоропортящиеся грузы).

Влажностный режим при перевозках СПГ в изотермических вагонах не контролируется и не регулируется, а потому не нормируется правилами. Это вызвано отсутствием на изотермическом подвижном составе надежных приборов дистанционного контроля относительной влажности воздуха и технических средств воздействия на нее грузовых помещениях вагонов.

Психрометрический метод определения влажности воздуха основан на имеющейся зависимости между скоростью испарения воды и влажностью окружающего воздуха. Практическое осуществление данного метода заключается в следующем.

Берется обычный термометр, резервуар которого обертывается кусочком батиста. Батист смачивается водой. Благодаря хорошей гигроскопичности батиста вся его поверхность становится увлажненной. Этим достигается то, что с поверхности ре­зервуара термометра будет происходить непрерывное испарение воды.

Испарение воды вызывает охлаждение резервуара термометра, температура которого в условиях установившегося теплообмена с окружающей средой будет сохраняться постоянной. Подсчитаем приход и расход тепла для резервуара термометра.

По формулe Дальтона масса М воды, испаряющейся в течение 1 секунды с поверхности резервуара термометра, будет равна

, (5)

где S – площадь испаряющей поверхности, Р¢H – упругость насыщающего водяного пара при температуре испаряющейся жидкости (т.е. температуре t1),P – упругость водяного пара, содержащегося в воздухе, Н – величина атмосферного давления, К – коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от скорости движения воздуха вблизи резервуара термометра.

Отсюда видно, что количество тепла Q1, теряемого резервуаром термометра за единицу времени, будет равно

, (6)

где l – удельная теплота испарения воды.

С другой стороны, благодаря возникшей разности температур между резервуаром термометра и окружающей его средой, к резервуару термометра будет поступать количество тепла Q2, которое можно подсчитать по формуле Ньютона:

, (7)

где t – температура окружающей среды,t1 температура резервуара термометра, S площадь охлажденной поверхности термометра, b – коэффициент пропорциональности.

В условиях установившегося температурного режима приход тепла к резервуару термометра будет равен расходу тепла на испарение, т.е. Q2 = Q1. Отсюда

. (8)

Решая это уравнение относительно Р и обозначая дробь b/Kl через a (психрометрический коэффициент), мы находим

Формула (9) носит название психрометрической формулы Реньо.

Подставляя найденное выражение для P в формулу (2), мы находим

r = [P¢H – a×(t–t1)×H]×100%. (10)

Простейшим психрометром является психрометр Августа, который состоит из двух совершенно одинаковых термометров – "сухого" и "влажного", укрепленных на одной дощечке. Резервуар "влажного" термометра обернут кусочком батиста, кончик которого погружен в воду. Если известна величина психрометрического коэффициента a, то определение влажности воздуха сводится к измерению температуры "сухого" термометра – t, температуры "влажного" термометра – t1 и величины атмосферного давления Н. Величины Р¢H и РH могут быть найдены из таблицы зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры.

Несмотря на кажущуюся простоту психрометрического метода, его практическое осуществление осложняется тем, что величина коэффициента a, входящего в формулу Реньо (9), зависит от скорости движения воздуха в непосредственной близости от резервуара "влажного" термометра. С увеличением скорости движения воздуха a уменьшается. Это и понятно, если учесть, что скорость испарения воды с резервуара "влажного" термометра повышается с увеличением скорости движения воздуха (соответственно возрастает коэффициент К в формуле Дальтона (5), входящий в выражение для a). В таблице 3 приведены данные, характеризующие зависимость a от скорости движения воздуха для психрометра Августа. Из этой таблицы видно, что при малых скоростях движения воздуха психрометрический коэффициент меняется очень быстро. Наоборот, при больших скоростях, превышающих 2,5 м/с, он меняется мало.

Читайте также:  Медный купорос в борьбе с плесенью

Поэтому практическое применение психрометра Августа ограничивается тем, что им пользуются только для

Скорость движения воздуха V, (м/с) Психрометрический коэффициент a, (град -1 )
0,13 0,00130
0,25 0,00110
0,50 0,00089
0,75 0,00081
1,00 0,00078
2,00 0,00071
3,00 0,00068
4,00 0,00067

приближенных определений влажности воздуха в закрытых помещениях, где скорость движения воздуха мала. Обычно с целью облегчения определения влажности воздуха пользуются специальной психрометрической таблицей, вычисленной на основании формулы (10). В ней приводится зависимость между разностью показаний "сухого" и "влажного" термометров психрометра Августа и величиной относительной влажности воздуха r для различных показаний "сухого" термометра. При составлении таблицы принимается, что a = 0,0013 (практически неподвижный воздух). Величина атмосферного давления Н берется равной 980 гПа. Так как колебания атмосферного давления обычно не превышают 2-3% величины атмосферного давления Н, то определение влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы приводит к достаточно надежным результатам.

Более совершенным психрометром является аспирационный психрометр Ассмана (рис. 5). Аспирационный психрометр отличается от психрометра Августа тем, что резервуары его термометров помещены в защитные металлические трубки, через них с постоянной скоростью проходит воздух, который засасывается в прибор с помощью аспирационного вентилятора, приводимого в движение часовым механизмом. Блестящая поверхность трубок предохраняет термометры и от нагревания солнцем, и от излучения окружающих тел.

Величина психрометрического коэффициента для психрометра Ассмана имеет значение a = 0,00066 при любых условиях наблюдения. Данное значение несколько отличается от того, которое мы имеем для психрометра Августа при той же скорости движения воздуха (2 м/с), это объясняется тем, что в психрометре Ассмана имеют место иные условия обтекания воздухом резервуара "влажного" термометра, чем в психрометре Августа.

При работе c аспирационным психрометром Ассмана искомое значение относительной влажности вычисляют по формуле (10). В менее ответственных случаях пользуются специальной психрометрической таблицей, в которой приведена зависимость между разностью показаний "сухого" и "влажного" термометров и величиной относительной влажности воздуха для различных показаний "сухого" термометра. При составлении данной таблицы учитывается, что для аспирационного психрометра Ассмана величина психрометрического коэффициента a составляет 0,00066 град -1 . Вели­чина атмосферного давления 900 гПа.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Если погуглить по фразе "измерение влажности при помощи микроконтроллера", то поисковая система предложит вам использовать специальные датчики для измерения влажности – SHT21, DHT11 (DHT12, DHT21), BME280. HR202L (HR31), HTU21D и так далее. Зачастую эти датчики работают по шине I 2 C, и подключить их можно не более 1-2 штук к одному микроконтроллеру (например, BME280 и SHT21). Датчики семейства DHT требуют отдельный вывод микроконтроллера каждому датчику, да и точность их не велика. Точность датчиков BME280 выше чем у DHT11, но подключить их можно всего 2 . Но что делать если необходимо измерять влажность сразу в нескольких точках одновременно. да ещё и с достаточно высокой точностью? Что делать если точки измерения разнесены на значительные расстояния? Выход – использовать датчики температуры DS1820, для которых есть и герметичное исполнение для измерения температуры жидкости. Часть датчиков будет измерять температуру воздуха, другая часть температуру воды. расчеты будет проводить микроконтроллер, благо они не сложные. А теперь собственно к алгоритму измерения влажности.

Читайте также:  Как ухаживать за каланхоэ в горшке

Что бы измерить относительную влажность в процентах необходимо использовать формулу

где е – парциальное давление водяного пара,

Ec(t) – давление насыщенного водяного пара. при температуре t (температура сухого термометра).

Что бы измерить парциальное давление пара, необходимо использовать формулу

где Ec(t’) – давление насыщенного водяного пара. при температуре t (температура влажного термометра),

А – психрометрический коэффиицент: 0,795е-6 при естественном движении воздуха или 0,662е-6 при принудительном обдуве 2 м/с,

р – общее давление парогазовой смеси в гПа,

t – температура сухого термометра,

t’ – температура влажного термометра,

а – еще один коэффициент равный 0,00115 (в подробности вдаваться не буду).

Температуру мы замерили, коэффициенты есть, необходимо вычислить давление насыщенного водяного пара, вычислить два раза, для сухого и влажного термометров. Это можно сделать по этой формуле (которую я не буду использовать, потому и не буду рассматривать её подробнее)

или по упрощенной, но менее точной формуле

где Е0=6,1121 гПа,

t – температура (воды или воздуха, смотря в какую формулу вы собрались подставлять вычисленное значение)

Эту формулу я и буду использовать.

Сразу возникает вопрос насколько точна упрощенная формула. Ответ выражен в виде графика.

В пределах от 0 до 54 градусов по Цельсию погрешность примерно равна 0,1%, затем она начинает возрастать и при температуре 80 градусов составляет 1%, что все же выше точности датчика DHT11.

Я проверил эти формулы при помощи программы SMathStudio и получил достоверные, совпадающие с психрометрическими таблицами результаты.

Теперь собственно перейдем к программе для МК. Я специально не добавил в программу функции измерения температуры, так же закоментировал все выводы в serial port и задержки, для того что бы проверить, какой размер занимает скомпилированная программа. Несмотря на то, что программа была написана в ArduinoIDE, который не отличается бережным использованием памяти МК, размер скомпилированной программы составил всего 444 байт и 9 байт под переменные.

Полный код программы для ArduinoIDE привожу ниже.

Для того, чтобы увидеть результат работы программы в терминале уберите комментарии.

Поскольку давление насыщенного водяного пара необходимо вычислить два раза, для сухого и влажного термометров, то это формулу я вывел в отдельную функцию. Измерение давления здесь не производится и установлено давление воздуха 1000 гПа.

P.S. Что можно измерить ещё двумя термометрами? Поскольку мы уже научились вычислять влажность воздуха, то можно так же вычислить точку росы по формулам

и индекс жары по формуле (которая тоже является упрощенной формулой, подробнее смотрите на https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_index )

где T и Air temperature – температура воздуха (формулу рисовал не я, не знаю почему так отделили),

Н – относительная влажность в процентах.

Эти формулы я так же проверил в программе SMathStudio, и они так же выдали достоверные результаты.

И наконец стоит рассказать о недостатке такого способа измерения влажности – необходимо постоянно доливать воду в колбу с влажным термометром.

Надеюсь эта короткая заметка будет вам полезна как начинающим, так и более опытным радиолюбителям.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector