Психрометричний метод. Психрометри.

Психрометричний метод широко застосовується при вимірюванні вологості повітря і в метеорології до цього часу є основним. Він заснований на залежності інтенсивності випаровування з водної поверхні від дефіциту вологості повітря, яке стикається з нею. Для вимірювання вологості цей метод практично реалізується непрямим визначенням інтенсивності випаровування шляхом вимірювання зниження температури тіла, з поверхні якого відбувається випаровування, за рахунок витрат тепла тіла на випаровування води.

Маса води , що випаровується з поверхні площею за проміжок часу , визначається за формулою Дальтона

, (4.7)

де - коефіцієнт пропорційності, що залежить головним чином від

швидкості руху повітря відносно випарної поверхні;

- максимальна пружність водяних парів при температурі випарної

поверхні;

- парціальний тиск водяної пари в повітрі;

- тиск атмосфери.

Витрата тепла на випаровування маси води буде дорівнювати

, (4.8)

де - теплота пароутворення води.

Як тільки температура поверхні тіла (води) знизиться відносно навколишнього повітря, завдяки теплообміну з повітря до тіла через охолоджену поверхню почне надходити тепло , яке визначається формулою

, (4.9)

де - коефіцієнт зовнішнього теплообміну;

і - відповідно температура повітря і охолодженого тіла;

- площа поверхні, через яку здійснюється теплообмін;

- проміжок часу.

При сталому процесі витрата тепла на випаровування буде дорівнювати притоку тепла з повітря:

;

отже, на основі (4.8) і (4.9)

.

Розв’язуючи це рівняння відносно і припускаючи, що , отримаємо

, (4.10)

або

. (4.11)

Вираз (4.11) називають психрометричною формулою, а коефіцієнт - психрометричним. Психрометричний коефіцієнт залежить від швидкості руху повітря відносно поверхні, яка випаровує, - із збільшенням швидкості коефіцієнт зменшується. Проте при швидкості більше 2,5 – 3 м/с ця залежність стає слабкою (рис.4.1).

Прилади, які застосовуються при вимірюванні вологості повітря психрометричним методом, називаються психрометрами. Психрометри містять два термометри. Одним вимірюють температуру тіла , з поверхні якого відбувається випаровування води, а іншим – температуру навколишнього повітря .   Рис.4.1 Залежність психрометричного коефіцієнта від швидкості руху повітря біля випарної поверхні

Як випарна поверхня використовується поверхня з нейтральним гігроскопічним покриттям, яке постійно або перед вимірюванням змочується дистильованою водою. Ця поверхня є конструктивним елементом первинного перетворювача термометра, по якому визначається температура тіла з випарної поверхні. Цей термометр психрометра називають «змоченим» на відміну від другого термометра психрометра, який служить для визначення температури повітря, і його називають «сухим».

Станційний психрометр. Цей психрометр складається з двох психрометричних термометрів, які установлені на штативі, і стаканчика для дистильованої води. Резервуар правого термометра обв’язується кусочком батисту, кінець якого занурений в воду, що заповнює стаканчик. Стаканчик установлюється в кільці тримача таким чином, щоб кришка, яка його закриває, знаходилась на 2 – 3 см нижче резервуара термометра (рис.4.2). При цьому забезпечується надходження води до поверхні резервуара по батисту і в той же час створюється можливість вільного обміну повітря коло резервуара, виключаючи можливість концентрації біля нього водяної пари і, отже, зменшення випаровування з його поверхні. Кришка стаканчика має проріз, що дозволяє знімати її, не витягуючи кінець батисту з води (стаканчика). Термометри для психрометра підбираються парами з можливо більш близькими характеристиками (габарити, розміщення поділок шкал, за інерцією, ходу поправок та ін.). Для психрометрів потрібно застосовувати тільки спеціальний сорт батисту (яким комплектуються психрометри). Інша тканина може не мати необхідних гігроскопічних властивостей, через що можуть виникнути додаткові похибки, які врахувати не можна.

Батист повинен щільно прилягати до резервуара термометра і покривати його тільки одним шаром. Тому використовують смужки батисту певних розмірів; їх ширина дозволяє обгорнути резервуар тільки один раз, а краї батисту можуть заходити один за другим не більше ніж на резервуара.     Рис.4.2 Психрометричний стаканчик на штативі.

Потім, приготувавши з ниток дві петлі, однією затягують батист на верхній частині резервуара, а другу одягають на середину резервуара і поступово стягають її)резервуар кулеподібний) під її нижній кінець, не дуже сильно затягуючи (щоб не погіршити надходження води у верхню частину батисту).   Рис.4.3 Обв’язка резервуара змоченого термометра батистом при додатній (а) і від’ємній (б) температурі.

Пов’язку батисту зручно робити, заклавши, наприклад, термометр в книгу так, щоб він виступав з неї резервуаром на 5 – 10 см. Книгу з термометром кладуть на стіл. Змочивши батист дистильованою водою, його щільно обгортають навколо резервуара термометра так, щоб один край (по довжині) навернутого батисту виступав на 2 – 3 мм вище резервуара термометра, а вся інша довжина виявилася нижче резервуара (рис.4.3, а).

Для станційного психрометра, установленого в будці, психрометричний коефіцієнт дорівнює .

Потрібно слідкувати за тим, щоб батист завжди був чистим, м’яким і вологим. Забруднений батист погано всмоктує воду, тому необхідно змінювати його не рідше двох раз на місяць. На місцевостях з великою запиленістю повітря потрібно особливо уважно слідкувати за станом батисту і змінювати його у міру забруднення. В таких місцевостях, щоб по можливості запобігти забрудненню батисту, між строками спостережень кульку змоченого термометра, обв’язану батистом, можна тримати зануреною в стаканчик з водою. За 15 хв до вимірювань стаканчик установлюють в нормальне положення (на 2-3 см нижче резервуара термометра).

Вода, що застосовується для змочування, повинна бути дистильованою (присутність різних речовин, розчинених у воді, може впливати на швидкість випаровування).

Вимірювання за допомогою психрометра. Для забезпечення достатньої точності визначення відносної вологості за допомогою психрометра помилка в різниці відліків по термометрам повинна бути не більше 0,1°. Це потребує сторогого додержання при вимірюваннях певних правил. Батист термометра повинен бути добре змочений за 10 – 15 хв до відліку, для чого краще за все, знявши кришку, підняти стаканчик з водою і занурити в воду кульку термометра, потім знову поставити стаканчик на місце.

Відліки по термометрах повинні проводитися як швидше.

Вимірювання по психрометру при морозах. При температурах нижче 0ºС максимальна пружність водяної пари має дуже малі значення, внаслідок чого відносно невелика помилка у визначення температури по сухому і змоченому термометрам викликає велику помилку у визначенні вологості. Тому при визначенні вологості по психрометру при температурі нижче 0ºС необхідно точно виконувати правила експлуатації психрометра.

З появою перших заморозків батист змоченого термометру обрізується безпосередньо під кулькою (рис.4.3, б), а психрометричний стаканчик забирається з будки. За півгодини до спостереження стаканчик з дистильованою водою кімнатної температури приносять в психрометричну будку і занурюють шарик термометра, обгорнутий батистом, в воду. При цьому спостерігають за показаннями термометра. Необхідно дочекатися, щоб температура у змоченого термометра піднялася на 2 – 3 °С вище нуля. Це буде доказом, що вся стара льодяна корка на батисті розтанула. Після цього забирають стаканчик і знімають краплю води, що утворилася на кінці батисту, доторкнувшись до неї краєм стаканчика. Будку закривають і через 30 хв проводять відлік.

При температурі нижче 0ºС приходиться вирішувати питання про те, в якому стані знаходиться вода на батисті термометра – в твердому (лід) чи рідкому (переохолоджена вода). На око визначити це дуже важко. Між тим для обчислення вологості це необхідно знати, тому що максимальна пружність водяної пари при одній і тій же від’ємній температурі різна над переохолодженою водою і над льодом: тиск водяної пари над льодом менше, ніж над переохолодженою водою. Тому після проведення відліків потрібно установити, обмерзнув чи залишився м’яким батист на резервуарі термометру (поторкавши його), і врахувати це під час обчислень.

Відліки по психрометру при від’ємних температурах потрібно проводити з великою старанністю; потрібно слідкувати за тим, щоб під час відліків показання термометра були сталими, щоб на резервуарі сухого термометра не було льоду або паморозі, і щоб батист у змоченого термометру був або просочений переохолодженою водою, або покритий рівномірно тонкою скоринкою льоду. При додержуванні цих умов можна отримати надійні дані по психрометру для визначення вологості при температурах до -10°С.

В деяких випадках при від’ємних температурах (коли на батисті є лід) показання змоченого термометра бувають вище показань сухого термометру (іноді на 0,3°С). Це пояснюється тим, що водяна пара, яка знаходиться в повітрі, може не досягати стану насичення над поверхнею води (по відношенню до «води»), але в той же час пара вже пересичена по відношенню до «льоду», який знаходиться на батисті змоченого термометра. Тому водяна пара, що знаходиться в повітрі, почне конденсуватися на поверхні льоду змоченого термометру і при цьому виділяти тепло, яке і підвищить температуру (показання) змоченого термометра.

Так, наприклад, при температурі повітря -10°С і вологості мбар відносна вологість по відношенню до «води» дорівнює 98 %, отже, водяна пара над водою ще не досягла стану насичення. А над льодом при температурі -10°С - мбар, отже, при вологості повітря 2,8 мбар водяна пара буде перенасичувати простір над льодяною поверхнею.

Обчислення вологості за показаннями станційного психрометра. Обчислення парціального тиску водяної пари і відносної вологості за показаннями психрометра може бути зроблено за формулами (4.11) при

(4.12)

для парціального тиску водяної пари і за формулою (4.3) для відносної вологості.

На метеорологічних станціях обчислення вологості проводиться за допомогою психрометричних таблиць.

Психрометричні таблиці містять сім таблиць; основною з них є таблиця 2, складена за формулою (4.12). Вона складається з окремих колонок, кожна для певного значення температури повітря через 0,1°С.

Колонка складається з п’яти стовпчиків чисел. У першому наведені значення (можливі при даному ), в інших - обчислені для «води» або «льоду» значення , , і .

При обчисленні вологості за допомогою таблиць знаходять колонку, відповідну виміряному значенню температури повітря (виправлені показання сухого термометра психрометра), і в горизонтальній строчці по значенню , яке відповідає виправленому показанню змоченого термометра, знаходять значення , , і . Через те, що таблиця розрахована для тиску 1000 мбар, то для випадків мбар знайдені значення виходять з похибками (якщо мбар, вони завищені, якщо мбар – занижені). Ці похибки виключають введенням поправок на тиск, які також обчислені і наведені в психрометричних таблицях 3а, 3б, 3в. Поправку до парціального тиску водяної пари визначають по виміряному атмосферному тиску в залежності від значення () і фази води на батисті за таблицями:

3а - при ;

3б - при ;

3в - якщо на батисті лід.

Знайдена поправка має додатний знак для мбар і від’ємний - для мбар. По виправленому значенню в табл.2 в тій же колонці для знаходять значення , яке найбільш близьке до , і з тієї строчки, де це значення знаходиться, вибирають виправлені значення , і .

Психрометри аспіраційні. Фізичний принцип дії цих психрометрів такий же, як і станційного, але вони містять аспіраційний пристрій, який забезпечує протяжку повітря у резервуарів термометрів з постійною швидкістю 2 м/с. Це значною мірою виключає вплив швидкості вітру на показання психрометра. Випускаються психрометри двох типів: з аспіраторами з пружинним механізмом і з електродвигуном. Аспіратори взаємозамінювальні.

Аспіраційний психрометр містить два спеціальних термометри 3 і 9 (рис.4.4), які закріплені в металевій оправі, що складається з трубки 4 з трійником 6 і планочних захистів 5.

Рис.4.4 Психрометр аспіраційний: 1 – головка аспіратора; 2 - заводний ключ; 3 і 9 - змочений і сухий термометри; 4 – трубка; 5 - планочні захисти; 6 – трійник; 7 - пластмасові втулки; 8 - захисні трубки; 10 – гачок; 11 – вітровий захист; 12 – затискач; 13 - гумова груша; 14 – батист; 15 - внутрішні трубки.

До трійника 6 за допомогою пластмасових втулок 7 прикріплені по дві трубки 8 і 15, які є захистом резервуарів термометрів. Верхній кінець трубки 4 з’єднаний з головкою аспіратора 1, який просочує зовнішнє повітря через трубки 8 і 15 резервуарів термометрів. Внутрішні трубки 15 утримуються за допомогою трьох лапок, які спираються на краї зовнішніх трубок 8. Для зменшення теплопередачі між зовнішніми трубками 8 і внутрішніми 15 під лапки трубок 15 підкладаються тонкі кільця з теплоізоляційного матеріалу. Резервуар термометра 9 (правий) обгорнутий батистом, коротко обрізаний під резервуаром. Увесь прилад нікельований і полірований, завдяки чому його поверхня відбиває падаючі на нього сонячні промені, виключаючи надмірне нагрівання корпусу. Крім того, втулки 7 з теплоізоляційного матеріалу теплоізолюють трубки 8 і 15, які оточують резервуари термометрів, від корпусу приладу. Тому аспіраційний психрометр не потребує додаткового захисту.

Вимірювання по психрометру. Психрометр установлюють за допомогою гака-підвісу 10, який вгвинчують в стовпчик таким чином, щоб резервуари термометрів знаходились на висоті 2 м. Взимку психрометр установлюють за 30 хв, в влітку – за 15 хв до моменту відліку. При установці його орієнтують так, щоб прямі сонячні промені не попадали на термометри. Змочування термометру, обгорнутого батистом, взимку проводять за 30 хв, а влітку – за 4 хв до відліку.

Для змочування термометра користуються гумовою грушею 13 з піпеткою (рис.4.4), що прикладається до приладу. Її наповнюють дистильованою водою, потім легким натиском на грушу вводять воду в скляну піпетку до риски (якщо риска відсутня, то підводять воду не ближче ніж на один сантиметр від краю піпетки) і утримують її на цьому рівні за допомогою затискача 12. Потім вводять піпетку в праву трубку 15, де знаходиться резервуар термометра, обгорнутий батистом. Зачекавши 3 - 5 с, для того щоб батист просочився водою, відкривають затискач, опускають воду в грушу і виймають піпетку з трубки. При цьому потрібно виключити можливість натиску на грушу, тому що вода з груші може попасти по з’єднувальній трубці на сухий термометр, змочити стінки захисних трубок. Це призведе до додаткових похибок.

Взимку, як і в станційному психрометрі, термометр змочують для того, щоб кірка льоду на батисті розтанула.

Змочивши термометр, ключем 2 заводять механізм аспіратора, який в момент відліку повинен працювати повним ходом. Тому взимку за 4 хв до відліку потрібно зробити повторне заведення механізму.

При проведенні відліків спочатку потрібно швидко відрахувати десяті частки градуса по сухому і змоченому термометрам, записати результати і тільки після цього вже відраховувати і записати цілі градуси. При цьому необхідно строго слідкувати, щоб під час відліків вітер дув в напрямку від приладу до спостерігача.

Така обережність необхідна тому, що у аспіраційного психрометра відбувається засмоктування зовнішнього повітря і, якщо не вжити відповідних заходів, результати спостережень можуть бути перекручені.

Взимку при від’ємних температурах після відліку необхідно впевнитися в тому, що на батисті термометра знаходиться лід чи вода, як це було вказано для станційного психрометра.

При сильному вітрі швидкість аспірації порушується внаслідок утруднення викидів повітря з вентилятора. Щоб це виключити, на аспіратор 1 одягають з навітряної сторони (звідки дує вітер) особливий вітровий захист 11 (рис.4.4), що прикладається до психрометра. Захист потрібно обов’язково одягати на вентилятор вже при швидкостях вітру більше 3 м/с.

Аспіраційний психрометр є самим надійним приладом для визначення температури і вологості повітря при додатній температурі. Проте добрі результати з його допомогою виходять тільки при строгому додержуванні правил вимірювань. При проведенні вимірювань його не можна установлювати поблизу сильно нагрітих або значно зволожених поверхонь, тому що в психрометр може засмоктуватися повітря, яке стикається з ними, внаслідок чого результати вимірювань температури і вологості будуть недостовірні. Потрібно звертати особливу увагу на установку аспіраційного психрометра. Його краще за все установлювати на стовпі завжди з навітряної сторони, щоб повітря йшло від приладу до стовпа. З цією метою на чотирьох діаметрально розташованих сторонах стовпа заздалегідь роблять отвори, в які можна вгвинчувати гак-підвіс. При вимірюваннях гак-підвіс потрібно вгвинчувати в отвір з навітряної сторони стовпа. Спостерігач повинен знаходитися з підвітряної сторони, щоб не впливати на показання приладу.

При обчисленні вологості по аспіраційному психрометру швидкість обтікання повітря навколо приймачів термометрів приймається 2 м/с, тому необхідно, щоб швидкість аспірації у резервуарів термометрів в психрометрі завжди була близькою до 2 м/с. Повірка швидкості аспірації проводиться при випуску психрометра. Проте через забруднення або зношування деталей аспіратора швидкість аспірації з часом може змінюватися, а тому час від часу її треба перевіряти. На станціях це роблять непрямо, шляхом визначення швидкості обертання барабану із завідною пружиною, установленого в голові аспіраційного психрометра. З цією метою заводять пружину і очікують появи у віконці головки мітки – стрілку, яка нанесена на барабані пружини. Якщо стрілка довго не з’являється, то в момент її появи знову заводять пружину повністю. Коли вертикальна риска на барабані співпаде з вертикальною рискою на віконці, відмічають час. Після їх повторного співпадання визначають з точністю до однієї секунди час одного оберту барабана і порівнюють його з часом, вказаним в повірочному свідоцтві. Якщо тривалість обороту барабану пружини виявляється більшою на 5 сек, ніж вказано в повірочному свідоцтві, значить швидкість вентиляції недостатня - менше 2 м/с.

Догляд за приладом. Для правильної роботи аспіраційного психрометра необхідно слідкувати за чистотою батисту і своєчасною його зміною. Щоб перев’язати батист, потрібно, відгвинтивши від трубки головку аспіратора 1, витягти з оправи змочений термометр. Пов’язка батисту на термометр робиться так же, як і для станційного психрометру для зимового часу, тобто батист підрізується безпосередньо під резервуаром термометра.

З метою уберігання покриття оправи приладу від порчі рекомендується психрометр завжди тримати в футлярі, уникати дотику спітнілими руками, уберігати від запотівання, подряпин та ін.. Після спостережень прилад обов’язково протирається чистою ганчіркою. Заводити пружину аспіратора потрібно з обачністю в кінці заведення, щоб її не зірвати.

Обчислення вологості по аспіраційному психрометру. Швидкість аспірації у змоченого термометра в аспіраційному психрометрі відрізняється від швидкості обтікання повітря у змоченого термометра станційного психрометра. Психрометричний коефіцієнт цього психрометра . Тому психрометрична формула для обчислення вологості по аспіраційному психрометру має вигляд

. (4.13)

На практиці цією формулою користуються рідко, а обчислюють вологість за значеннями і , користуючись психрометричними таблицями. Обчислення по психрометричним таблицям в принципі не відрізняються від раніше наведених для станційного психрометру. Перша операція обчислень також робиться за психрометричною таблицею 2. При обчисленнях же поправки на тиск в даному випадку потрібно користуватися психрометричними таблицями:

4а - при ;

4б - при ;

4в - якщо на змоченому термометрі лід.

Ці таблиці побудовані цілковито аналогічно таблицям 3а, 3б, але обчислені спеціально для аспіраційного психрометра.

Дата добавления: 2015-10-13