Что такое аспирационный психрометр

***Примечание 3: Значения коэффициентов могут быть найдены в таблицах, представленных в приложении Ж ГОСТ 8.811-2012. Для получения промежуточных значений коэффициентов требуется интерполяция. Игнорирование этих коэффициентов в расчетах может привести к систематической относительной погрешности измерений, достигающей 0,8%.

Что такое психрометр?!

Психрометр (от греческого слова «холодный» и «мерить») — это специализированный измерительный инструмент, предназначенный для определения температуры воздуха и его влажности. Данные приборы находят широкое применение, в частности, в метеорологических измерениях, проводимых на метеорологических станциях.

Основным назначением психрометров является измерение относительной влажности воздуха, которая представляет собой важный параметр в различных научных и производственных областях. Например, значения влажности имеют критическое значение при работе с весовым оборудованием, чтобы обеспечить точность результатов взвешивания.

Принцип работы и устройство психрометров

Работа любого психрометра основана на физическом свойстве жидкости, а именно воды, испаряться с определенной скоростью, что приводит к возникновению различий в температурах, регистрируемых сухим и влажным термометрами. Испарение воды с поверхности ткани или губки, прикрепленной к одному из термометров, вызывает потерю энергии, что в свою очередь приводит к понижению температуры жидкости. Это снижение температуры фиксируется влажным термометром.

Самый простой психрометр — это комбинация из двух стеклянных термометров (изготавливаемых из ртути или спирта), один из которых сухой, а другой — влажный, который обернут во влажную хлопчатобумажную ткань. Один конец этой ткани помещается в резервуар с водой. Процесс испарения воды с поверхности ткани приводит к охлаждению влагомерного термометра: чем ниже влажность окружающего воздуха, тем быстрее происходит испарение, а значит, тем ниже будут показания мокрого термометра. Как результат, чем суше воздух, тем больше разница между показаниями сухого и влажного термометров.

Занесенные в таблицы показания сухого и влажного термометров в определенный момент времени позволяют, используя психрометрические таблицы или специальные формулы, определять относительную и далее абсолютную влажность воздуха.

При этом психрометрическая формула, позволяющая находить упругость водяного пара по показаниям термометров, выглядит следующим образом:

e — упругость водяного пара в воздухе (абсолютная влажность);

Е — максимально возможная упругость водяного пара при температуре tс смоченного термометра;

t — температура воздуха;

А — коэффициент, зависящий от конструкции термометра и скорости течения воздуха вокруг термометрического резервуара;

P — давление воздуха.

Что это такое?

Психрометры являются специализированными метеорологическими устройствами, предназначенными для определения температуры и влажности окружающего воздуха. Среди разнообразных типов психрометров выделяется аспирационный психрометр, известный как психрометр Ассмана. В соответствии с его характеристиками, оптимальный температурный диапазон работы устройства колеблется от -25 до +50 градусов по Цельсию.

На внешний вид прибор разделен на две основные части – термодержатель и аспирационную головку.

Подробнее о структуре каждой из этих частей мы поговорим ниже. В настоящее время стоит упомянуть о самом создателе данного прибора — Рихарде Ассмане, который родился и прожил всю свою жизнь в Германии. Он работал над своим знаменитым изобретением в конце XVIII века, когда первоначально оно предназначалось для измерения влажности воздуха при полетах на воздушном шаре. Сегодня этот прибор широко используется в самых различных областях.

Устройство и принцип работы

Психрометр Ассмана представляет собой устройство, состоящее из двух стеклянных термометров, содержащих ртуть. Эти термометры размещены в специальных металлических трубках, причем нижняя часть трубок открыта, а верхние части соединены в одну общую трубку. В верхней части также находится аспирационная головка, благодаря которой этот прибор и получил свое название.

Аспирационная головка обеспечивает постоянный поток воздуха вокруг термометров. Внутри нее размещен пружинный механизм и вентилятор, который может работать как от сети, так и быть включен вручную. Процесс вентиляции выглядит следующим образом: вентилятор всасывает окружающий воздух, обдувает термометры, после чего воздух через специальные каналы возвращается обратно к вентилятору и выталкивается через специальные отверстия в корпусе. Согласно требованиям ГОСТ, средняя скорость воздушных потоков, создаваемых вентилятором, должна составлять 2 м/с. Частоту вращения лопастей вентилятора можно регулировать с помощью специального клапана.

В то же время основную роль в приборе играют термометры и их показания. Один из них называется сухим, другой — мокрым или влажным.

Первый термометр измеряет температуру окружающей среды, в то время как второй определяет процент содержания влаги в воздухе. Если с функцией первого термометра все довольно понятно, то параметры второго термометра показывают значения, значительно ниже температуры окружающего воздуха. Это значение напрямую зависит от влажности воздуха.

Помимо термометров, в прибор помещается специальный резервуар. Он заполняется дистиллированной или кипяченой водой. Один конец ткани помещается в резервуар, а другой конец оборачивается вокруг нижней части влажного термометра. Важно учитывать, что если использовать проточную воду, то хлор может засорить микрокапилляры ткани, которая должна служить для увлажнения влажного термометра.

Испарение является энергозатратным процессом. Основная схема работы устройства заключается в следующем: жидкость, испаряясь, охлаждает поверхность, на которой она находится. В этом случае такой поверхностью является термометр. Температура термометра понижается, и чем ниже влажность воздуха, тем быстрее испаряется вода с ткани, тем меньшими становятся показания термометра. При 100% влажности испарение с ткани прекращается, и в этом случае показания обоих термометров будут равны.

Следует подчеркнуть, что устройство защищено особым корпусом, который не только предохраняет его внутренние компоненты от повреждений, но и защищает термометры от теплового излучения окружающих объектов.

Физика работы

Принцип работы психрометра базируется на энергетических затратах, возникающих в процессе испарения жидкости. Физика этого процесса состоит в охлаждении поверхности, скрытой под влажным материалом, в то время как молекулы воды испаряются в атмосферу. Чем больше паров жидкости содержится в воздухе, тем медленнее испаряются капли с поверхности, что соответственно замедляет процесс охлаждения. При 100% влажности воздух достигает насыщения, и в этом случае показания обоих термометров совпадают. Именно разница между показаниями термометров и служит основой для расчета текущей концентрации паров жидкости в воздухе.

Методы проверки аппарата

Существует три критерия, которые позволяют надёжно определить работоспособность аспирационного психрометра:

• Сравнение показаний обоих термометров со значениями, полученными от другого эталонного измерительного устройства. Если результаты совпадают, это говорит о полной работоспособности прибора.
• Сравнение значений термометров — если уровни в обоих термометрах одинаковы и колба с жидкостью полна, значит, один или оба термометра вышли из строя. Например, это может произойти из-за повреждения капилляров, содержащих ртуть или спирт, в результате механического удара.
• Если показания одного из термометров остаются постоянными на протяжении какого-то времени — это указывает на его неисправность.

Стоит отметить, что может быть ещё один элемент аспирационного психрометра, который может выйти из строя. Это касается электродвигателя или механизма вентилятора. Несмотря на это, прибор будет по-прежнему показывать данные, но они будут неточными. Проверка состояния устройства может быть проведена по уровню шума, производимого двигателем. Его отсутствие вызывает подозрения на поломку. Также, если вентилятор функционирует, то в верхней и нижней частях психрометра будет ощущаться движение воздуха. Это движение хорошо видно, если поднести к прибору открытое пламя. В таком случае пламя начнёт колебаться из-за создаваемой аспирационной головкой тяги.

Устройство и принцип работы

Как упоминалось ранее, психрометр Ассмана состоит из двух стеклянных термометров, заполненных ртутью. Эти термометры располагаются в специальных металлических трубках. Нижние части этих трубок открыты, а верхние части соединены в одну конструкцию. Также в верхней части установлена всасывающая головка, что и дает основание называть прибор всасывающим психрометром.

Всасывающая головка поддерживает стабильный поток воздуха в термометрических резервуарах. Она состоит из пружины и вентилятора, который может активироваться вручную или автоматически. Вентиляция осуществляется следующим образом: вентилятор вбирает окружающий воздух, обдувает термометр, а затем воздушные потоки возвращаются к вентилятору и выбрасываются через специальные отверстия в корпусе. Как указано в ГОСТе, средняя скорость воздушных потоков, производимых вентилятором, должна составлять 2 м/с, и эта скорость может регулироваться специальным клапаном.

Тем не менее, основная функция в приборе выполняется термометрами и их показаниями. Один термометр именуется сухим, другой — влажным.

Первый из них непосредственно измеряет температуру окружающего воздуха, в то время как второй термометр определяет влажность. Если с функцией первого термометра все ясно, то показания второго термометра будут намного ниже процесса окружающей температуры, что обусловлено его связью с влажностью воздуха.

Кроме термометров, внутри прибора присутствует специальный резервуар. Он наполняется дистиллированной или кипяченой водой. Один конец ткани помещается в резервуар с водой, а другой конец оборачивается вокруг основания влажного термометра. Важно учитывать, что если используется проточная вода, содержащая хлор, это может забить микрокапилляры ткани, используемой для увлажнения второго термометра.

Процесс испарения требует значительных энергетических затрат. Основная работа устройства основана на том, что жидкость испаряется, охлаждая поверхность, с которой она взаимодействует. В данном контексте такой поверхностью является сам термометр, охлаждаясь и показывая пониженную температуру. Чем ниже влажность в воздухе, тем быстрее происходит испарение воды с ткани, следовательно, тем ниже температура влажного термометра. При 100% влажности воздух прекращает испарение, и при этом термометры показывают одинаковые значения.

Следует отметить, что прибор защищён прочным корпусом, который не только предотвращает возможные повреждения внутренних частей прибора, но и защищает термометры от теплового излучения окружающих объектов.

Это интересно: Как прикрепить уличный термометр к пластиковому окну.

История создания влагомера

Измерение влажности является более сложной задачей, нежели определение температуры, поэтому первые гигрометры были не настолько точными. Первую версию гигрометра создал Леонардо да Винчи еще в конце XIV века. Позже, в 1687 году, Гийом Амонтонс разработал гигрометр, напоминающий трехжидкостный барометр. В 1781 году Гораций Бенедикт де Соссюр (1740-1799) обнаружил, что человеческий волос может служить хорошим индикатором влажности. Серьезный прорыв в области гигрометрии произошел в 1802 году благодаря британскому исследователю Джону Дальтону (1766-1844), который показал, что количество водяного пара, необходимое для насыщения, значительно зависит от температуры. Это открытие привело к пониманию концепции относительной влажности и к созданию психрометрического гигрометра.

Показания различных гигрометров могут быть взаимозаменяемыми и непосредственно преобразовываться из одного типа в другой с помощью простых расчетов: относительная влажность помогает определить точку росы или абсолютную влажность.

Альтернативный метод измерений влажности в промышленности

Необходимо отметить, что описанный выше психрометрический метод измерений представляет собой довольно сложную систему, реализация которой зачастую является нетривиальной задачей. Упрощенные подходы, не учитывающие вышеуказанные аспекты, часто не обеспечивают необходимой точности или фактически не могут быть применимы. В связи с этим в промышленности гораздо более распространённым является емкостной метод измерения влажности, который, в отличие от психрометрического, представляет собой прямой способ определения относительной влажности воздуха. Его основа — влагозависимый конденсатор (см. рисунок 6).

Конденсатор состоит из керамической подложки, в которую встроены электроды (обкладки). На его поверхности наносится очень тонкий полимерный слой, который абсорбирует молекулы воды из окружающего воздуха. Чтобы углубиться в принцип измерения, мы можем обратиться к формуле 4 для расчета емкости плоского конденсатора:

где:
Ɛ₀ — электрическая постоянная 8,85*10^-12 Ф/м;
S — площадь обкладок конденсатора, м²;
d — расстояние между обкладками, м;
Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Все параметры в формуле 4 являются постоянными, кроме диэлектрической проницаемости Ɛ — она увеличивается прямо пропорционально с ростом степени насыщенности воздуха. Таким образом, чем выше относительная влажность, тем больше емкость влагозависимого конденсатора (сенсора). Затем электронная плата преобразует текущую емкость сенсора в аналоговый унифицированный сигнал 4…20 мА или 0…10 В, либо в цифровой сигнал с использованием интерфейсов RS485 или RS232.

На основе данного метода функционируют промышленные датчики влажности Galltec-Mela, которые используют уникальные сенсоры собственного производства, отличающиеся стойкостью к образованию конденсата, в отличие от аналогичных сенсоров, предлагаемых другими производителями. У этих датчиков отмечаются следующие преимущества:

• высокая точность измерений — самый простой датчик серии L имеет допустимую погрешность в 3%. Также имеется модель серии А/В, основанная на микроконтроллере с допустимой погрешностью всего 1,5%, что делает ее средством измерения, сертифицированным соответствующим органом;
• возможность долговременной эксплуатации при температурных рамках от -80 до +200 °C;
• легкость в защите от запыленности и агрессивных сред благодаря использованию фильтров;
• высокая стабильность работы, не зависящая от температуры или давления окружающего воздуха.

Выводы

Несмотря на описанные ранее ограничения и особенности применения психрометрического метода, выделяются следующие области, в которых данный метод успешно применяется:

1. Простые применения, такие как измерение влажности в офисах, квартирах, аптеках, теплицах и инкубаторах, где высокая точность измерений и автоматизация не требуются — в этих случаях выбор наиболее простого и экономичного метода оправдан.

2. Специальные применения, где присутствуют значительные загрязняющие факторы (например, в процессе копчения колбасы, сушки дуба, пропаривания бетона). В подобных условиях датчики влажности, работающие по емкостному принципу, быстро выходят из строя из-за покрытия влагонепроницаемыми пленками, даже несмотря на использование фильтров и регулярное техническое обслуживание. В противоположность этому, психрометры в таких ситуациях демонстрируют надежность, несмотря на большую погрешность измерения, которая со временем ухудшается из-за загрязнения воды и ткани.

Во многих других областях в успехе пользуются устройства на основе емкостных сорбционных элементов:

• Сушка макарон;
• Климатические и испытательные камеры, включая устройства с избыточным давлением или вакуумом;
• Холодильные и морозильные камеры, дефростеры;
• Выращивание грибов, животноводство и птицеводство;
• Расстойка теста;
• Метеорология;
• Системы общеобменной вентиляции;
• Вентиляция серверных комнат;
• Вентиляция овощехранилищ, музеев, библиотек;
• Вентиляция чистых помещений, таких как больницы и операционные;

Кроме того, следует относится к тому, что некоторые пользователи ошибочно принимают обычные психрометры Августа за эталоны в процессе определения погрешности измерений сенсоров емкостного типа. Данная статья показала, что даже при соблюдении условий эксплуатации психрометров, минимизирующих влияние внешних факторов, итоговая ошибка может достигать 5-7% (а в случае отсутствия аспирации даже 10-15%), что говорит о неприемлемости использования психрометров для оценки точности работы емкостных датчиков с классом точности 1,5-3%.

Инженер ООО КИП-Сервис
Рывкин Е.Е.

Список использованной литературы:

1. Журнал «Производство кирпича в колхозах», Москва, 1959
2. ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения»
3. ГОСТ 8.395-80 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования»
4. П. Изельт, У. Арндт, М. Вильке. «Увлажнение воздуха. Системы и применение». Москва: Техносфера, Евроклимат, 2007
5. Приложение к свидетельству об утверждении типа № 37604 «Описание типа средств измерений. Гигрометры психрометрические ВИТ»
6. Полякова Л.С., Кашарин Д.В. «Метеорология и климатология». Издательства Новочеркасской государственной мелиоративной академии, 2004