Как определить влажность воздуха при помощи психрометра

Калькулятор определяет влажности воздуха психрометрическим методом — по разнице между показаниями сухого и смоченного термометра

В воздухе, как известно, находится водяной пар, который может составлять от 0% до 4% от объема воздуха.

Есть так называемая граница насыщения, то есть максимальное количество водяного пара, который может содержаться в воздухе при данной температуре. Чем выше температура, тем выше поглощающая способность воздуха.

Важной характеристикой водяного пара, содержащегося в воздухе является его давление (упругость).
Давление (упругость) насыщения — это максимально возможное давление водяного пара при заданной температуре.

Основным методом измерения влажности воздуха при положительной температуре является психрометрический. Определение влажности осуществляется по показаниям двух термометров с точностью 0.1 градус Цельсия. Один термометр (сухой) измеряет температуру воздуха, а второй термометр (смоченный) обертывают смоченной тканью, таким образом он показывает свою собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности. Чем меньше водяного пара в воздухе, тем сильнее испарение с поверхности смоченного термометра, и тем ниже его показания.
Собственно, такая система из двух термометров и называется психрометр.

Из разницы показаний температур определяется текущее давление водяного пара в воздухе по формуле
,
где — давление насыщения при температуре смоченного термометра,
— постоянная психрометра, принимаемая равной 0.0007947,
— атмосферное давление, принимается равным 1000 гПа
— показания сухого термометра
— показания смоченного термометра

И наконец, относительная влажность воздуха — это соотношение текущего давления к давлению насыщения при данной температуре воздуха

Вследствие происходящего в природе испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений атмосферный воздух, особенно в ближай­ших к Земле слоях, содержит водяной пар. Это называется влажностью воздуха.

Содержание водяного пара в воздухе характеризуется двумя величинами: абсо­лютной и относительной влажностью.

Абсолютной влажностью f называют массу водяного пара, содержащегося при данных условиях в единице объема воздуха, и выражают на практике в граммах на ку­бический метр (г/м 3 ), т.е. в несистемных единицах.

Можно характеризовать абсолютную влажность иначе, указывая парциальное давление р водяного пара, содержащегося в воздухе, часто называемого упругостью пара и обычно выражаемого в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Ввиду того, что водяной пар хорошо подчиняется газовым законам (Бойля-Мариотта и Гей-Люссака) даже вблизи состояния насыщения, можно считать плотность водяного пара пропорциональной его упругости.

Максимальной влажностью fm называют массу водяного пара в граммах, насы­щающего 1 м 3 воздуха при данной температуре, или соответственно парциальное давле­ние рm насыщающего пара при данной температуре.

Относительная влажность В измеряется отношением абсолютной влажности f к максимальной fm и выражается в процентах:

(1) или через парциальные давления: (l ‘).

Ощущение сухости или сырости воздуха связано не с абсолютной влажностью, а с относительной, т.е. с тем, насколько водяной пар близок к состоянию насыщения.

Влажность воздуха имеет большое значение для жизнедеятельности организма, так как в значительной мере обусловливает скорость испарения влаги с его поверхности. Скорость испарения воды (пота) с поверхности кожи, например, зависит от относитель­ной влажности воздуха. Испарение воды с поверхности альвеол в легких зависит от аб­солютной влажности воздуха, так как из легких выдувается воздух, почти полностью насыщенный паром при температуре примерно 30°С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких, очевидно, зависит от абсолютной влажности вдыхаемого воздуха. Нормальным для жизни человека считается атмосферный воздух с относительной влаж­ностью от 40 до 60%.

Влажность воздуха измеряется гигрометрами и психрометрами. Интенсивно раз­виваются дистанционные методы определения влажности воздуха лазерными и радио­метрическими приборами.

Наиболее распространенным прибором для измерения влажности воздуха являет­ся психрометр. В психрометре (с греческого «психрос» – холод) имеется два одинако­вых термометра, укрепленных на общем штативе (рис.1).

Резервуар правого термометра обернут гигроскопической тканью, конец которой опу­щен в сосуд с водой. Вследствие капиллярности вода поднимается по ткани и, испаряясь на по­верхности шарика, охлаждает его. Показания влажного термометра снижаются по сравнению с сухим. Это снижение зависит от скорости ис­парения воды, которая в первую очередь обу­словлена относительной влажностью окру­жающего воздуха (чем ниже относительная влажность, тем выше скорость испарения). Скорость испарения воды зависит также от скорости движения воздуха около прибора, температуры воды и барометрического давления. Все эти факторы учитываются психрометрической формулой Реньо, пользуясь которой можно определить парциальное давление паров в воздухе, окружающем прибор, или его абсо­лютную влажность:

Читайте также:  Как правильно вставлять эксцентрик

,

где pm – упругость насыщающих паров при температуре t1 влажного термометра; k – психрометрический коэффициент, зависящий от конструкции прибора и очень сильно от скорости движения воздуха; t – температура сухого термометра; Н – барометриче­ское давление.

Выше был описан психрометр Августа, который на метеостанциях помещается в специальной будке. Для него k = 0,0007947 град -1 .

Лучшим прибором, удобным в экспедиционных условиях, является аспирационный психрометр Ассмана (рис.2).

Он состоит из двух никелированных трубок для защиты от нагревания лучистой энергией сухого и смо­ченного термометров, помещенных внутри трубок. Сквозь трубки при помощи особого вентилятора, поме­щенного в верхней части прибора, просасывается с опре­деленной скоростью струя воздуха.

Порядок выполнения работы

Для определения относительной влажности при помощи психрометрической таблицы (см. Приложения 4, 5) необходимо найти в горизонтальном ряду цифр таблицы цифру, дающую разность температур сухого и влажного термометров, и цифру, дающую температуру сухого термометра в вертикальном ряду цифр. Относи­тельная влажность находится по положению точек пере­сечения двух прямых – вертикальной, идущей от цифры, дающей разность показаний сухого и влажного термомет­ров, и горизонтальной, дающей показание сухого термо­метра.

Пример. Показание сухого термометра +22°С, а влажного – +20°С. На пересечении горизонтальной пря­мой, идущей от цифры «22», и вертикальной прямой, идущей от цифры «2», находим точку, соответствующую относительной влажности воздуха равной 83%.

Умножая относительную влажность на упругость насыщенных паров воды при температуре опыта (показание сухого термометра) (см. Приложение 6), находим абсолютную влажность.

Для определения относительной и абсолютной влажности психрометром Ассмана поступают следующим образом:

1. Смачивают водой ткань на резервуаре влажного термометра при помощи пипетки.

2. Заводят вентилятор, плавно поворачивая головку завода, или включают электромотор психрометра в электросеть (в зависимости от типа).

3. Через 4 минуты после включения производят отсчет по сухому и влажному термо­метрам.

4. Результаты измерений заносят в таблицу.

Отсчет по влажному термометру Отсчет по сухому термометру Упругость насыщенных паров при тем­пературе опыта Относительная влажность комнатного воздуха Абсолютная влажность комнатного воздуха

5. По результатам измерений и таблицам рассчитать психрометрический коэффициент k.

Контрольные вопросы

1. Что называется абсолютной и относительной влажностью?

2. Устройство и принцип действия психрометра Ассмана.

3. Как можно определить абсолютную и относительную влажность?

4. Какое значение имеет влажность воздуха для жизнедеятельности организма челове­ка, животных и растений?

Литература

1. Ливенцева Н.М. Курс физики. – М., 1974. – § 55.

2. Грабовский Р.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1980. – § 68.

Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: овладеть методом определения поверхностного натяжения жидкости, исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры, исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения раствора от его концентрации, изучить действие поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение.

Силы поверхностного натяжения жидкости играют важную роль во многих физических, химических и биологических процессах. В работе будут экспериментально исследованы некоторые параметры, от которых зависит поверхностное натяжение (температура, концентрация раствора, действие поверхностно-активных веществ), и изучен один из основных методов определения поверхностного натяжения: метод отрыва.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения s, который численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

. (1)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца.

Приборы и принадлежности: торсионные весы, штангенциркуль, кольцо на подвесе, комнатный термометр, сосуд с дистиллированной водой.

1. Изучить устройство торсионных весов и правила взвешивания на них (см. паспорт прибора).

2. Измерить внутренний d1 и внешний d2 диаметры кольца (рис.1).

3. Подведем к этому кольцу (рис.1) чашку с дистиллированной водой и будем плавно тянуть пружину с кольцом вверх. (Перед соприкосновением кольца с жидкостью его нужно тщательно промыть спиртом; во время работы ту часть кольца, которая будет соприкасаться с водой, стараться не брать пальцами). Жидкость, сцепившись с кольцом в результате его смачивания, будет удерживать кольцо, пока сила упругости пружины не превысит силу поверхностного натяжения. Пружина разрывает поверхностный слой. При этом разрывающее усилие будет равно силе поверхностного натяжения [см. (1)], приложенной к внешнему и внутреннему контурам кольца. В этой формуле сила F измеряется торсионными весами. Длина контура

Читайте также:  Как прочно склеить пластмассу

,

где d1 и d2 – диаметры внешнего и внутреннего колец. Так как кольцо очень

тонкое, то можно брать средний диаметр кольца, и тогда длина контура

. (2)

Из формул (1) и (2) коэффициент поверхностного натяжения

. (3)

4. Измерение повторяют четыре раза, причем запись ведут со второго отсчета, чтобы скомпенсировать вес частиц жидкости, прилипших к кольцу.

5. По формуле (3) подсчитывают s, взяв среднее значение силы F.

6. Измерить температуру, при которой определялась F.

7. Сравните полученный результат с табличным.

Рис. 1

Поверхностное натяжение воды в интервале температур 0–31 о С

t о С s, Н/м t о С s, Н/м t о С s, Н/м t о С s, Н/м
0,07549 0,07430 0,07311 0,07193
0,07535 0,07415 0,07295 0,07178
0,07520 0,07401 0,07282 0,07163
0,07505 0,07385 0,07265 0,07148
0,07490 0,07370 0,07252 0,07133
0,07475 0,07355 0,07235 0,07118
0,07460 0,07341 0,07222 0,07103
0,07445 0,07325 0,07208 0,07088

Задание 2. Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры.

Дополнительное оборудование: нагреватель, лабораторный термометр, исследуемая жидкость (можно использовать биологические жидкости).

1. Нагреть жидкость до 80–90 о С.

2. Измерить силу отрыва кольца несколько раз по мере охлаждения жидкости (интервалы температур между отсчетами не должны превышать 10 К).

3. Рассчитать поверхностное натяжение s для каждого значения температуры ti.

4. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

t, о С
s, Н/м

5. Изобразить графически зависимость s = f(t).

6. По графику (по отклонению точек от экспериментальной кривой) найти, какие измерения были проведены наиболее и наименее точно.

7. Проанализируйте и сформулируйте результат эксперимента.

Задание 3. Исследование зависимости поверхностного натяжения раствора от его концентрации.

Дополнительное оборудование: технические весы, бюретка, дистиллированная вода, сосуды, вещество для приготовления растворов.

1. Приготовить растворы различных концентраций: 10, 20, 30%… (Для приготовления, например, 10%-ного раствора необходимо в 90 г дистиллированной воды растворить 10 г вещества).

2. Измерить силу отрыва F кольца от поверхности приготовленного раствора.

3. Рассчитать s для всех приготовленных растворов.

4. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

С, %
s, Н/м

5. Полученную зависимость s = f(C) изобразить графически.

6. По графику (по отклонению точек от экспериментальной кривой) определить, какие измерения были проведены наиболее и наименее точно.

7. Проанализируйте полученный результат и сформулируйте результат эксперимента.

Задание 4. Исследование зависимости поверхностного натяжения жидкости от действия поверхностно-активных веществ.

Дополнительное оборудование: поверхностно-активное вещество (например, мыльный раствор воды и др.).

1. Измерьте силу отрыва F кольца от поверхности данной жидкости (воды).

2. На поверхность жидкости введите поверхностно-активное вещество (например, несколько капель мыльного раствора). Определите силу отрыва F / кольца в этом случае.

3. Проанализируйте полученный результат и сформулируйте результат эксперимента.

Контрольные вопросы

1. Какова природа сил поверхностного натяжения?

2. Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения.

3. Энергия поверхностного натяжения.

4. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

5. Смачивающие и несмачивающие жидкости.

6. Поверхностно-активные вещества.

7. Устройство торсионных весов.

Литература

1. Ливенцев Н.М. Курс физики. – М., 1978. – Т.1, § 13, 14.

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – § 9.7, 9.8.

Лабораторная работа № 9

ЗНАКОМСТВО С ОСНОВНЫМИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

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 проверить гидроаккумулятор в системе водоснабжения

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.

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.


*