Часть 3. Психрометрический метод.
Психрометрический метод является одним из наиболее употребительных способов определения влажности воздуха. В основе метода лежит зависимость интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Интенсивность испарения определяется путем измерения понижения температуры термометра, с поверхности которого происходит испарение. Вычисления проводятся по психрометрической формуле
Где 
— парциальное давление водяного пара в воздухе,
— давление насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности,
— давление атмосферы,
— температура воздуха и температура испаряющей поверхности соответственно,
— психрометрический коэффициент, величина которого зависит от скорости движения воздуха около смоченного термометра, конструктивных особенностей резервуара термометра, а также от состояния смачиваемой ткани,
— психрометрическая разность.
Часто при определении характеристик влажности воздуха пользуются не психрометрической формулой, а специальными таблицами или номограммой. Номограмма – система линий, по пересечению которых находят интересующую величину.
Поясним принцип построения номограммы для измерения влажности воздуха. Для этого на диаграмме состояний (рис.1) кроме изобар и изотерм проводят систему параллельных прямых с угловым коэффициентом, равным — 
. Искомая изобара
, соответствующая давлению пара в воздухе, происходит горизонтально через точку
— пересечение вертикальнойизотермы, соответствующей комнатной температуре 
и наклонной линии, проведенной из точки
, соответствующей состоянию насыщающего пара около влажного термометра.
К монограмме, поясненной на рис.1, можно добавить систему линий, соответствующих относительной влажности 10%, 20%, 30% и т.д. Тогда, зная температуру влажного термометра и температуру воздуха, можно сразу найти относительную влажность воздуха в процентах. Такая номограмма приведена на рис.2.
Приборы, которые применяются при измерении влажности воздуха психрометрическим методом, называются психрометрами. Психрометры содержат два термометра. Одним измеряют температуру тела 
, с поверхности которого происходит испарение воды (этот термометр называется «смоченным»), другие – температуру окружающего воздуха
(«сухой» термометр). Для измерения влажности воздуха психрометрическим методом используют психрометры двух типов:стационарный психрометр и аспирационный психрометр.
Стационарный психрометр состоит из двух одинаковых термометров установленных (укрепленных) рядом и сосуда для дистиллированной воды. Резервуар одного из термометров обернут батистом, конец которого погружен в сосуд с дистиллированной водой, который установлен так, чтобы уровень жидкости был на 2 см ниже резервуара термометра. Примером стационарного психрометра является бытовой психрометр.
Аспирационный психрометр относится к более точному виду психрометров. Отличие от стационарного состоит в том, что термометры имеют радиационную защиту, а сам психрометр снабжен аспиратором (пружинный вентилятор), который служит для просачивания окружающего воздуха мимо термометров с постоянной емкостью. (Более подробно с устройством аспирационного психрометра можно познакомиться по техническому описанию).
Можно отметить следующие достоинства психромет. способа:
- Приборы имеют несложную конструкцию.
- Достигается достаточная точность измерения влажности при положительных температурах.
- Приборы не требуют специальной градуировки по влажности.
К недостаткам следует отнести:
- Резкое понижение чувствительности приборов с понижением температуры, когда абсолютная влажность становится незначительной.
- Имеется некоторая зависимость показаний прибора от изменения атмосферного давления и требуется определенная скорость обдува смоченного термометра при использовании стационарного психрометра.
- При отрицательных температурах затруднено автоматическое смачивание термометра, и показания прибора зависят от фазового состояния воды на смоченном термометре.
Психрометрический метод является одним из лучших способов измерения влажности при положительных температурах. Этот метод практически не пригоден для измерения влажности при очень низких отрицательных температурах. .
Измерение влажности воздуха
Психрометр стационарный (психрометр станционный, психрометр Августа) (рисунок 14). Принцип действия данного прибора основан на разности показаний двух одинаковых термометров, один из которых («сухой») показывает температуру окружающего воздуха, а другой («влажный») собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности его резервуара. Резервуар «влажного» термометра обернут гигроскопичной тканью (марля, батист), смачиваемой дистиллированной водой. Чем ниже относительная влажность воздуха, тем интенсивнее испарение воды с поверхности влажного термометра и тем значительнее разница в показаниях термометров. По величине этой разности, называемой «психрометрической», и температуре воздуха с помощью специальных формул, таблиц или номограмм определяют сначала абсолютную, затем относительную влажность.
 Рис. 14. Психрометр стационарный |
Данный прибор широко используется в тех случаях, когда необходим постоянный контроль за влажностью воздуха. В частности, он используется на метеорологических станциях, где помещается в так называемые «психрометрические будки» (приложения 1 и 2), защищающие термометры психрометра от воздействия привходящих влияний (движение воздуха, лучистое тепло), могущих в значительной степени исказить результаты определения влажности из-за возможного влияния на интенсивность испарения влаги с «влажного» термометра. Данный прибор используется в ряде производств, где влажность воздуха может определять качество выпускаемой продукции, например, в табачном производстве. Постоянный контроль за влажностью воздуха необходим в книгохранилищах, библиотеках и т.д. целесообразно проводить постоянный контроль за влажностью воздуха в помещениях лечебно-профилактических учреждений. Как правило, в станционных психрометрах используются более точные ртутные термометры. Однако в бытовых условиях, где отсутствует необходимость в высокой точности определения, в целях безопасности можно использовать спиртовые термометры («бытовой психрометр»). Порядок определения влажности воздуха с помощью стационарного психрометра. Термометры «сухой» и «влажный», помещаются на специальный штатив или открытый футляр, обеспечивающий расстояние между термометрами не менее 4-5см. воспринимающий резервуар оборачивают марлей или батистом, закрепляют их на нем, а конец материала опускают в стаканчик с дистиллированной водой. |
Расстояние от термометра до верхнего края стаканчика должно быть не менее 3-4 см. По возможности обеспечивают защиту резервуаров термометров от влияния движения воздуха и лучистого тепла с помощью специальных кожухов или устанавливают психрометр в соответствующих местах с наименьшим влиянием указанных условий, хотя полностью нивелировать воздействия данных факторов в станционном психрометре не представляется возможным.
Психрометрический метод измерения влажности воздуха
Психрометрический метод основан на измерении влажности воздуха по понижению температуры тела при испарении с его поверхности, за счёт затраты тепла на испарение воды. Приборы, основанные на психрометрическом методе, называются психрометрами (например, МВ-4-2М, М-34М).
В психрометре используются два термометра, у одного из которых (смоченный термометр) резервуар обёрнут смачиваемым батистом. Вследствие испарения с поверхности батиста температура смоченного термометра будет ниже температуры сухого термометра, показывающего температуру воздуха, и тем ниже, чем меньше влажность воздуха.
Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по психрометрической формуле, на основании которой составлены психрометрические таблицы:
е = E` — Ap (t — t)’ · (1 + 0,00115 · t`), гПа,
где E` — парциальное давление водяного пара, насыщающего пространство, при температуре смоченного термометра;
А — психрометрический коэффициент, учитывающий скорость движения воздуха;
р — атмосферное давление, гПа;
t и t` — соответственно температура сухого и смоченного термометров, °С;
(1 + 0,00115 · t`) — учитывает зависимость теплоты испарения от температуры.
5.2 Методы и средства измерения влажности воздуха
Наиболее распространенными методами измерения влажности воздуха являются психрометрический и гигрометрический, а наиболее распространенными приборами — психрометры и волосные гигрометры. В качестве образцовой установки для проверки измерителей влажности воздуха используется гигрометр точки росы.
5.2.1 Психрометрический метод
Психрометрический метод широко применяется при измерении влажности воздуха и в метеорологии до сего времени является основным. Он основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Интенсивность испарения определяется путем измерения понижения температуры тела, с поверхности которого происходит испарение, за счет затраты тепла тела на испарение воды. Вычисления проводятся по психрометрической формуле, на основании которой составлены психрометрические таблицы:
где е — парциальное давление водяного пара в воздухе; Е’ — давление насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности; А- психрометрический коэффициент; р -давление атмосферы; — температура воздуха и температура испаряющей поверхности соответственно.
Приборы, которые применяются при измерении влажности воздуха психрометрическим методом, называются психрометрами
Психрометры содержат два термометра (Рисунок 9). Одним измеряют температуру тела t’, с поверхности которого происходит испарение воды (этот термометр называют «смоченным»), и другим -температуру окружающего воздуха t («сухой» термометр).
1 – вентилятор, 2 — психрометрические термометры, 3 — пипетка для смачивания влажного термометра
Рисунок 9 – Виды психрометров
а) — Психрометр Августа; б) Психрометр Ассманна
Поскольку с поверхности резервуара смоченного термометра испаряется вода и на испарение расходуется тепло, показания этого термометра ниже показаний сухого (и тем ниже, чем интенсивнее испарение, т. е. чем меньше парциальное давление водяного пара в воздухе). По температуре сухого и смоченного термометров определяется влажность воздуха. Для случаев, когда на батисте смоченного термометра вода (жидкая фаза, она может наблюдаться и при температуре ниже 0°С — переохлажденная вода), парциальное давление водяного пара рассчитывают по формуле
для случаев, когда на батисте смоченного термометра лед, используют формулу
Здесь Ел и Еж-давление насыщенного водяного пара при температуре смоченного термометра над плоской поверхностью жидкой воды (Еж) и льда (Ел);
дополнительный член (1+0,00115 t’) учитывает зависимость теплоты испарения от температуры; коэффициент 0,88229 учитывает отличие удельной теплоты испарения воды от удельной теплоты испарения льда.
5.2.2 Психрометр аспирационный
Он предназначен для измерения температуры и влажности воздуха в экспедиционных условиях, а также в промышленных помещениях. Пределы измерений относительной влажности (при температуре воздуха от -10 до +30 °С) 3-100 %, пределы измерений температуры воздуха от-25 до+50 °С.
Рисунок 10 — Психрометр аспирационный МВ-4-2М
Прибор имеет два одинаковых ртутных термометра 10 и 11, закрепленных в специальной оправе, состоящей из трубки 9 с тройником 13 и планочных защит 12. К тройнику 13 с помощью пластмассовых втулок 14 прикреплены по две трубки 15 (для радиационной зашиты и вентиляции резервуаров термометров). Верхний конец трубки 9 соединен с головкой аспиратора 8. Головка состоит из заводного механизма и вентилятора, закрытых кожухом. Пружина заводного механизма заводится ключом 6 (сверху) (Рисунок.11)
1-резиновая груша, 2-зажим, 3-пипетка, 4-ветровая защита, 5-крюк подвес, 6-заводной ключ, 7-окошечко, 8-головка аспиратора, 9-трубка, 10 и 11-сухой и смоченные термометры, 12-защитные планки, 13-тройник, 14-изоляционные втулки, 15 и 16-защитные трубки
Рисунок 11 — Аспирационный психрометр МВ-4М
Наряду с аспирационным психрометром с пружинным заводным механизмом вентилятора применяется аспирационный психрометр М-34, в котором заводной механизм заменён электродвигателем. Питание этого психрометра осуществляется от сети.
Измерения по аспирационному психрометру. Аспирационный психрометр устанавливается на столбе с помощью специального крюка таким образом, чтобы резервуары термометров находились на высоте 2 м. Зимой психрометр устанавливают за 30 мин, а летом за 15 мин до начала измерений. При некоторых специальных наблюдениях психрометр может устанавливаться и в горизонтальном положении и на высоте, отличной от 2 м.
Смачивание термометра, обвязанного батистом, зимой производят за 30 мин, летом за 4 мин до отсчета.
Для смачивания термометра пользуются прилагаемой к прибору резиновой грушей с пипеткой. Ее наполняют дистиллированной водой, затем легким нажимом на грушу вводят воду в стеклянную пипетку до отмеченной риски (на 1 см от края пипетки) и удерживают ее на этом уровне с помощью зажима. Потом вводят пипетку в правую трубку защиты термометров, где находится резервуар смоченного термометра, до упора. Выждав несколько секунд, для того, чтобы батист пропитался водой, открывают зажим и отсасывают лишнюю воду. При этом нужно следить, чтобы вода из груши не вылилась и не смочила стенки защитных трубок; это приведет к дополнительным погрешностям.
Зимой, как и в станционном психрометре, термометр смачивают для того, чтобы корка льда на батисте растаяла.
После смачивания термометра заводят механизм аспиратора, который в момент отсчета должен работать на максимальных оборотах. Поэтому зимой за 4 мин до начала отсчета нужно произвести вторичный завод механизма.
Аспирационный психрометр является надежным прибором. Однако хорошие результаты с его помощью можно получить только при строгом соблюдении правил измерений.
При производстве отсчетов сначала следует быстро отсчитать десятые доли градуса по сухому и смоченному термометрам, записать результаты и только после этого уже отсчитать и записать целые градусы. При этом необходимо строго следить, чтобы во время отсчетов ветер дул по направлению от прибора к наблюдателю.
Зимой при отрицательных температурах после отсчета необходимо убедиться в том, что находится на батисте термометра — лед или вода (как и для станционного психрометра).
При сильном ветре скорость аспирации нарушается вследствие затруднения выброса воздуха из вентилятора. Чтобы исключить это, на аспиратор надевают с наветренной стороны (откуда дует ветер) особую ветровую защиту, прилагаемую к психрометру. Защиту следует обязательно надевать на вентилятор уже при скоростях ветра более 4 м/с.
При вычислении влажности по аспирационному психрометру скорость обтекания воздуха около приемников термометров принимается равной 2 м/с, поэтому необходимо, чтобы скорость аспирации у резервуаров термометров была действительно близка к 2 м/с. Поверка скорости аспирации производится при выпуске психрометра. Однако со временем она может изменяться. Поэтому не реже одного раза в месяц ее следует проверять. Это производится следующим образом. Сначала полностью заводят пружину. Затем устанавливают психрометр в вертикальном положении и наблюдают в окошечко появление метки на барабане. Когда метка на барабане совпадет с вертикальной риской на окошечке, отмечают время; после их вторичного совпадения определяют с точностью до одной секунды время одного оборота барабана и сравнивают его со временем, указанным в поверочном свидетельстве. Если оно отличается не больше, чем на 5 с, то скорость вращения барабана можно считать достаточной.
Для правильной работы аспирационного психрометра необходимо следить за чистотой батиста и своевременно его менять. Повязка батиста на термометр производится так же, как и для станционного психрометра для зимнего времени, т. е. батист подрезается непосредственно под резервуаром термометра,
В целях предохранения покрытий оправы прибора от порчи рекомендуется психрометр всегда держать в футляре, предохранять от запотевания, механических повреждений. После наблюдений прибор следует протереть чистой тряпкой.
Аспирационный психрометр является самым надежным прибором для определения температуры и влажности воздуха при положительной температуре. Его можно использовать и при отрицательной температуре, но не ниже -15 °С, поскольку при более низкой температуре разность (t-t’) становится меньше 1 °С, что приводит к большим погрешностям измерения (более 10 %).В этих случаях используют другие приборы. Наиболее широко применяются волосные гигрометры.