Психрометр
Психрометром называют прибор, который применяется для измерения влажности воздуха.
Чаще всего психрометры используют для определения показателей относительной влажности воздуха. Такие показатели важны во многих сферах производства, например, там, где используется весовое оборудование, чтобы определить точность показателей или доказать необходимость использования весов влагозащищенных.
Наиболее простым из всех психрометром является психрометр Августа. Этот прибор состоит из двух термометров, которые укреплены на штативе, а также с небольшого резервуара для воды. На один из термометров надевается специальный колпачок из тонкой материи (батиста). Конец материи опускается в резервуар с водой. Этот термометр получил название влажного. Второй термометр остается свободным и называется сухим. Влажный термометр, когда ткань смочена, будет показывать более низкую температуру, чем сухой. Это происходит из-за того, что затрачивается некоторое количество тепла на испарение воды с влажного термометра. Следует учитывать, что чем меньше в окружающем воздухе водяных паров, тем интенсивнее испаряется с влажного термометра и тем большей, в результате, будет разница температур между показаниями двух термометров.
Абсолютную и относительную влажность определяют по специальным формулам, но существуют готовые психометрические таблицы, которые значительно упрощают все расчеты и вычисления. В психометрических таблицах находят величину относительной влажности по отсчетам показателей влажного и сухого термометров.
Для измерения влажности психрометр Августа подвешивают на необходимом месте, смачивают тканевый колпачок и через 10 минут можно производить отсчеты показателей. Однако существует и серьезный недостаток: на показатели данного типа психрометра влияет движение воздуха. Этот недостаток был устранен в психрометрах аспирационного типа.
Аспирационный психрометр Асмана
В психрометре Асмана влажность определяется так же, как и в психрометре Августа: на основе разницы температур, которые показывает влажный и сухой термометры. Но существует и кардинальное отличие – психрометр Асмана в пространстве, которое окружает термометры, имеет постоянную скорость движения воздуха.
Оба термометра в таком психрометре погружены в металлические трубки нижними концами. Эти трубки снизу открыты, а сверху соединяются в одну цилиндрическую трубку. Но это еще не все, трубка содержит в себе еще и внутреннюю трубку, в которой есть ртутный резервуар термометра. Конец соединенной трубки соединен с небольшим вентилятором, который приводится в движение от заводной пружины и создает постоянное движение воздуха.
Вычисление относительной и абсолютной влажности можно произвести с помощью формул или воспользовавшись специальной психометрической таблицей.
Измерение влажности с помощью психрометра Асмана проводится через 3-5 минут после того, как специальной пипеткой будет смочен влажный термометр и специальным ключом заведен вентилятор. Этот тип психрометров является наиболее точным и удобным прибором для измерения влажности.
Вообще все современные психрометры делятся на три категории:
Для описания состояния влажного воздуха используют три температурных параметра:
— температуру по сухому термометру,
- — температуру точки росы,
- — температуру по мокрому термометру.
Рассмотрим, чем они различаются.
Температура по сухому термометру
Температура по сухому термометру (/(Т) — эта та температура воздуха, которую непосредственно измеряют с помощью термометра.
В быту для этого используют ртутный или спиртовой термометр (градусник). В технике для этих целей применяют термопары или датчики температуры.
То есть температура по сухому термометру — это научное название обычной температуры воздуха.
Температура точки росы
Если влажный воздух охлаждать при неизменном влагосодержании, процесс может протекать до тех пор, пока температура воздуха не понизится до температуры насыщения, т.к. при дальнейшем охлаждении воздуха из него начнет выпадать влага.
Температура, соответствующая состоянию насыщения влажного воздуха при заданном значении влагосодержания, называется температурой точки росы [1.4].
Температура точки росы (/,,) является предельной температурой, до которой можно охлаждать влажный воздух при постоянном влагосодержании без выпадения конденсата.
При дальнейшем охлаждении воздуха при положительных температурах из него начнет выпадать влага (конденсат) в виде капель (росы). Именно из-за этого параметр и получил такое название.
Если на какой-то поверхности образуются капельки конденсата, то это означает, что температура этой поверхности ниже температуры точки росы окружающего воздуха.
Запотевший стакан с прохладительным напитком, покрытые ледяным узором окна, роса на траве и листьях деревьев — все эти явления связаны с температурой точки росы воздуха.
Температура точки росы (точка росы) может быть определена экспериментально путем измерения температуры охлаждаемой зеркальной металлической пластины, омываемой воздухом, в момент начала появления росы на зеркальной поверхности.
На рис. 1.9 приведена номограмма для определения температуры точки росы по относительной влажности воздуха и температуре воздуха по сухому термометру (при нормальном давлении).
Рис. 1.9. Номограмма для определения температуры точки росы
Температуру точки росы воздуха необходимо знать для правильного проектирования процессов обработки воздуха, прежде всего его охлаждения.
Если воздух контактирует с поверхностью, имеющей температуру ниже, чем температура воздуха по сухому термометру, но выше, чем температура точки росы воздуха, происходит охлаждение воздуха без осушения, т.е. температура воздуха уменьшается, а влагосодержание остается неизменным (рис. 1.10).
Помещая в поток воздуха поверхность, имеющую температуру ниже, чем температура точки росы воздуха, мы вызываем конденсацию влаги на этой поверхности.
Воздух, проходящий вдоль поверхности, при этом не только охлаждается, но и осушается, т.е. температура и влагосодержание воздуха уменьшаются (рис. 1.11).
Именно процесс охлаждения с осушением реализуется в поверхностных воздухоохладителях, где температура теплообменной поверхности воздухоохладителя поддерживается ниже температуры точки росы входящего воздуха.
Тем самым в воздухоохладителе создаются условия для выпадения конденсата из воздуха, и воздух, проходя через воздухоохладитель, не только охлаждается, но и осушается, уменьшая свое влагосодержание.
Рис. 1.11. Охлаждение воздуха с осушением
Универсальный цифровой термометр.
Автор — Михаил aka Bar_boss.
https://electromost.com
Опубликовано 29.12.2010.
Предлагаемое Вашему вниманию устройство разрабатывалось в качестве домашнего термометра для одновременного контроля температуры в помещении и на улице. Кроме измерения температурных параметров, на дисплей выводится информация о текущем времени и дате.
В качестве датчиков контроля температуры, применены широко распространенные DS18B20. Один датчик устанавливается внутри помещения, другой — снаружи. Принципиальная схема представляет собой микроконтроллер, который управляет 4-х строчным символьным ЖКИ — индикатором и часами реального времени DS1307. Часы реального времени включены по типовой схеме — стабилизация частоты осуществляется кварцевым резонатором 32768 Гц, в качестве резервного источника питания применён литиевый элемент напряжением 3В. Управление от микроконтроллера проводится по шине I2C, реализация данного интерфейса в микроконтроллере — программная. Питание устройство получает от внешнего источника 7-14В через стабилизатор LM7805. С этого же стабилизатора напряжение подаётся на датчики температуры DS18B20. Управление подсветкой индикатора производится кнопкой S4. По умолчанию (после включения устройства) подсветка включена.
Внимание! Проверяйте назначение выводов 1 (общий) и 2 (+5В) используемого ЖКИ. У некоторых производителей индикаторов они могут располагаться наоборот! Неправильное подключение источника питания может вывести ЖКИ из строя!
В принципе, для измерения двух каналов температуры и вывода на дисплей времени и даты, можно было бы использовать и более простой микроконтроллер, например, 16F628A. Однако, в дальнейшем планировалось дополнить устройство датчиками контроля влажности, давления и т.д . Исходя из этого, выбор микроконтроллера и разработка печатной платы выполнялись с "запасом" под новые версии прошивок и введение дополнительных функций.
Настройка режима часы/дата: Нажать и удерживать более трёх секунд кнопку S1.После звукового сигнала отпустить кнопку, на дисплее в позиции часов появится курсор. Кнопкой S2 устанавливается нужное значение, а кнопкой S1 осуществляется переход часы-минуты-число-месяц-день.
В следующей версии прошивки была добавлена функция измерения влажности в помещении. Переключение в режим влажности осуществляется при помощи кнопки S3. Вводимые в схему новые элементы выделены красным цветом. В микроконтроллер для работы с данной функцией необходимо залить версию прошивки 1.1.
В большинстве случаев для измерения влажности применяют емкостные датчики, например, HIH-4000. Однако в основу измерения влажности в данном устройстве положен несколько иной принцип — психрометрический метод.
Данный метод основан на измерении разности двух температур. Прибор, который работает на этом принципе, называется психрометр и состоят из двух термометров. Один термометр "сухой", другой — "влажный". Для того, что бы второй термометр был влажным, он оборачивается в хлопчатобумажную ткань, которая опускается в воду и является постоянно влажной за счёт капиллярного эффекта. Испаряясь, вода охлаждает влажный термометр. В результате этого получается разница между показаниями "сухого" и "влажного" термометров. Исходя из разницы температур "влажного" и "сухого термометров", и температуры "сухого" термометра — т.е. температуры в помещении, по специальным таблицам, которые называются психометрическими (табл.1) определяют относительную влажность воздуха.
В основе нашего самодельного датчика остаётся тот же принцип психрометра — измерить температуру "сухого" и "влажного" датчиков и на основании их показаний извлечь из таблицы нужное значение. Такую обработку можно выполнить на микроконтроллере, что собственно мы и будем делать, модернизировав универсальный термометр, снабдив его функцией измерения влажности — психрометром.
Итак, первая "часть" психрометра у нас уже есть — как Вы видите, в термометре применяются датчики температуры DS18B20, один из которых измеряет температуру внутри помещения. Он как раз и будет "сухим" термометром. Второй (влажный) термометр, необходимо добавить в схему. Он подключается к выводу 5 микроконтроллера. Этот датчик необходимо обернуть тканью, которая постоянно должна быть во влажном состоянии. Для обеспечения надёжной влагозащиты, необходимо на каждый вывод датчика, а затем на его корпус, одеть термоусаживающую трубку.
В микроконтроллере запрограммированы значения, занесенные в таблицу 1. — диапазон температур сухого термометра 15:.30 градусов и разность показаний между сухим и влажным термометром 0:9 градусов. При желании, корректировкой таблицы, прошитой в микроконтроллере, этот диапазон рабочих температур градусов можно сдвинуть в ту или иную сторону.
При выходе за пределы 15:.30 градусов и при разности температур свыше 9 градусов, на дисплей выводится сообщение об ошибке. Так же показывается ошибка, если температура "влажного" датчика становится больше температуры "сухого" датчика.
В режиме психрометра, на дисплей постоянно выводится значения "сухого" и "влажного" датчиков и в случае, если температура выйдет за указанные пределы и будет выведено сообщение об ошибке, всё равно исходя из этих значений по расширенной психометрической таблице можно вычислить значение влажности. Если, разумеется, она лежит в области определения таблицы. А вообще планируется расширить таблицу значений влажности в микроконтроллере на диапазон 1:30 градусов.
Может получиться ситуация, когда показания "сухого" и "влажного" датчиков одинаковы. А это возможно в двух случаях — когда влажность воздуха 100% или отсутствует вода в емкости "влажного" датчика. Поэтому, при показаниях влажности 100% нужно проверить, что "влажный" датчик действительно смочен водой.
Конструктивное исполнение психрометрического датчика может быть любым. Главное условие, что бы "сухой" и "влажный" датчики находились в одной температурной зоне и в тоже время нужно избежать влияния влаги на "сухой" датчик. Некоторые варианты конструктивной реализации датчиков, построенных на психрометрическом методе, можно посмотреть на сайте автора.
Несмотря на то, что использование подобного датчика не очень удобно (нужно следить за наличием воды), тем не менее, его вполне можно использовать при отсутствии емкостных датчиков влажности для построения домашней метеостанции.
Проект универсального термометра на этом не завершён, сейчас ведётся его дальнейшая доработка по расширению функционала.