Как найти разность температур психрометра

Лабораторная работа № 5

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ПСИХРОМЕТРА.»

Цель: освоить прием определения относительной влажности воздуха, основанный на использовании психрометра..

Оборудование: 1. Психрометр.

Теория.

   В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды, которая испаряется с поверхности морей, рек, океанов и т.п.

   Воздух, содержащий водяной пар, называют влажным.

   Влажность воздуха оказывает огромное влияние на многие процессы на Земле :на развитие флоры и фауны, на урожай сельхоз. культур, на продуктивность животноводства и т.д. Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья людей, т.к. от неё зависит теплообмен организма человека с окружающей средой. При низкой влажности происходит быстрое испарение с поверхности и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, что приводит к ухудшению состояния.

   Значит, влажность воздуха надо уметь измерять. Для количественной оценки влажности воздуха используют понятия абсолютной и относительной влажности.

   Абсолютная влажность – величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха (т.е. это плотность водяного пара). Она равна парциальному давлению пара при данной температуре.

   Парциальное давление пара – это давление, которое оказывал бы водяной пар, находящийся в воздухе , если бы все остальные газы отсутствовали.      

   Относительная влажность воздуха – это величина, показывающая, как далек пар от насыщения. Это отношение парциального давления p водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного   пара p₀ при той же температуре, выраженное в процентах:

   Если воздух не содержит паров воды, то его абсолютная и относительная влажность равны 0. Предельное значение относительной влажности – 100%. Нормальной для человеческого организма считается влажность 60%.

   Для измерения влажности воздуха используют приборы гигрометры и психрометры.

   1. Конденсационный гигрометр. Состоит из укрепленной на подставке металлической круглой коробочки с отполированной плоской поверхностью. В коробочке сверху имеются два отверстия. Через одно из них в коробочку наливают эфир и вставляют термометр, а другое соединяют с резиновой грушей. Действие конденсационного гигрометра основано на определении точки росы.

   Точка росы – это температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным.

   Продувают воздух через эфир (с помощью резиновой груши), при этом эфир быстро испаряется и охлаждает коробочку. Слой водяного пара, находящийся вблизи поверхности коробочки, благодаря теплообмену тоже станет охлаждаться. При определенной температуре этот водяной пар начнет конденсироваться и на отполированной поверхности коробочки появляются капельки воды (роса). По термометру определяют эту температуру, это и будет точка росы. В таблице «Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах» по точке росы находят абсолютную влажность – соответствующую этой температуре плотность паров или их давление.

Давление насыщенных паров и их плотность при различных температурах

t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3	t, 0С	р, Па	ρ*10-3, кг/м3
– 5	401	3,24	6	933	7,30	17	1933	14,5
– 4	437	3,51	7	1000	7,80	18	2066	15,4
– 3	476	3,81	8	1066	8,30	19	2199	16,3
– 2	517	4,13	9	1146	8,80	20	2333	17,3
– 1	563	4,47	10	1226	9,40	21	2493	18,8
0	613	4,80	11	1306	10,0	22	2639	19,4
1	653	5,20	12	1399	10,7	23	2813	20,6
2	706	5,60	13	1492	11,4	24	2986	21,8
3	760	6,00	14	1599	12,1	25	3173	23,0
4	813	6,40	15	1706	12,8	26	3359	24,4
5	880	6,80	16	1813	13,6	27	3559	25,8

   Чтобы найти относительную влажность, надо давление насыщенного пара при температуре точки росы разделить на давление насыщенного пара при температуре окружающего воздуха и умножить на 100%.

   2. Волосной гигрометр. Его работа основана на том, что обезжиренный человеческий волос при увеличении влажности воздуха удлиняется, а при уменьшении влажности укорачивается. Волос оборачивают вокруг легкого блока, прикрепив один конец к раме, а к другому подвешивают груз. При изменении длины волоса указатель (стрелка), прикрепленный к блоку, будет двигаться, перемещаясь по шкале. Шкалу градуируют по эталонному прибору.

   3. Психрометр. (от греч «психриа» – холод). Состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, опущенной в сосуд с водой. Вода смачивает марлю на резервуаре термометра и при её испарении он охлаждается. По разности температур сухого и влажного термометров по психрометрической таблице определяют влажность воздуха.

Ход работы.

   Задание 1. Измерить влажность воздуха с помощью психрометра.

1. Подготовить таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

№ опыта	tсухого, 0С	tвлажного, 0С	Δt, 0С	φ, %
1

1. Рассмотреть устройство психрометра.
2. По показаниям сухого термометра измерить температуру воздуха t_сухого в помещении.
3. Записать показания термометра, резервуар которого обмотан марлей t_{влажного}
4. Вычислить разность показаний термометров Δt = t_сухого – t_{влажного}
5. По психрометрической таблице определить влажность воздуха φ
6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.
7. Сделайте вывод о том, нормальная ли влажность воздуха в помещении.
8. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Почему при продувании воздуха через эфир, на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса?
2. Почему показания «влажного» термометра меньше показаний «сухого» термометра?
3. Могут ли в ходе опытов температуры «сухого» и «влажного» термометров оказаться одинаковыми?
4. При каком условии разности показаний термометров наибольшая?
5. Может ли температура «влажного» термометра оказаться выше температуры «сухого» термометра?
6. Сухой и влажный термометр психрометра показывают одну и ту же температуру. Какова относительная влажность воздуха?
7. Каким может быть предельное значение относительной влажности воздуха?

Психрометрическая таблица.

tсухого, 0С	Разность показаний сухого и влажного термометров
0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
5	100	86	72	58	45	32	19	6
6	100	86	73	60	47	35	23	10
7	100	87	74	61	49	37	26	14
8	100	87	75	63	51	40	28	18
9	100	88	76	64	53	42	31	21
10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	4
11	100	88	77	66	56	46	36	26	17	8
12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11
13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6
14	100	90	79	70	60	51	42	33	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12	5
16	100	90	81	71	62	54	45	37	30	22	15	8
17	100	90	81	72	64	55	47	39	32	24	17	10
18	100	91	82	73	64	56	48	41	34	26	20	13
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22	15
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24	18
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26	20
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28	22
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30	24
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31	26
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33	27
26	100	92	85	78	71	64	58	51	45	40	34	29
27	100	92	85	78	71	65	59	52	47	41	36	30
28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37	32

    Вариант выполнения работы.

    Показания сухого термометра 24 ⁰С.

    Показания влажного термометра 21 ⁰С.

Гигрометры можно увидеть практически везде в помещениях, где требуется контролировать микроклимат. Изобретён этот прибор был в конце XIX века, и с тех пор повсеместно используется по его основному назначению: для измерения температуры воздуха и одновременно – влажности воздуха. В нашем интернет-магазине можно купить психрометр в двух вариантах исполнения: ВИТ-1 и ВИТ-2. Первый прибор предназначен для замеров влажности воздуха в диапазоне температур от 0 до 25 градусов Цельсия, второй – для работы с температурами от 15 до 40 градусов Цельсия.

Принцип действия психрометра

С момента изобретения менялся лишь дизайн стационарного прибора, который обычно вешается на стене. Но принцип его работы остаётся неизменным. На небольшую пластинку из дерева, пластика или другого материала с низкой теплопроводностью крепятся два термометра. Между ними должно быть расстояние не более 5 см.

Резервуар с расширяющейся жидкостью одного из термометров обхватывает влажный фитиль, противоположный конец которого опускается в небольшой сосуд с дистиллированной водой. Этот сосуд называется питателем, сделан он из пластика и его заполняют дистиллированной (в крайних случаях кипяченой) водой.

Термометры подписываются «Сухой» и «Увлажненный». Фитиль, которым смачивается резервуар одного из термометров, шьют в виде трубочки из гигроскопичной хлопчатобумажной ткани: шифона или батиста. Толщина шва не должна превышать 1,5 мм.

«Сухой» термометр всегда будет показывать температуру выше, чем показания увлажненного. Колбочка «Увлажненного» термометра охлаждается из-за испарения влаги с фитиля. По разнице в показаниях обоих термометров высчитывают влажность окружающего воздуха. Расчет ведется не вручную, а по психрометрической таблице, закреплённой на приборе.

Где применяются психрометры

Повсеместно психрометры используются на метеорологических станциях при ежедневном контроле погоды.

Во многих отраслях промышленности психрометры позволяют контролировать влажность воздуха в складских помещениях, для профилактики порчи товарных и прочих запасов от сырости. Незаменимы они в теплицах, животноводческих фермах и птицефабриках. В инкубаторах при слишком низкой влажности воздуха цыплята будут не способны вылупиться из яиц. При слишком высокой влажности воздуха зерно в складах начинает отсыревать, а потом «гореть», зародыши семян от этого гибнут. Семенной материал и продовольственное зерно становится непригодным к употреблению, даже животными.

В жилых помещениях желательно контролировать влажность воздуха для профилактики иссушения слизистых оболочек и кожи. Это ведет к разрушению защитного барьера и «открытию ворот» для различных инфекций. Оптимальная влажность воздуха в жилых помещениях составляет 40-60 процентов. Если она ниже нормы, то люди страдают от пересушенных слизистых оболочек и кожи, часто болеют ОРЗ. Если же влажность воздуха выше нормы, то ткани и мебель начинают отсыревать, размножается плесень и прочее аллергены, одежда портится. Вот почему психрометр должен быть в каждом доме.

Как пользоваться гигрометром психрометрическим?

Гигрометр должен быть закреплён в строго вертикальном положении на уровне глаз человека. Устанавливают его подальше от сквозняков, источников холода либо тепла. Далее опишем, как пользоваться гигрометром в быту или на работе.

По мере необходимости ёмкость питателя снимается и в него доливается дистиллированная вода. Затем питатель ставится на место так, чтобы от его открытого края до кончика термометра было не меньше 20 мм. Привязанная к термометру ткань фитилька не должна касаться стенок сосуда. Если фитиль сухой, нужно полностью окунуть его в резервуар. Замерять показания термометров можно через 30 минут после подготовки прибора к работе.

Чтобы показания гигрометра были максимально точны, нужно учитывать скорость движения воздуха в помещении, и применять соответствующие поправки к замерам. Для этого на гигрометр можно дополнительно установить устройство аспирации.. Скорость движения воздуха определяется до одной десятой доли метров в секунду.

Чтобы правильно снять показания термометров, глаза наблюдателя должны находиться строго напротив верхней границы температурного столбика. При снятии показаний нельзя дышать на термометры.

К каждому гигрометру прилагается паспорт, где указаны все поправки к показаниям. Температурная шкала градуирована до 0,1 градуса Цельсия. Поправки к замерам добавляются путем простого сложения.

По разнице показаний обоих термометров, с обязательным учётом поправок, в прикреплённой к прибору психрометрической таблице смотрят значение относительной влажности окружающего воздуха. Эта цифра находится в точке пересечения строки показаний сухого термометра со столбцом разности температур «Сухого» и «Увлажненного».

• Если в таблице нет Вашего значения температуры сухого термометра, то его нужно округлить до ближайшего имеющегося значения.
• Если в таблице отсутствует полученная разность температуры, то нужно применять интерполирование (выбрать подходящий диапазон).

Обслуживание гигрометров

Чтобы прибор работал исправно, в нём необходимо регулярно менять фильтр. Нужно также следить за тем, чтобы в питателе всегда находилась дистиллированная вода. Следует подливать ее заблаговременно, как минимум, за полчаса до начала измерений. Вместо дистиллированной иногда можно использовать кипяченую воду. Кипятить ее нужно 15 минут и дольше, а затем остудить до комнатной температуры, после чего жидкость можно доливать в питатель.

Чтобы фитиль, обвязанный вокруг кончика «Увлажненного» термометра, постоянно был чистым, его нужно раз в 2 недели менять. Это при нормальной запыленности воздуха (не более 5 мг пыли на метр кубический). Если же в месте проведения измерений запылённость повышена, то фитилек нужно менять чаще. После снятия загрязнённого фитиля, резервуар термометра протирается смоченным тёплой водой ватным тампоном.

Длина нового фитиля должна быть минимум 6 см. смоченный фитиль надевается на кончик термометра и привязываться к нему хлопчатобумажной нитью. Второй кончик фитиля (длиной от 7 мм) опускается в питатель с водой.

Также обслуживание гигрометра предполагает его периодические проверки 1-2 раза в год, руководствуясь методичкой МИ-737-83. Результаты проверок должны фиксироваться в паспорте прибора.

Дополнительно

Дополнительная вкладка, для размещения информации о статьях, доставке или любого другого важного контента. Поможет вам ответить на интересующие покупателя вопросы и развеять его сомнения в покупке. Используйте её по своему усмотрению.

Вы можете убрать её или вернуть обратно, изменив одну галочку в настройках компонента. Очень удобно.

Применение психрометрического метода измерения в промышленности

Существует множество различных методов измерения относительной влажности воздуха. И наряду с такими современными методами, как конденсационный («зеркало точки росы») или емкостной, по прежнему не теряет актуальности психрометрический метод измерения, благодаря своей простоте и доступности. Зачастую психрометры можно увидеть на стенах квартир или офисов (см. рисунок 1).

Любой человек может по показаниям двух термометров и психрометрической таблице, изображенной на его корпусе, определить относительную влажность окружающего воздуха с приемлемой для бытового измерителя влажности точностью. Но какие есть особенности у данного метода измерения и насколько он применим в качестве промышленного гигрометра?

Принцип действия психрометров

Принцип действия предельно прост – есть два термометра, зачастую ртутных или спиртовых. Один измеряет температуру окружающего воздуха («сухой» термометр), а второй измеряет температуру паров над поверхностью воды («влажный» термометр), для чего он расположен над резервуаром с водой (питателем) и обернут смоченной батистовой тканью для улучшения температурной проводимости (см. рисунок 2).

Суть метода заключается в том, что температура «мокрого» термометра всегда будет меньше температуры «сухого», поскольку согласно 1-му закону термодинамики, при испарении внутренняя энергия жидкости будет уменьшаться, а вместе с ней будет уменьшаться и ее температура как основная мера внутренней энергии.

Очевидно, что жидкость будет испаряться при текущей температуре воздуха тем интенсивнее, чем менее насыщен водяными парами окружающий воздух, и как следствие тем сильнее будет понижаться температура «мокрого» термометра. Таким образом: чем больше разница между показаниями «сухого» и «мокрого» термометров (психрометрическая разность), тем меньше относительная влажность окружающего воздуха.

Конструктивно различают несколько видов психрометров:

• обычные психрометры Августа без принудительного обдува, рассмотренные выше (см. рисунок 1);
• более продвинутые аспирационные психрометры Ассмана (см. рисунок 3) со встроенным принудительным обдувом в виде механического или электрического вентилятора. Обдув (аспирация) нужен для того, чтобы задать строго определенную интенсивность испарения воды — как правило речь идет о скоростях 0,5-1 м/с;
• психрометры, выполненные на базе двух термометров сопротивлений и подключенные к вторичным измерителям-регуляторам или ПЛК, которым также требуется принудительный внешний обдув.

Как рассчитывается относительная влажность психрометров?

Рассчитать относительную влажность по измеренным значениям психрометра возможно одним из 3-х способов.

Способ 1 – по психрометрическим таблицам

Пример подобной таблицы взят из ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения» (см. рисунок 4). Они составляются на конкретную модель психрометра производителем и всегда нормируются при определенной скорости аспирации, чем зачастую пренебрегают пользователи, хотя без отсутствия аспирации погрешность очень сильно увеличивается.

Пример: показания «сухого» термометра 20 °С, а показания «мокрого» термометра 14 °С — тогда психрометрическая разность 6 °С. На пересечении соответствующих строки и столбца определяется искомая относительная влажность 48%.

Способ 2 – графический способ

Определить температуру «мокрого термометра» возможно при помощи ID диаграммы (диаграммы Молье, диаграммы Рамзина). Для понимания необходимо вспомнить о термине энтальпия — это такая тепловая энергия (кДж), которую содержит тело массой 1 кг. Саму систему с резервуаром и «мокрым» термометром можно для упрощения принять как замкнутую термодинамическую систему за счет применения смоченной ткани, не сообщающуюся с окружающей средой, в которой воздух полностью насыщен водяным паром. Таким образом, процесс испарения из резервуара психрометра происходит при постоянной энтальпии системы. Обратимся к участку диаграммы (см. рисунок 5) — нас интересуют красные линии (температура), синие (относительная влажность) и розовые (энтальпия).

Возьмем данные из предыдущего примера: сначала проведем линию 1, соответствующую температуре «мокрого» термометра 14 °С, вплоть до пересечения с кривой 100% влажности (поскольку система насыщена). Затем проведем параллельно линию 3, соответствующую показаниям «сухого» термометра 20 °С. И наконец, проведем линию 2 параллельно линиям энтальпий (поскольку система не сообщается с окружающей средой) вплоть до пересечения с линией 3. Эта точка пересечения соответствует искомой относительной влажности — 50%, что примерно соответствует 48%, полученным при расчете по психрометрической таблице.

Также влажность определяют по специальным психрометрическим номограммам, которые иногда приводятся в документации на конкретный психрометр.

Способ 3 – аналитический способ

Согласно уже упомянутому ранее ГОСТ 8.811-2012, относительную влажность φ можно найти из формулы 1, если вода в резервуаре находится в жидкой фазе (индекс w означает water):

φ
w

=

1
−

A
ном

P
ном

E
w

(

t
‘

)

f
w

(

P
,

t
‘

)

(

t
−

t
‘

)

(

1
+

a
w

t
‘

)

%varphi _w=1- { A _ном P _ном} over { E _w(t^’) f _w(P, t^’) } ( t-t^’) ( 1+a _w t^’)

или из формулы 2, если вода в резервуаре находится в твердой фазе (индекс i означает ice):

φ
w

=

1
−

A
ном

P
ном

E
w

(

t
‘

)

f
w

(

P
,

t
‘

)

(

t
−

t
‘

)

k
i

%varphi _w=1- { A _ном P _ном} over { E _w(t^’) f _w(P, t^’) } ( t-t^’) k _i

где:
t – температура «сухого» термометра, °С;
t’ – температура «мокрого» термометра, °С;
A_ном * — номинальное значение психрометрического коэффициента, °С ^-1;
P_ном — номинальное значение общего давления паровоздушной смеси, гПа;
E_w(t’), E_i(t’) ** — давление насыщенного водяного пара над поверхностью воды и льда соответственно, гПа;
f_w(P,t’), f_i(P,t’) *** — повышающая функция влажного воздуха/газа для воды и льда соответственно, зависящая от его общего давления и температуры поверхности раздела фаз;
k_i = 0,8823, a_w = 0,00115 °С ^-1, если свойства дистиллированной воды отвечает требованиям ГОСТ 6709, а состав сухого воздуха отвечает требованиям ГОСТ 4401.

*Примечание 1: значение психрометрического коэффициента определяется для конкретной модели психрометров самим производителем и очень сильно зависит от скорости аспирации — базовое значение, согласно рекомендациям ВМО, составляет 653*10^-6 °С ^-1

**Примечание 2: согласно ГОСТ 8.811-2012 эти величины рассчитываются по формуле Всемирной Метеорологической организации (ВМО), однако очень хорошие результаты дают также формулы Гоффа-Гретча и Ардена Бака, которые приведены в статье «Новые возможности датчиков влажности серии D»

***Примечание 3: значение коэффициентов определяется из таблиц в приложении Ж ГОСТ 8.811-2012. Промежуточные значения коэффициентов определяют интерполяцией. Игнорирование этих коэффициент в расчетах вносит в измерение систематическую относительную погрешность до 0,8%.

Факторы, влияющие на погрешность измерения психрометров

Исходя из аналитических формул, можно перечислить факторы, влияющие на измерение психрометрическим методом:

• агрегатное состояние воды в резервуаре (питателе) — необходимо понимать, замерзла вода в питателе или нет, и в соответствие с этим рассчитывать относительную влажность либо по формуле 1, либо по формуле 2;
• газовый состав воздуха и чистота дистиллированной воды — наличие примесей разных концентраций в воздухе, а также загрязненность воды влияет на коэффициенты k_i и a_w, а как следствие на итоговую погрешность измерения. Также нельзя не упомянуть, что многие пользователи пренебрегают требованием к применению дистиллированной воды и используют обычную водопроводную воду, иногда фильтруя ее;
• смоченность и чистота батистовой ткани — напрямую влияет на погрешность измерений «мокрым» термометром, при этом учесть аналитически степень этого влияния невозможно. Многие пользователи пренебрегают этим фактором;
• наличие принудительной аспирации — очень важный параметр, оказывающий наиболее сильное влияние на погрешность измерения. Влияет на психрометрический коэффициент A_ном. В случае применения психрометров Ассмана, этот фактор можно не учитывать, поскольку принудительная аспирация с требуемой скоростью обдува заложена конструктивно. Однако зачастую применяются психрометры Августа без какой-либо внешней аспирации, что приводит к большому увеличению погрешности измерения;
• величина атмосферного давления — определяет величину давления паровоздушной смеси Pном, а также незначительно влияет на значение повышающих функций f_w(P,t’), f_i(P,t’). В случае работы на уровне моря, давление можно принять равным 1013,25 гПа (согласно нормальным условия из ГОСТ 8.395-80) и пренебречь колебаниями атмосферного давления, однако в случае работы на высоте свыше 200-300 метров влиянием барической ступени уже нельзя пренебрегать, и в расчетах необходимо учитывать реальное значение атмосферного давления.

При соблюдении перечисленных выше условий, результирующая погрешность измерения относительной влажности, согласно государственным метрологическим методикам, для простых психрометров составит 5-7%, а для аспирационных психрометров 3-5%.

Однако в случае использования психрометров в промышленности, возникает ряд дополнительных трудностей.

Психрометрический метод в промышленности

Психрометры Августа или Ассмана могут с успехом применяться в офисах, квартирах, домах, аптеках, при пропарке бетона, в небольших теплицах и простых инкубаторах – это простой и дешевый метод косвенного измерения относительной влажности. Причем многие из этих психрометров, распространенных на рынке, являются средствами измерения утвержденного типа, и при их поверке поверяют отдельно оба термометра, входящих в их состав, без использования генераторов влажного воздуха и эталонных гигрометров, что значительно упрощает саму процедуру.

Но также очевидно, что использование подобных психрометров во многих отраслях промышленности сопряжено с некоторыми особенностями:

1. Так как применяются ртутные или спиртовые термометры, не имеющие аналогового или цифрового сигнала, невозможно интегрировать психрометры в систему автоматического управления технологическим процессом;

2. Почти все таблицы или номограммы, идущие в документации на психрометры, составлены для области положительных температур, а также не учитывают поправочные коэффициенты в результате влияния перечисленных выше факторов. В этом случае требуется аналитический перерасчет коэффициентов, а без возможности реализации на контроллере в автоматическом режиме это создает большие затруднения для оператора;

3. Во многих технологиях, таких как расстойка теста, выращивание грибов, сушка древесины, животноводство / птицеводство, в паровоздушной смеси присутствуют различные загрязняющие вещества или запыленность — это приводит к постепенному загрязнению воды в питателе и батистовой ткани, что увеличивает погрешность измерения;

4. В некоторых применениях, таких как сушка макарон, кирпича, древесины, требуется контроль относительной влажности при постоянно высоких температурах свыше 70 °С. Во-первых, большинство доступных на рынке психрометров из-за применения в своем составе жидкостных термометров имеют ограничение по верхнему значению температуры окружающего воздуха 40-50 °С. Во-вторых, испарение воды из питателя будет происходить достаточно интенсивно и он достаточно быстро опорожнится — от оператора потребуется постоянный контроль уровня воды и смоченности ткани. В-третьих, при температурах свыше 100 °С измерение станет невозможным по причине кипения воды.

Таким образом, в случае применения в промышленности психрометров Ассмана или Августа, неустранимое влияние перечисленных выше факторов, таких как запыленность, присутствие в атмосфере агрессивных веществ и работа в условиях низких и/или высоких температур, приводит либо к невозможности применения данного метода вообще, либо увеличению погрешности измерения влажности по опыту вплоть до 10-15%, что недопустимо в ряде технологических процессов.

Также психрометрический метод возможно реализовать, как упоминалось ранее, на базе двух термосопротивлений типа Pt100 с классом точности А или АА — один датчик будет являться «сухим» термометром, а другой обернут тканью, помещен над резервуаром с водой и являться «мокрым» термометром. При этом их сигналы подключаются на внешний контроллер, что позволяет уже обеспечить вычисление относительной влажности в автоматическом режиме. Например, возможен следующий алгоритм реализации:

1. В контроллер вводятся формулы 1 и 2, формулы расчета давления насыщенного водяного пара E_w(t’), E_i(t’), таблицы коэффициентов f_w(P,t’), f_i(P,t’), зависимость психрометрического коэффициента Aном от внешних факторов. Формулы расчетов приведены в статье “Новые возможности датчиков влажности Galltec+Mela D серии”

2. К контроллеру подключается:

• внешний вентилятор, обеспечивающий постоянную скорость аспирации, при этом желательно контролировать наличие потока воздуха дискретным датчиком, чтобы определять момент, когда вентилятор выйдет из строя и вычисляемые значения не будут достоверными;
• внешний дискретный датчик, определяющий фазовое состояние воды. При невозможности применяется «упрощенный» алгоритм, когда по температуре «сухого» термометра в области -5…+5 °С происходит расчет значения относительной влажности по формуле 3:

  φ
  =

  φ
  w

  +

  φ
  i

  2

  %varphi={ %varphi _w+%varphi _i} over {2}

• датчики контроля уровня воды в резервуаре и клапан, который обеспечит автоматическое наполнение резервуара дистиллированной водой из-за ее испарения;
• ТЭНы для предварительного подогрева подаваемой дистиллированной воды до температуры, равной температуре «мокрого» термометра до того, как вода окончательно испарилась (если работа идет в области положительных температур). При отрицательных же температурах желательно подавать охлажденную воду с тем, чтобы ее переход в твердую фазу происходил как можно быстрее;
• опционально возможно подключение датчика абсолютного давления для обеспечения компенсации влияния атмосферного давления на измерения влажности.

3. Вся система измерения защищается вентилируемым фильтрующим кожухом с тем, чтобы свести к минимуму влияние загрязняющих факторов и/или запыленности.

При таком подходе, можно добиться абсолютной погрешности измерения влажности вплоть до 2-3% без участия оператора в течении продолжительного времени.

В результате, пользователь может на базе программируемых логических контроллеров организовать полноценную систему непрерывного измерения относительной влажности психрометрическим методом в автоматическом режиме и с достаточно высокой точностью.

Альтернативный метод измерений влажности в промышленности

Очевидно, что при описанном выше подходе психрометрический метод измерения превращается в достаточно сложную измерительную систему, реализация которой является нетривиальной задачей. В свою очередь, упрощенный метод без учета указанных выше особенностей зачастую не обеспечивает требуемую точность или вообще не может применяться. По этой причине намного более распространенным в промышленности методом измерения относительной влажности является емкостной метод, который, в отличие от психрометрического, является прямым методом измерения относительной влажности воздуха. В основе метода лежит влагозависимый конденсатор (см. рисунок 6).

Он представляет собой керамическую подложку, в которую вмонтированы электроды (обкладки), а сверху нанесен очень тонкий полимерный слой (диэлектрик), абсорбирующий молекулы воды из окружающего воздуха. Для понимания принципа измерения, обратимся к формуле 4 для расчета емкости плоского конденсатора:

C
=
ε

ε
0

S
d

C= %varepsilon %varepsilon _0 {S} over {d}

где:
Ɛ₀ — электрическая постоянная 8,85*10^-12 Ф/м;
S — площадь обкладок конденсатора, м^2;
d — расстояние между обкладками, м;
Ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Все величины в формуле 4 являются константами, кроме диэлектрической проницаемости Ɛ — она прямопропорционально увеличивается вместе с увеличением степени насыщенности воздуха. Соответственно, чем выше относительная влажность воздуха, тем больше емкость влагозависимого конденсатора (сенсора). А дальше электронная плата датчика преобразует текущую емкость сенсора в аналоговый унифицированный сигнал 4…20 мА или 0…10 В, либо в цифровой сигнал по интерфейсу RS485 или RS232.

На основе данного метода измерений работают промышленные датчики влажности Galltec-Mela, в основе которых лежат уникальные сенсоры собственного производства, которые не боятся образования конденсата на своей поверхности, в отличии от сенсоров некоторых других производителей. Датчики имеют следующие преимущества:

• высокая точность измерения — самый простой датчик серии L имеет основную допустимую погрешность измерения 3%. Также в ассортименте Galltec-Mela есть датчики серии А/В, выполненные на базе микроконтроллера, которые имеют допустимую погрешность всего 1,5% и являются средствами измерения утвержденного типа;
• возможность долговременной работы при температурах -80…+200 °С;
• простота защиты от запыленности и агрессивных сред в разных технологиях за счет применения фильтров для датчиков влажности
• высокая стабильность, не зависящая от температуры или давления окружающего воздуха.

Выводы

Несмотря на перечисленные ранее ограничения и особенности применения психрометрического метода, можно выделить области, в которых он успешно применяется:

1. Простые применения (измерение влажности в офисе или квартире, аптеках, теплицах, инкубаторе), где не требуется высокая точность измерений или автоматизация процесса — в этом cлучае выбор в пользу наиболее простого и бюджетного метода полностью оправдан.

2. Специальные применения, в которых в атмосфере присутствуют сильные загрязняющие факторы (например, процессы копчения колбасы, сушки дуба, пропарки бетона). В таких применениях датчики влажности на основе емкостного принципа измерения покрываются влагонепроницаемой пленкой и достаточно быстро выходят из строя, при этом постоянное техническое обслуживание и даже применение специальных фильтров не могут обеспечить полную защиту сенсора. В свою очередь, психрометры в таких применениях надежно работают, а их большая погрешность измерения, которая со временем увеличивается из-за загрязнения воды и ткани, отходит на второй план в сравнении с их долгим сроком службы.

Во многих других применениях успешно используются датчики на основе емкостных сорбционных элементов:

• сушка макарон;
• климатические и испытательные камеры, в том числе камеры на избыточное давление или вакуум;
• 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 (больниц / операционных).

При этом необходимо отметить, что некоторые пользователи ошибочно используют обычные психрометры Августа в качестве эталонов для определения погрешности измерений датчиков на основе емкостного принципа измерений. В рамках данной статьи показано, что даже при соблюдении условий эксплуатации психрометров, компенсирующих влияние окружающих факторов, результирующая погрешность величиной 5-7% (а без аспирации даже до 10-15%) не предполагает применения психрометров для оценки точности измерений емкостных датчиков влажности с классом точности 1,5-3%.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.

Психрометрическая таблица