при определении относительной влажности стационарным психрометром учитывается

Применение психрометрического метода измерения влажности в промышленности

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).

Рисунок 1 — Внешний вид психрометра Августа

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

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:

Как рассчитывается относительная влажность психрометров?

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

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.

Рисунок 4 — Пример психрометрической таблицы

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%.

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).

Рисунок 5 — Графическое определение относительной влажности по ID диаграмме

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.

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):

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

**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:

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

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»

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).

Рисунок 6 — Схематичное изображение чувствительного элемента

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:

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:

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:

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.

Список использованной литературы:

Источник

Как определить уровень влажности с помощью психрометра

Уровень влажности воздуха окружающей среды может влиять не только на самочувствие человека, но и также на состояние бытовой техники, мебели и продуктов. Количество влаги в воздухе зависит от особенностей климата региона или техногенных факторов.

Нормой для здорового человека считается влажность воздуха от 30 до 60 %. Чтобы создать оптимальный микроклимат в помещении используют специальные увлажнители или осушители, а также кондиционеры с функциями автоматического контроля уровня влаги.

Методы определения влажности воздуха

Используют специальные приборы для измерения:

Гигрометр – один из измерительных приборов, благодаря которому можно определить уровень влажности.

Дополнительная информация: швейцарский ученый в 1783 г. Орас де Соссюр сконструировал первый волосной гигрометр, но работать над изобретением этого измерителя начал Леонардо да Винчи еще в 1400 г.

Есть несколько типов гигрометров:

Каждый из приспособлений имеет особенный принцип работы. Например, конструкцию волосного гигрометра составляет система U – образных трубок. Они наполнены специальным веществом, которое поглощает водяной пар. С помощью насоса через эту систему подают воздух и определяют его влажность.

Наиболее точным измерителем считается конденсационный гигрометр. Он измеряет количество конденсата, который образуется на стеклянной поверхности после воздействия на нее солнечного луча. Погрешность при работе такого устройства очень низкая.

Психрометр – еще один из измерителей влажности воздуха окружающей среды.

Виды психрометров:

Психрометр Августа — один из наиболее известных приборов для измерения влажности. Строение этой конструкции достаточно несложное. Конструкция психрометра состоит из прикрепленных на одном штативе двух одинаковых термометров. Один из них называется сухим, он показывает температуру в помещении.

Второй термометр называют влажным или смоченным. Конец этого термометра в виде чехла обматывают батистовой тканью или марлей, конец которой опускают в резервуар с водой, находящийся на тыльной стороне конструкции психрометра.

Если конец влажного термометра будет опущен в резервуар, то он покажет температуру находящейся там воды, а не воздуха, который циркулирует над ним. Поэтому необходимо учесть, что расстояние между сосудом и окончанием измерительного прибора должно составлять около 3 – 4 сантиметров.

Вода с кусочка ткани испаряется, из-за чего температура на влажном термометре снижается до момента, пока термометр не начнет показывать температуру, при которой пар становится насыщенным. В такой момент показываемые на влажном термометре данные будут представлять показатели реальной температуры окружающей среды.

Определения влажности воздуха в определенном помещении с помощью психрометра занимает немного времени. Для этого устройство помещают в место, изолированное от попадания солнечных лучей и посторонних тепловых воздействий на 10 – 15 минут, после чего записывают результаты измерения каждого из термометров прибора.

Шкала термометра поделена от — 25˚ до + 50˚ на интервалы в 0,2 градуса.

Как пользоваться психрометрической таблицей

Для определения уровня влажности на основании данных психрометра нужна специальная психометрическая таблица. В первом столбце таблицы в ˚С показано температуру сухого термометра. В первой строке – разницу между показателями температур обеих термометров. Относительная влажность воздуха вычисляется на пересечении результата первого столбца и первой строки психометрической таблицы.

В чем плюсы и минусы психрометра?

Главным преимуществом психрометра есть его несложное строение. Соответственно, определение влажности воздуха с помощью психрометра намного проще по сравнению с другими измерительными приспособлениями. Плюс ко всему, в изготовлении он гораздо более дешевый, чем любой другой прибор.

Но кроме положительных сторон, у психрометра есть и недостатки. На показания этого измерительного инструмента очень влияет движение окружающего воздуха. То есть, чем выше будет скорость движения воздуха в месте измерения, тем больше будет разница в окончательном результате обеих термометров психрометра. Эту погрешность было исправлено в психрометре аспирационного типа или, как его еще называют, психрометре Ассмана.

Источник

5.4 Измерение относительной влажности психрометрами

5.4.1 Измерение стационарным психрометром

Перед измерением смачивают головку правого термометра L дистиллированной водой через отверстие Е с помощью специальных пипеток.

Смачивание не требуется, если в резервуаре под термометром имеется вода и матерчатая обертка спиртовой головки (фитилёк) влажная. В этом случае показания влажного термометра будут ниже сухого, так как испарение воды связано с охлаждением тела, с которого она испаряется. Разница показаний будет тем больше, чем ниже относительная влажность и выше скорость движения воздуха в помещении и наоборот.

После смачивания термометра L надо выждать 5-10минут, пока его показания не стабилизируются, т.е. прекратит­ся снижение спиртового столбика.

По показаниям сухого и влажного термометра определяют относительную влажность W_с, пользуясь специальной психрометрической таблицей, расположенной на панели прибора и по формуле

, %(5.4)

где К_с – абсолютная влажность (количество водяных паров в м 3 воздуха при данных температуре и давлении);

F_с – максимальная влажность воздуха (максимально возможное количество водяных паров в м 3 воздуха при той же температуре и давлении) при температуре t_с сухого термометра (выбирается по таблице 9 приложения А, т.к. F_с=φ(t_с)).

Абсолютная влажность определяется по формуле

, мм. рт. ст.(5.5)

где f_с – максимальная влажность при температуре влажного термометра по таблице 9 приложения А, т.к. f_с=φ(t_в))

а=0,0011 – психрометрический коэффициент;

t_c, t_в – температура сухого и влажного термометра;

В_с – барометрическое давление, мм. рт.ст. (по барометру, установленному в левом верхнем углу стенда)

Результаты измерений и расчётов занести в таблице 10 приложения А.

5.4.2 Измерение аспирационным психрометром

Перед измерением смачивают термометр L дистиллированной водой через отверстие Е специальной пипеткой. Делать это надо осторожно, чтобы не повредить термометр внутри металлической оболочки.

Затем включают переключателем 10 микровентилятор прибора и наблюдают 5-10 минут, пока показания термометра L не стабилизируются. Относительную влажность определяют по показаниям сухого и влажного термометров, по психрометрическим таблицам (на стенде слева), и по формуле

, % (5.6)

где К_а – абсолютная влажность воздуха;

F_а – максимальная влажность воздуха при температуре сухого термометра (выбирается по таблице 9, т.к. F_а=φ(t_с)).

, мм. рт. ст.(5.7)

где f_а – максимальная влажность при температуре влажного термометра по таблице 9 приложения А, т.к. f_а=φ(t_в))

В_а – барометрическое давление, мм. рт.ст. (по барометру на стенде)

Результаты измерений и расчётов занести в таблицу 10 приложения А.

5.5 Измерение температуры

Температура воздуха в помещениях определяется по ртутным или спиртовым термометрам.

В данной работе температуру воздуха следует определять по показаниям сухих термометров К, установленных на панели психрометров 11 и 13, (рисунок 4.1).

В лабораторных условиях все измерения выполняются только один раз, согласно своему варианту задания. Обобщенные результаты измерений занести в таблицу 11 приложения А.

Источник

Определение относительной влажности воздуха с помощью гигрометра и психрометра

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

С ПОМОЩЬЮ ГИГРОМЕТРА И ПСИХРОМЕТРА

Ознакомиться с устройством и принципом действия конденсационного гигрометра. Научиться измерять и вычислять влажность воздуха. Научиться пользоваться психрометрическими таблицами (Сборник вопросов и задач по физике [4] табл.8, 20).

Конденсационный гигрометр (рис.1). Термометр. Эфир. Психрометры (рис.2)

В атмосфере Земли всегда содержатся водяные пары. Их содержание в воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью. Абсолютная влажность (са) определяется массой водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, т. е. плотностью водяного пара. Абсолютную влажность можно определить по температуре точки росы – температуре, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. Температуру точки росы определяют с помощью гигрометра, а затем по таблице «Давление насыщающих паров и их плотность при различных температурах» находят соответствующую температуре точки росы плотность. Найденная плотность и есть абсолютная влажность окружающего воздуха. Относительная влажность В показывает, сколько процентов составляет абсолютная влажность са от плотности сн водяного пара, насыщающего воздух при данной температуре:

Для определения относительной влажности используют гигрометр и психрометр. Гигрометры (от греч. hygros—влажный и metron—мера), приборы для определения влажности воздуха. Существует три основных типа гигрометра.: одни показывают абсолютную влажность, другие — относительную, третьи—точку росы. Гигрометры, определяющие влажность воздуха по точке росы, носят название конденсационных гигрометров. Из конденсационных гигрометров, наиболее простое устройство имеет зеркальный гигрометр Ламбрехта (см. рисунок 1).

Он состоит из металлической камеры 1, передняя часть 2 которой гладко отполирована; внутри камеры налит серный эфир и вставлен термометр 6 для измерения температуры эфира. В камеру входят две трубки, по которым посредством каучукового баллона 5 продувают через эфир воздух; при этом эфир испаряется, и вследствие этого температура воздуха в камере постепенно понижается. При опускании температуры до точки росы зеркальная наружняя поверхность 2 гигрометра покрывается мельчайшими капельками воды (запотевает) – «выпадает роса». При этом часть корпуса гигрометра 3 (внешнее кольцо) имеет комнатную температуру и остается сухой (для сравнения). Чем меньше влажность, тем ниже точка росы. Давление насыщенных паров при точке росы, определяемое по таблице 8 в сборнике вопросов и задач по физике [4]). Относительная влажность может быть определена по формуле (1).

Для определения относительной влажности особенно часто пользуются гигрометр, носящии название психрометр. Рассмотрим устройства психрометра Августа (см. рис. 2).

Психрометр Августа имеет два термометра: «сухой» и «влажный». Они так называются потому, что конец одного из термометров находится в воздухе, а конец второго обвязан кусочком марли, погруженным в воду. Испарение воды с поверхности влажного термометра приводит к понижению его температуры. Второй же, сухой термометр, показывает обычную температуру воздуха. Определение влажности основано на сравнении показаний сухого t1 и смоченного t2 термометров. Так как с поверхности резервуара смоченного термометра происходит испарение воды, то его температура будет ниже, чем сухого. Причем разность между показаниями термометров будет тем больше, чем меньше влажность воздуха, так как при малой влажности испарение происходит более интенсивно и показания влажного термометра будут меньшими. Понижение температуры смоченного термометра продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие, при котором на испарение будет уходить столько тепла, сколько будет приходить из окружающей среды.

Работа с гигрометром.

Измерить температуру окружающего воздуха tкомн Наполнить камеру гигрометра летучей жидкостью (эфир 3-4 см3) Установить термометр в камеру гигрометра (рис.1). При помощи груши продувать воздух через эфир и внимательно следить за полированной поверхностью стенки камеры 1, сравнивая ее с поверхностью кольца 2 (рис.1). Заметив появление росы (начало запотевания), записать температуру точки росы tросы Опыт повторить 1-2 раза. Определить температуру точки росы как среднее арифметическое измеренных температур. По таблице (см. таблицу 1) определить плотность пара соответственно при температуре точки росы и комнатной. сн –плотность пара при точке росы, са –плотность пара при комнатной температуре.

7. Вычислить относительную влажность B1 по формуле:

B1 = сн (tросы) •* 100% / сн (tкомн)

Работа с психрометром.

Проверить наличие воды в стаканчике психрометра и при необходимости долить ее. Определить температуру сухого термометра tcyx Определить температуру влажного термометра tвл Определить разность показаний термометров: Дt = tсух –tвл, °С. Пользуясь психрометрической таблицей (см. таблицу 2), определить относительную влажность В2. Результаты измерений и вычислений записать в отчет по лабораторной работе.

Почему при продувании воздуха через эфир на полированной поверхности стенки камеры гигрометра появляется роса? В какой момент появляется роса? Температура в помещении понижается, а абсолютная влажность остается прежней. Как изменится разность показаний термометров психрометра? Почему после жаркого дня роса бывает более обильна? При какой температуре выпадет роса, если абсолютная влажность воздуха 7,3*10-3 кг/м3? При понижении температуры от 27 до 10 градусов из каждого кубического метра воздуха выделилось 8 г воды. Какова была относительная влажность воздуха при 27 градусах?

Тблиц1. Давление насыщенных паров воды, ммрт. ст.

Источник