Психрометр
Психро́метр — прибор для измерения влажности газов, преимущественно воздуха. Состоит из сухого и смоченного термометров. Принцип действия основан на охлаждении смоченного термометра при испарении воды. Разность показаний термометров используется для вычисления относительной влажности. Изобретён немецким учёным Эрнстом Фердинандом Августом в 1825 году.
Принцип действия
Принцип действия психрометра основан на физическом явлении охлаждения при испарении жидкости. Испарение воды с поверхности смоченного термометра приводит к понижению его температуры. Степень охлаждения зависит от влажности окружающего воздуха: чем ниже влажность, тем интенсивнее испарение и сильнее охлаждение.
Ключевым параметром в работе психрометра является разность показаний сухого и влажного термометров, называемая психрометрической разностью. Эта разность используется для вычисления относительной влажности воздуха.
Относительная влажность воздуха (φ) выражается в процентах и определяется как отношение фактического содержания водяного пара в воздухе к максимально возможному при данной температуре:
φ = 100 * (d / ds),
где d — абсолютная влажность воздуха (масса водяного пара в единице объёма воздуха), ds — максимальная абсолютная влажность при данной температуре[1].
Для вычисления относительной влажности используется психрометрическая формула Реньо:
d = dw - α * B * (t - tw),
где dw — плотность насыщенного водяного пара при температуре влажного термометра, α — психрометрический коэффициент, B — атмосферное давление, t — температура сухого термометра, tw — температура влажного термометра.
Психрометрический коэффициент α зависит от скорости движения воздуха вокруг термометров. Для неподвижного воздуха α ≈ 0,00128, для подвижного — α ≈ 0,0011.
В аспирационных психрометрах, где обеспечивается постоянная скорость обдува термометров (около 2 м/с), используется формула Шпрунга:
φ = 100 * ((dw / ds) - 0,000662 * B * ((t - tw) / ds)),
Значения dw и ds берутся из специальных таблиц или вычисляются по формулам. Например, для расчёта давления насыщенного водяного пара можно использовать модифицированное уравнение Бака:
P = 4,5845 * exp((t * (18,678 - t / 234,5)) / (257,14 + t)),
где P — давление насыщенного водяного пара в мм рт. ст., t — температура в °C.
Для упрощения расчётов на практике часто используются психрометрические таблицы или номограммы. Они позволяют определить относительную влажность по показаниям сухого и влажного термометров без сложных вычислений[2].
Точность измерений психрометра зависит от нескольких факторов:
- качество смачивания влажного термометра;
- скорость движения воздуха вокруг термометров;
- точность самих термометров;
- правильность учёта атмосферного давления.
При измерениях в условиях отрицательных температур необходимо учитывать, что вода на влажном термометре может замёрзнуть. В этом случае используются специальные психрометрические таблицы для работы со льдом.
Психрометр позволяет также определить другие характеристики влажного воздуха, такие как точка росы, абсолютная влажность, парциальное давление водяного пара. Для этого используются дополнительные расчёты или специализированные диаграммы.
В современных электронных психрометрах принцип действия остаётся тем же, но измерение температуры производится с помощью термисторов или термопар, а расчёты выполняются автоматически встроенным микропроцессором[3].
Устройство
Психрометр состоит из двух основных элементов: сухого и влажного термометров. Термометры размещаются параллельно друг другу на расстоянии 4-5 см. Сухой термометр измеряет температуру окружающего воздуха, в то время как влажный термометр покрыт увлажнённой тканью.
Резервуар влажного термометра обёрнут тонкой тканью, как правило, батистом или муслином. Ткань должна быть чистой и хорошо смачиваться водой. Нижний конец ткани погружён в небольшой резервуар с дистиллированной водой. Капиллярный эффект обеспечивает постоянное увлажнение ткани.
В конструкции психрометра используются различные виды термометров. Наиболее распространены ртутные и спиртовые термометры. Ртутные термометры обладают большей точностью, но их применение ограничено из-за токсичности ртути. Спиртовые термометры безопаснее, но менее точны и имеют больший температурный гистерезис[4].
Корпус психрометра изготавливается из материалов, устойчивых к атмосферным воздействиям. Часто используется пластик или металл с антикоррозийным покрытием. Корпус защищает термометры от механических повреждений и прямого солнечного света.
Для обеспечения точности измерений психрометр оснащается защитным экраном. Экран предотвращает влияние теплового излучения окружающих предметов на показания термометров. В метеорологических будках используются жалюзийные экраны, обеспечивающие свободную циркуляцию воздуха.
Аспирационные психрометры дополнительно оборудованы вентилятором. Вентилятор создаёт постоянный поток воздуха со скоростью около 2 м/с вокруг термометров. Это повышает точность измерений, особенно при слабом естественном движении воздуха.
В конструкции психрометра Ассмана термометры помещены в никелированные трубки для защиты от излучения. Трубки соединены Y-образной трубкой, через которую вентилятор прокачивает воздух. Вентилятор приводится в действие пружинным механизмом или электромотором.
Современные электронные психрометры используют термисторы или термопары вместо жидкостных термометров. Датчики температуры подключены к микропроцессору, который автоматически вычисляет относительную влажность воздуха. Результаты выводятся на цифровой дисплей[5].
Для удобства использования психрометр часто комплектуется психрометрическими таблицами или номограммами. Они позволяют быстро определить относительную влажность по разности показаний сухого и влажного термометров без сложных вычислений.
Виды психрометров
Психрометры классифицируются на три основные категории: станционные, аспирационные и дистанционные. Каждый тип имеет свои особенности конструкции и области применения.
- Станционные психрометры: Психрометр Августа — основной представитель станционных психрометров. Он состоит из двух спиртовых термометров, закреплённых на специальном штативе. Термометры размещаются в метеорологической будке на расстоянии 4-5 см друг от друга. Влажный термометр оснащён тканевым фитилём, опущенным в ёмкость с дистиллированной водой. Основной недостаток — зависимость показаний от скорости воздушного потока в будке.
- Аспирационные психрометры: Психрометр Ассмана — наиболее известный аспирационный психрометр. Его конструкция включает два ртутных термометра, помещённых в никелированную оправу. Оправа защищает термометры от повреждений и теплового излучения. Ключевая особенность — наличие аспирационного устройства, обеспечивающего постоянный поток воздуха около 2 м/с. Вентилятор может приводиться в действие пружинным механизмом или электромотором. Психрометр Ассмана считается наиболее точным при положительных температурах воздуха[6].
Электрический аспирационный психрометр М-34 — модифицированная версия психрометра Ассмана с электрическим вентилятором. Он обеспечивает постоянную скорость обдува термометров, что повышает точность измерений.
- Дистанционные психрометры: Используют термометры сопротивления или термопары вместо жидкостных термометров. Это позволяет проводить измерения на расстоянии и автоматизировать процесс сбора данных.
Психрометр дистанционный М-39 — применяется на метеорологических станциях для непрерывной регистрации температуры и влажности воздуха. Использует платиновые термометры сопротивления.
- Цифровые психрометры: Современные модели, оснащённые электронными датчиками температуры и микропроцессорами. Автоматически вычисляют относительную влажность и выводят результат на цифровой дисплей.
Гигрометр психрометрический ВИТ-1 — бытовой вариант статического психрометра. Широко используется в помещениях для контроля микроклимата. Состоит из двух спиртовых термометров, закреплённых на пластиковой панели с психрометрической таблицей.
- Специализированные психрометры: Психрометр Реньо — исторический тип психрометра, использовавшийся для калибровки других приборов. Отличается возможностью регулировки потока воздуха вокруг термометров.
Психрометр Ламбрехта — применяется в промышленных условиях. Имеет прочную конструкцию и защиту от агрессивных сред[7].
Каждый тип психрометра имеет свои преимущества и ограничения. Выбор конкретной модели зависит от требуемой точности измерений, условий эксплуатации и специфики применения. Станционные психрометры используются преимущественно в стационарных метеорологических пунктах. Аспирационные психрометры обеспечивают высокую точность в полевых условиях. Дистанционные и цифровые модели находят применение в автоматизированных системах мониторинга и управления микроклиматом.
Галерея
Галерея психрометров представляет визуальное разнообразие этих приборов.
Аспирационный психрометр Ассмана
Схема аспирационного психрометра Ассмана
Аспирационный психрометр Ассмана отличается характерной Y-образной формой никелированного корпуса с двумя параллельными трубками для термометров. Верхняя часть прибора увенчана аспирационной головкой с вентилятором[8].
Станционный психрометр Августа демонстрирует простоту конструкции: два вертикально закреплённых термометра на деревянной или пластиковой панели. Рядом с влажным термометром виден небольшой резервуар для воды.
Электронный цифровой психрометр имеет компактный корпус с ЖК-дисплеем, отображающим температуру и влажность. Датчики температуры часто располагаются на выносном зонде.
Примечания
- ↑ Алабовский А. Н., Недужий И. А. Техническая термодинамика и теплопередача. — 3-е изд., пераб. и доп. — Киев: Выща школа, 1990. — 256 с..
- ↑ Бармасов А. В., Холмогоров В. Е. Курс общей физики для природопользователей. Молекулярная физика и термодинамика. — СПб.: БХВ-Петербург, 2009. — 500 с. — (Учебная литература для вузов)..
- ↑ Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972. — 671 с..
- ↑ Мурзаков В. В. Основы технической термодинамики. — М.: Энергия, 1973. — 304 с..
- ↑ Хрусталев Б.М., Несенчук А.П., Романюк В.Н. [8 Техническая термодинамика. В 2-х частях. Часть 1]. — Минск: Технопринт, 2004. — 487 с. — (Бакалавр. Академический курс. Модуль)..
- ↑ Бухарова Г. Д. Молекулярная физика и термодинамика. Методика преподавания. — 2-е изд. — М.: Юрайт, 2017. — 221 с. — (Бакалавр. Академический курс. Модуль)..
- ↑ Зеленцов Д. В. Техническая термодинамика. — Самара: Самарский гос. архитект.-строит. ун-т, 2012. — 140 с..
- ↑ Бэр Г. Д. [0 Техническая термодинамика]. — М.: Мир, 1977. — 519 с..