Психрометр (от греческого — «холодный» и «мерить») — это специализированный прибор, который предназначается для измерения температуры воздуха и его влажности. Особенно часто применяется в метеорологических измерениях на метеостанциях.
Психрометры, как правило, используются для измерения величины относительной влажности воздуха. Показатели относительной влажности являются важными показателями в различных областях науки и производства. Например, показания влажности воздуха очень важны при использовании весового оборудования для получения точных показателей взвешивания.
Принцип работы и устройство психрометров
Действие любого психрометра основывается на физическом свойстве жидкости, в частности воды, испаряться и возникающих при этом разностей температур, которые показываются сухим и влажным термометрами. Испарение воды со смоченной поверхности, ткани, губки, соединенной с одним из термометров, приводит к потере части энергии, как следствие, снижению температуры жидкости. Это снижение, а точнее сниженную температуру, и регистрирует смоченный термометр.
Простейший психрометр – это, по-сути, два стеклянных термометра (ртутных или спиртовых), один из которых — сухой, а второй — влажный (смоченный), т.е. обернут влажной хлопчатобумажной тканью. Один конец этой ткани опущен в резервуар с водой. Испаряясь, вода охлаждает «влажный» термометр. При этом, чем влажность окружающего воздуха ниже, тем интенсивнее протекает процесс испарения. Таким образом, чем суше воздух, влажность которого определяется, тем ниже будут показания «мокрого» термометра, и тем большей будет разница показаний сухого и влажного термометров.
Завизировав показания сухого и влажного термометров в определенный момент времени, при помощи психрометрической таблицы, поставляемой вместе с психрометром, или специальных формул можно определить относительную, а затем при помощи психрометрической формулы — абсолютную влажность воздуха.
Ниже представлена «психрометрическая формула», которая позволяет определить упругость водного пара по показаниям сухого и влажного термометров.
е —упругость водного пара находящегося в воздухе (абсолютная влажность воздуха);
Е —максимально возможная упругость водного пара при температуре tс смоченного термометра;
t —температура воздуха;
А —коэффициент, который зависит от устройства термометра и скорости прохождения воздуха возле резервуара термометра;
P —давление воздуха.
В чем отличия гигрометра от психрометра
Помимо психрометров, для измерения влажности воздуха, также, используются гигрометры, принцип работы которых основывается на изменениях физико-химических свойств различных веществ при изменении влажности окружающей среды. Наибольшее распространение получили емкостные, оптические, резистивные и термисторные гигрометры.
Именно принципом работы и отличаются гигрометр от психрометра. Психрометр — более простое устройство, поэтому он более защищен от различных посторонних воздействий и, как следствие, более надежен. В пользовательских инструкциях многих конструкций гигрометров указано, что необходимо периодически проверять показания гигрометра по психрометру.
Однако, в то же время, гигрометры более функциональны. Некоторые модели гигрометров способны измерять влажность не только воздуха, но и твердых тел. К примеру, используя емкостный гигрометр можно измерить влажность таблеток.
Виды психрометров
По большом счету, различают три вида психрометров:
Стационарный психрометр
Стационарный психрометр (психрометр Августа) – это тот самый, «классический» психрометр, описанный выше. Состоит стационарный психрометр из двух термометров, которые закреплены на специальном штативе и помещены в метеорологическую будку. Резервуар одного из них обвязан кусочком батиста, конец которого помещен в стаканчик с водой, для обеспечения свободного поступления воды к резервуару. Сама будка (метеорологическая будка Селянинова) устроена таким образом, что в ней обеспечивается свободный обмен воздуха. Основной недостаток стационарных психрометров заключается в том, что показания смоченного термометра зависят от скорости воздушного потока в будке. Преимущество же стационарного психрометра заключается в его простоте и удобстве обслуживания. Схему психрометра Августа можно увидеть на рисунке 1. Самым простым психрометром является психрометр-гигрометр серии «ВИТ»: ВИТ-1, ВИТ-2 и ВИТ-3.
Аспирационный психрометр
Аспирационный психрометр (психрометр Асмана) является более сложным прибором. Термометры в данном психрометре помещены в специальный корпус, который служит для них защитой от повреждений и теплового воздействия окружающих предметов. Обдув термометров производится при помощи специального вентилятора, называемого аспиратором, с постоянной скоростью около 2 м/сек. Аспирационный психрометр — наиболее точный и надежный прибор для измерения температуры и влажности воздуха при положительных температурах окружающей среды.
Общим, для аспирационного и стационарного психрометров является то, что оба они построены на базе ртутно-стеклянных термометров, что и определяет их общий недостаток — хрупкость, а также невозможность проведения контроля дистанционно. Примером данного вида психрометров могут служить модели психрометров М-34М и МВ-4-2М.
Дистанционный психрометр
Дистанционный психрометр – это уже промышленный психрометр, в котором для измерения влажности воздуха используются различные термометры сопротивления, а также термопары и термисторы. Основные типы таких приборов: манометрические и электрические психрометры. Тут все зависит от типа используемого термометра.
В манометрическом психрометре, как следует из названия, обычно используются либо двухканальный манометрический термометр, либо два одноканальных, где один из термобаллонов снабжен системой увлажнения.
Более широкое распространение получили психрометры, в которых используются термометры сопротивления, термопары, термисторы. Однако, также как и в других психрометрах, обязательным условием для надежной работы и точности показаний является использование сухого и увлажненного преобразователей и датчиков температуры. Хорошим примером электронного психрометра, в качестве датчиков температуры «сухого» и «влажного» термометров использующего кремниевые транзисторы является модель ПТ-1.
Работа психрометра основана на степени охлаждения испарением резервуара «смоченного» термометра при балансе теплообмена и зависящей от количества влаги в вентилируемом потоке воздуха постоянной скорости.
По температуре «смоченного» термометра и температуре воздуха определяют относительную влажность.
Психрометр состоит из двух основных частей — головки 1 и термодержателя 3 (рис. 1).
Внутри головки располагается аспирационное устройство, состоящее из заводного механизма, ключа 2 и вентилятора для психрометра МВ-4-2М; в психрометре М-34-М используется электродвигатель с вентилятором, подключаемый к сети переменного тока напряжением 220 В.
На термодержателе 3 установлены термометры 4, один из которых «смоченный», а другой служит для измерения температуры воздуха.
Термометры защищены от воздействия солнечной радиации как сбоку — планками 5, так и снизу — трубочками 6.
В нижней части термодержателя расположено устройство для регулирования скорости аспирации. Оно состоит из клапана 8, имеющего форму конуса и подпружиненного винта 7. При повороте винта перекрывается определенная часть сечения трубки 9, что приводит к изменению скорости аспирации.
Регулировка скорости до заданной величины проводится на заводе и при необходимости в бюро поверки.
 Рис. 1. Схема аспирационного психрометра МВ-4-2М |
При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по трубке 9 к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке. К психрометру прилагаются: пипетка для смачивания, состоящая из стеклянной трубочки, вставленной в резиновый баллон с зажимом; щиток (ветрозащита) для защиты аспиратора от влияния ветра; металлический крючок для подвешивания прибора за шарик на аспирационной головке, поверочные свидетельства к термометрам и паспорт. Для вычисления влажности по показаниям термометров используют психрометрические таблицы или вычисляют по формуле. Формулы и вспомогательные таблицы для вычисления абсолютной и относительной влажности представлены в приложении 1 |
Основные технические данные
Диапазон измерения температуры воздуха от минус 25 °С до плюс 50 °С.
Диапазон измерения температуры «смоченного» термометра от минус 10 °С до плюс 50 °С.
Питание психрометра М-34-М осуществляется от источника переменного тока напряжением (220 +22 -33) в при частоте (50±1) Гц.
Мощность, потребляемая психрометром М-34-М, не более 30 ВА.
Предел допускаемых случайных составляющих погрешностей термометров, после введения поправок ±0,1 °С.
Скорость аспирации для психрометра МВ-4-2М на четвертой минуте и для психрометра М-34-М на любой минуте не менее 2,0 м/с.
Время раскручивания пружины заводного механизма психрометра МВ-4-2М при полном заводе составляет не менее 8 минут.
Порядок работы
Порядок работы психрометра следующий:
1) при определении влажности на открытом воздухе вынести психрометр из помещения зимой за 30 мин, а летом за 15 мин до момента отсчета и повесьте его в установленном месте на высоте 2 метра от поверхности земли;
2) смочите батист на резервуаре термометра, это смачивание произведите за 4 мин до начала наблюдений.
Для этого возьмите резиновый баллон с зажимом, заранее наполненный дистиллированной водой, и легким нажимом доведите воду в пипетке не ближе, чем на 1 см до края, и удержите на этом уровне при помощи зажима. Затем введите пипетку во внутреннюю трубку защиты и смочите батист. Выждав некоторое время, не вынимая пипетки из трубки, разожмите зажим, вбирая воду в баллон, и выньте пипетку;
3) заведите пружину заводного механизма психрометра МВ-4-2М или включите электромотор психрометра М-34-М, желательно, к стабилизированному источнику питания переменного тока;
4) через четыре минуты после пуска вентилятора или включения электромотора произведите отсчет по термометрам. Отсчет снимают с точностью до 0,25 цены деления шкалы, значение температуры округляют до 0,1 °С и в показания вводят поправки, взятые по паспорту термометров.
У термометров каждое деление шкалы соответствует 0,2°С. Нечетные десятые доли градусов определяются на глаз.
При температуре воздуха ниже 0 °С психрометр выносят из помещения за полчаса до наблюдений, тотчас смачивают резервуар, обтянутый батистом, и включают аспирационное устройство на 8 минут. За 3-4 минуты до отсчета вторично включают аспирационное устройство, но не делают повторного смачивания. Перед отсчетом наблюдатель должен установить, остается ли показание «смоченного» термометра постоянным или меняется. В первом случае наблюдатель производит и записывает отсчеты как обычно. Во втором — повторяет весь процесс наблюдения сначала. Перед тем, как производить отсчеты, следует посмотреть, обмерз или остался мягким батист на резервуаре термометра, для этого деревянной палочкой (размером, примерно, со спичину) касаются смоченного батиста (создают центр кристаллизации). При этом палочка (может быть из другого материала) должна иметь температуру окружающей среды, чтобы не вносить дополнительного тепла к воде на батисте от рук.
После этой операции батист должен быть твердым, затем отмечают рядом с записью показания смоченного термометра: буквой «Л» наличие на батисте льда и буквой «В» наличие в нем воды.
Для защиты вентилятора от действия сильного ветра (свыше 4 м/с) на прорези аспирационной головки с наветренной стороны необходимо надеть ветровую защиту открытым концом в направлении вращения вентилятора.
Пример определения абсолютной влажности воздуха с помощью психрометра аспирационного. При определении влажности воздуха с помощью аспирационного психрометра было установлено, что температура «сухого» термометра составила 26,2°С, «влажного» термометра – 19,4°С, скорость движения воздуха при работе с аспирационным психрометром не учитывается, так как с помощью вентилятора создается постоянный поток воздуха, барометрическое давление – 753 мм. рт. ст.
Значение f — максимальной влажности при температуре «влажного» термометра находим по таблицам 1 или 2. В данном примере пользуемся таблицей 1. На пересечении колонок 19 (целые значения температуры) и 4 (десятые доли градуса) находим искомую величину, которая составляет 16,89 мм. рт. ст.
Абсолютная влажность рассчитывается по формуле:
К – искомая абсолютная влажность, мм рт. ст.;
f – максимальное напряжение водяных паров при температуре влажного термометра (находят по таблицам 5 или 6), мм рт. ст.;
0,5 – постоянный психрометрический коэффициент;
t – температура сухого термометра, о С
t1 – температура влажного термометра, о С;
В – барометрическое давление, мм рт. ст.
755 – среднее значение барометрического давления на уровне земли,. мм рт. ст.
Обычному человеку для определения погоды на улице, как правило, вполне достаточно термометра, прикреплённого к оконной раме.
Иногда к нему прибавляется барометр – прибор, предсказывающий изменения погоды по колебаниям атмосферного давления. Но для синоптика этого набора измерительной техники, как правило, недостаточно – необходим ещё, как минимум, психрометр.
Что такое психрометр?
Название этого прибора составлено из двух слов древнегреческого языка: «психрос» — холодный и «метрео» — измерять.
Он измеряет температуру и влажность воздуха, что часто бывает необходимостью в метеорологических замерах окружающей среды, а также во многих сферах промышленности – например, при взвешивании гигроскопичных материалов для нахождения их точного веса.
Как работает психрометр?
Как известно, любая жидкость, в том числе и вода, постепенно испаряется, при этом в парообразное состояние переходят самые «быстрые» молекулы, т.е. общая температура жидкости при этом понижается. Именно это физическое свойство жидкостей лежит в основе конструкции любого психрометра.
Представьте себе два термометра, неважно – спиртовых либо ртутных. Поверхность одного из них остаётся сухой, второй же обёрнут влажной тканью. Чтобы ткань не высыхала, один её край опущен в ёмкость с водой. Когда вода испаряется с ткани, обёрнутый термометр охлаждается и, соответственно, показывает более низкую температуру, чем второй термометр, поверхность которого остаётся сухой и фиксирует температуру воздуха. Чем меньше влаги в окружающем воздухе, тем интенсивнее идёт процесс испарения.
Следовательно, по разнице показаний двух термометров можно судить об уровне влажности воздуха. Для этого существует специальная психрометрическая таблица, из которой можно узнать относительную влажность, а затем при помощи специальной формулы определить абсолютную влажность воздуха.
Психрометр и гигрометр
Так ли уж необходим психрометр, когда влажность воздуха можно определить при помощи другого прибора – гигрометра?
Принцип работы этого прибора основан на других свойствах окружающей среды: гигрометры бывают резистивными, ёмкостными, термисторными и оптическими. Простейшие из них используют свойство некоторых материалов скручиваться или распрямляться при колебаниях влажности.
В ряде случаев показания любого из гигрометров являются недостаточно точными. Простота устройства психрометра обеспечивает высокий уровень защиты от посторонних влияний, поэтому полученные с его помощью данные оказываются более точными и надёжными. Поэтому нередко для уточнения результатов измерений показания гигрометров время от времени проверяют при помощи психрометра.
В то же время гигрометры во многих случаях являются более удобными для использования. Так, ёмкостные гигрометры справляются с замерами влажности не только воздуха, но и твёрдых веществ. Это необходимо для контроля параметров таблеток, бетонных изделий и др.
Разновидности психрометров
В настоящее время для замеров используются психрометры трёх основных типов, различающихся между собой конструкционными особенностями.
— Психрометр стационарного типа представляет собой закреплённые на массивном штативе два ртутных термометра. Колба с ртутью одного из них обвязана батистовой тканью, конец которой опущен в стакан, наполненный водой. Вся конструкция размещена в метеорологической будке или там, где обычно проводятся замеры. Основным недостатком стационарного психрометра является зависимость показаний от подвижности воздушного потока, которая влияет на скорость испарения.
— Психрометр аспирационного типа (Асмана), хотя и состоит из тех же двух термометров, но обладает более сложной и защищённой конструкцией. Термометры в этом варианте размещены в прочном корпусе, который отсекает постороннее тепловое излучение. Испарение жидкости происходит за счёт принудительного обдува, осуществляемого небольшим вентилятором, продуцирующим поток воздуха со скоростью около 2 м/с. Это наиболее точный и защищённый от внешних влияний прибор.
— Психрометр дистанционного типа использует не ртутные стеклянные термометры, а электрические измерители температуры, основанные на замерах резистивности материалов, на свойствах термисторов и термопар, а также манометрические системы. Но в любом случае один из датчиков при измерениях остаётся сухим, а второй смачивается для замера разности температур.
Таким образом, психрометры Асмана и стационарного типа используют привычные ртутные термометры из стекла, поэтому их общим недостатком является повышенная хрупкость прибора. Дистанционные психрометры измеряют температуру воздуха, основываясь на других принципах, поэтому их показания могут контролироваться дистанционно, что нередко является жизненно важным обстоятельством.