Міністерство освіти та науки України

Національний технічний університет України «КПІ»

Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

Кафедра інженерної екології

Л а б о р а т о р н а р о б о т а №

“ Визначення вологості повітря

.”

Виконав:

Прийняв:

КИЇВ

Тема: Вивчення приладів для виміру вологості повітря. Визначення вологості повітря психрометром та волосяним гігрометром.”

Мета роботи: вивчити будову та принцип дії приладів, які використовуються в метеорології для вимірювання вологості повітря, за допомогою станційного психрометра та волосяного гігрометра виміряти вологість повітря.

Прилади та обладнання: схеми будови психрометрів (станційного, аспіраційного), волосяного гігрометра, волосяного гігрографа; станційний психрометр, волосяний гігрометр.

Хід роботи:

1. Теоретичні відомості.

Основний методом вимірювання вологості повітря – психрометричний метод, який заснований на залежності інтенсивності випаровування води від дефіциту вологості повітря. Для визначення вологості повітря психрометричним методом використовують два однакових психрометричних термометра. Резервуар одного з них щільно обв’язаний батистом та безперервно змочується дистильованою водою. Цей термометр називають „змоченим”, а другий „сухим”.

Сухий термометр показує температуру повітря t, а змочений – свою температуру t',що залежить від випаровування, що відбувається з поверхні його резервуара. Так як на випаровування витрачається деяка кількість тепла Q, що віднімається від змоченого термометра, то його показання будуть нижчі за показання сухого.

Інтенсивність випаровування з поверхні змоченого термометра залежить від вологості оточуючого повітря. Чим більше нестача насиченості в оточуючому повітрі, тим інтенсивніше буде відбуватися випаровування з поверхні резервуара змоченого термометра і тим нижче будуть його показники. Тобто різниця в показаннях сухого та змоченого термометрів залежать від вологості повітря. Чим більш сухе повітря, тим більше ця різниця. В насиченому повітрі при відносній вологості 100% показання термометрів будуть однаковими.

Теорія психрометра. З поверхні резервуара змоченого термометра відбувається випаровування, на яке витрачається деяка кількість тепла Q₁. Завдяки цьому змочений термометр вихолоджується і його показання знижуються. Але одночасно з цим внаслідок різниці температур змоченого термометра та оточуючого його повітря виникає приток тепла Q₂ до резервуару змоченого термометра з оточуючого повітря. Так як визначення вологості повітря відбувається за показників сухого та змоченого термометрів, що остаточно встановилися, то необхідно вважати, надходження тепла до змоченого термометру дорівнює його витратам на випаровування, тобто

(1)

Відповідно закону Дальтона, інтенсивність випаровування з поверхні змоченого термометра описується формулою

(2)

де - маса води, що випарилася з поверхні резервуара термометра;

- коефіцієнт пропорційності, що залежить від швидкості обтікання повітрям резервуара термометра;

- площа поверхні, що випаровує, в даному випадку резервуар термометра;

- пружність насиченої пари при температурі поверхні, що випаровує, тобто (в випадку замерзання батисту - пружність насиченої пари над льодом);

- пружність водяної пари;

- атмосферний тиск.

Витрати тепла на випаровування можна отримати помноживши кількість води, що випарилася, на теплоту пароутворення . Таким чином

(3)

Надходження тепла по закону Ньютона пропорційно різниці температур оточуючого повітря та більш холодного резервуара змоченого термометра.

Виходячи з того, що , то

(4)

Звідки отримаємо

(5)

Позначивши через , маємо психрометричну формулу

(6)

де - пружність водяної пари;

- пружність насиченої пари над льодом;

- температура сухого термометра;

- атмосферний тиск;

- постійна психрометра, яка залежить від його конструкції і головним чином від швидкості обтікання повітрям резервуара термометра.

Визначивши за психрометричною формулою пружність водяної пари та знаючи температуру повітря, визначають відносну вологість повітря за формулою

(7)

де - пружність насиченої пари при температури повітря, тобто при температурі сухого термометра.

Коли стан повітря близький до насиченого і при 0, коли вода на батисті замерзає, показання змоченого термометра інколи можуть бути набагато вище показань сухого термометра. Це відбувається тому, що повітря майже насичене по відношенню до води, стає перенасиченим по відношенню до льоду, і на поверхні Батиста змоченого термометра дещо підвищується. Зазначена різниця, однак, на перевищує 0,3⁰.

Для прискорення підрахунків вологості складені спеціальні психрометричні таблиці, в яких для будь-яких комбінацій температур сухого та змоченого термометрів значення вже підраховані. Якщо ці таблиці підраховані для тиску =1000 мб, для переходу до інших значень тиску до них додаються додаткові таблиці виправлень.

Станційний психрометр. Психрометр складається з двох однакових психрометричних термометрів, що встановлюються вертикально поряд в жалюзійній будці. Резервуар правого – змоченого – термометра обв’язаний батистом, кінець якого опускають в стаканчик з дистильованою водою. Який розташовують в спеціальному кільці так, щоб верхній зріз його знаходився від резервуара змоченого термометра на відстані не менше 2-3 см. При подібному розташуванні краї стаканчика не заважають вільному обміну повітря біля резервуара термометра (рис.1). Стаканчик закривається кришкою з прорізом для батисту. Кришку виготовляють з цинку або із скла, щоб вона не бруднила воду окислами.

Термометри повинні бути обов’язково однаковими. Необхідно це тому, що при виведенні психрометричної формули виходять з того, що надходження тепла до резервуара змоченого термометра пропорційно різниці температур повітря та змоченого термометра. Температура повітря визначається по сухому термометру, і треба бути впевненими в тому, що змочений термометр показував би таку ж саму температуру, що і сухий, якби з його поверхні не відбувалося випаровування. В жарку погоди батист інколи не встигає поглинати воду в достатній кількості, тому за 7-10 хв. До початку спостережень необхідно додатково провести змочування батисту. Для цього знімають кришку з стаканчика, піднімають його і, погрузивши в воду резервуар термометра, чекають декілька секунд. Після цього ставлять стаканчик на місце, закривши його кришкою.

Коли настають заморозки батист змоченого термометра підрізається безпосередньо під резервуаром і стаканчик забирається з будки. За півгодини до спостережень стаканчик з водою кімнатної температури приросять у будку і резервуар змоченого термометра занурюють у воду. Змочування відбувається до тих пір, коли показання змоченого термометра не підвищаться на 2-3⁰ вище нуля. Це буде доказом того, що вся стара льодяна корка розтанула. Потім стаканчик з водою прибирають, краєм стаканчика знімають краплю води, що утворюється на кінці батисту, і закривають будку. Через 30 хв. проводять відліки.

При спостереженнях необхідно визначити, в твердому (лід) чи рідинному стані знаходиться вода на батисті під час відліків термометрів, тому, що при підрахунках вологості користуються відповідним значенням . Для цього рекомендують доторкнутися Батиста змоченого термометра чистою дерев’яною щіточкою з шматочком льоду чи снігу на кінці. Якщо показання термометра зміняться (підвищаться), то значить, що на батисті була переохолоджена вода. При дотику вода перейшла в твердий стан і при цьому виділилась теплота плавлення льоду, яка і підвищила показання термометра. Якщо показання змоченого термометра не змінять від дотику до батисту, значить на батисті був лід.

Помилки при визначення вологості за психрометром. З психрометричної формули видно, що помилка при визначенні різниць температур сухого та змоченого термометрів призводить до помилок у визначенні пружності водяної пари і відносної вологості, при чому величина цих відхилень тим більша, чим нижче температура. Так, наприклад, при помилці в 0,1⁰, що допущена при визначенні різниці температур у визначенні відносної вологості маємо наступні помилки:

Температура (град)	-30	-20	-10	0	+10	+20	+30
Помилка у значенні відносної вологості (%)	18	8	4	2	1	1	1

Спостереження за психрометром, як видно, ненадійні вже при температурах -10⁰ за сухим термометром. Джерело помилок при визначенні вологості психрометром є також те, що в психрометричній формулі коефіцієнт прийнято за постійну величину. Наприклад, для станційного психрометра ця величина прийнята такою, що відповідає швидкості обтікання повітрям резервуара змоченого термометра, що дорівнює 0,8 м/с в залежності від швидкості повітря поза будкою.

Незважаючи на вказані недоліки, психрометричний метод завдяки своїх простоті - основний метод визначення вологості повітря на метеостанціях.

Аспіраційний психрометр. Станційний психрометр незручний в експедиційних умовах, тому що потребує встановлення в психрометричній будці. Експедиційним приладом для визначення температури та вологості повітря вважається аспірацій ний психрометр. Принцип дії його аналогічний станційному психрометру з тією лише перевагою, що він не потребує що він не потребує спеціальних установок, зручний при перевезеннях і головне, що швидкість аспірації біля резервуара змоченого термометра є постійною (2 м/с). Досягається це штучною вентиляцією.

Аспірацій ний психрометр складається з двох термометрів 1 і 2 (рис. 2) спеціального типу, що закріплені в металічній оправі, яка складається з трубки 3, яка роздвоєна в нижній частині на трубки 5 і 6, та план очного захисту 4. Резервуари термометрів встановлені в трубки 5 і 6. Верхній кінець трубки 3 з’єднаний з вентилятором, який через трубки 5 і 6 подає повітря мимо резервуарів термометрів. Трубки 5 і 6 зроблені подвійними та приєднані до загальної трубки 3 за допомогою ебонітових або пластмасових кілець. Подвійні трубки запобігають нагріванню від сонячних промінів резервуарів термометрів, а ебонітові кільця ізолюють трубки, а значить, і резервуари термометрів від впливу металічного корпуса приладу. Будучи нікельованим та відполірованим, прилад добре відбиває сонячні промені та мало нагрівається. Завдяки своїй будові аспірацій ний психрометр не потребує будь-якого захисту та може встановлюватись зовсім відкрито, тому, що на правильність його показань не впливає радіація. Визначають вологість повітря за аспіраційним психрометром, користуючись психрометричною формулою

(8)

яка відрізняється від формули психрометра тільки величиною постійного коефіцієнту =0,000662. Тому психрометричні таблиці зазвичай мають додаткові виправлення, введення яких дозволяє визначати вологість із спостережень за аспіраційним психрометром.

Гігрометр волосяний. В зимовий час, при температурі повітря нижче -10⁰ психрометричний метод не застосовують для визначення вологості повітря. З цією метою використовують волосяний гігрометр. Принцип дії його заснований на властивостях знежиреного волосу людини змінювати свою довжину при зміні відносної вологості оточуючого повітря. Будова цього приладу зображена на рис.3.

В металічній рамці 1 закріплений знежирений волос 2, верхній кінець якого закріплений в спеціальному гвинті-регуляторі, а нижній закріплюється на металічній дужці. Дужка з’єднана з горизонтально. Віссю, на якій укріплена врівноважена стрілка 3. На дужці є невеликий шаровидний грузик, що натягує волос. В середині рамки 1 укріплена шкала 4, по якій переміщується кінець стрілки. Шкала має 100 нерівномірних поділок від 0 до 100. Відліки по шкалі роблять з точністю до цілої поділки. При збільшенні відносної вологості волос подовжується та стрілка приладу прямує вправо, при зменшенні – вліво. Спостереження констатують, що подовження волосу є різним для різної величини вологості. Чим більше вологість повітря, тим менше подовження волосу. Половини свого подовження волос досягає вже при 28% вологості. Тому на шкалі гігрометра і нанесені нерівномірні поділки, які весь час зменшуються.

Волосяний гігрометр – прибор відносний, його показання не мають самостійного значення. Для того щоб отримати дійсні значення відносної вологості, в показання гігрометра вносять поправки, які знайдені шляхом порівняння показань гігрометра з показаннями термометра. Волосяний гігрометр встановлюють в той же психрометричній будці, де встановлений і станційний психрометр, між сухим та змоченим термометрами. Виправлення волосяного гігрометру отримують на метеорологічних станціях отримують шляхом порівняння його з психрометром на протязі 1-1,5 місяців до того, як настануть морози. За порівняльними відліками гігрометра та психрометра будують перевідний графік рис. 4. Для цього по вісі абсцис, від точки перенесення координат, наносять шкалу гігрометра, починаючи від 100%, а на вісі ординат, в тому ж масштабі, - значення відносної вологості за психрометром. На графік наносять точки, які відповідають одночасним відлікам за психрометром та гігрометром. При задовільній роботі приладів точки розташовуються вузькою смугою, по якій приблизно проводять середню лінію. Користуючись цією лінією, складають перевідну табличку, по якій за любими значеннями гігрометра знаходять відповідні виправлення величини відносної вологості.

Волосяний гігрограф. Для безперервної реєстрації змін відносної вологості застосовують самописець – гігрограф (рис. 5):

• приймальної частини, що представляє собою пучок знежиреного волосся людини;

• передаточна частина – система криволінійних важелів, які закінчуються стрілкою з пером;

• частини, що реєструє дані спостережень.

Пучок волосся 1 (рис. 6) закріплений в рамці 5 в точках 2-3 та в середній частині зачіплюється за крючок 4 на важелі 7, який з’єднаний з криволінійним важелем 9, на кінці якого мається грузик 12. Таким чином пучок волосся завжди знаходиться в певному натягу, який спричиняє грузик 12. Важіль 7 закріплений на вісі за допомогою гвинта 8. Криволінійний важіль 9 сковзає по іншому криволінійному важелю 10, який з’єднаний із загальною віссю, на якій закріплена стрілка з пером 11.

Зміна довжини пучка волосся передається за допомогою вищезазначеної системи важелів перу, що графічно зображує на паперовому барабані дані спостережень. При збільшенні відносної вологості волосся подовжується, важіль 9 з грузиком 12 давить на ричав 10, який повертає вісь і стрілка 11 піднімається вверх. При зменшенні вологості волосся скорочується і відтягує крючок 4. При цьому важіль 9 піднімається, важіль 10 звільняється і вісь повертається під дією ваги стрілки 11. Стрілка з пером опускається вниз по смужці барабана. Гвинт 6 служить для переміщення стрілки з пером.

Зазначеною передачею за допомогою криволінійних важелів, кривизна яких спеціально розрахована, досягається рівномірний рух пера по смузі за нерівномірних змін довжини пучка волосся в залежності від вологості. Таким чином, поділки на смузі по всій шкалі вологості лишаються однаковими.

Крім описаних методів вимірювання вологості, які застосовують на метеорологічних станціях існують лабораторні методи. Наприклад, ваговий або хімічний, метод точки роси. Ваговий метод дозволяє визначити безпосередньо абсолютну вологість. З цією метою конкретний об’єм повітря протягують через трубки з гігроскопічною речовиною, заздалегідь зваженою. Після поглинання водяної пари із протягнутого повітря трубки з речовиною знову зважують. Різниця ваги, віднесена до одиниці об’єму і є абсолютна вологість.

Метод точки роси заснований на тому, що при охолодженні деякої маси повітря його абсолютна вологість не змінюється, а відносна зростає. Вихолодивши повітря до точки роси (тобто до початку конденсації), за таблицями можна знайти відповідну їй пружність водяної пари.

Рис. 1 Станційний психрометр

Рис. 2. Аспіраційний психрометр

Рис. 3 Волосяний гігрометр

Рис. 4 Графік поправок волосяного гігрометра

Рис. 5 Волосяний гігрограф

Рис.6 Схема механізма волосяного гігрографа