Психрометр

Принцип действия. Уравнение психрометра

Этот гигрометр состоит из двух термометров, определенным образом продуваемых воздухом, влажность которого хотят из­мерить. Чувствительный элемент одного из двух термометров обернут марлей, увлажняемой дистиллированной водой. Испа­рение воды в воздух вызывает охлаждение термометра до рав­новесного значения температуры T_h, называемой «температурой влажного термометра». Другой термометр измеряет температуру воздуха T, называемую, напротив, «температурой сухого термо­метра».

Измерение температуры влажного термометра с помощью психрометра представляет собой экспериментальный способ оп­ределения теоретической величины, называемой «термодинами­ческой температурой увлажненного термометра».

Температуре влажного термометра можно дать следующую физическую интерпретацию: это температура равновесного ис­парения в воздух массы дистиллированной воды, если теплота, необходимая для такого испарения, поступает только из воздуха.

В пограничном слое влажного фитиля воздух насыщен при температуре T_h. Путем расчета энтальпий влажного воздуха на входе и выходе психрометра можно получить формулу, связывающую величины парциального давления пара и температур «сухого» и «влажного» термометров:

где    α – коэффициент, зависящий от T и T_h и характеризующий психрометр. В случае идеального функционирования α = 1;

          A – психрометрическая постоянная. При +10 ºС < T < +10 ºС A = 0,00064.

Приведенное выше соотношение позволяет на основе измерений T и T_h и известном барометрическом давлении p определить парциальное давление водяного пара p_п и, следовательно температуру точки росы T_d и относительную влажность φ.

Психрометр с электростимулированным обдувом

Циркуляция воздуха в этом психрометре (рис.1.12) осуществляется с помощью вентилятора, приводимого в действие либо пружинной механической системой (в простейших моделях), либо электродвигателем (в моделях с непрерывным поступлением воды).

Рис. 1.12. Электрический психрометр с обдувом (конструкция фирмы Ultrakust).

1–трубка обдува; 2–металлическая гильза; 3–сухой термометр; 4–влажный термометр; 5–двигатель вентилятора; 6–вентилятор; 7–резервуар с дистиллированной водой; 8–влажный фитиль.

 

В соответствии с принципом действия психрометра теплота, необходимая для испарения воды из фитиля, должна отбираться из воздуха, поэтому приборы снабжаются противорадиационным экраном, и в тепловом балансе должен преобладать конвективный теплообмен. Для этого необходима минимальная скорость потока 2 – 4 м/с.

Измерение температуры сухого термометра и температуры влажного термометра производится с помощью либо ртутных термометров в механических психрометрах, либо с помощью платиновых термометров сопротивления (100 Ом при 0 °С), термопар или полупроводниковых термометров. Влажный термометр обернут хлопчатобумажной тканью. Температура воды, используемой для смачивания фитиля, влияет на постоянную времени прибора. (Идеальным было бы смачивание фитиля водой, имеющей температуру влажного термометра.)

Поскольку вода поступает к влажному термометру непрерывно, необходимо, чтобы участок фитиля (примерно вдвое длиннее датчика температуры) контактировал с воздухом для сокращения поступления тепла вследствие теплопроводности со стороны резервуара с водой.

Метрологические характеристики

Основным достоинством психрометра является высокая воспроизводимость, достижимая при условии соблюдения ряда мер предосторожности.

Точность психрометра зависит от его конструкции (противорадиационная защита, достаточная скорость течения воздуха и т.д.) и от аккуратности проведения измерений. При высокотемпературных измерениях иногда необходимо проверять градуировку.

Чувствительность психрометра зависит только от чувствительности датчиков температуры. Дифференциальная схема включения датчиков температуры обеспечивает прекрасную чувствительность и очень хорошую точность даже вблизи насыщения, т.е. в той области, где применение большинства датчиков влажности ограничено.

Важным достоинством психрометров является их простота: они просты в изготовлении и сравнительно дешевы.

Обычно психрометры используются в системах кондиционирования воздуха. Эта область применения может быть несколько расширена при соблюдении ряда условий.

Низкотемпературный предел. Измерение Т_h ниже или вблизи 0 °С затруднено, так как необходимо проверять, покрыт ли термометр льдом или переохлажденной водой. В этих случаях используются различные уравнения.

Высокотемпературный предел. Необходимо рассмотреть два случая:

1. Психрометры, не рассчитанные на непрерывную подачу воды от фитиля, имеют высокотемпературный предел, обусловленный тем, что вода, смачивающая фитиль, может испаряться быстрее, чем устанавливается равновесие в колбе с влажным воздухом. Обычно полагают, что температура +40 °С является пределом.

2. Психрометры, рассчитанные на непрерывную подачу воды с расходом, компенсирующим испарение, пригодны для использования вплоть до температур +90 ÷ +100 °С, если температура резервуара равна температуре пробоотбора (+200 °С и выше), а резервуар и систему подачи можно поддерживать при температурах ниже точки кипения воды.

Разработан психрометр, предназначенный специально для измерения влажности в сушильнях, которые могут функционировать вплоть до температур сухого термометра порядка +200 ÷ 250 °С при температуре влажного термометра +20 ÷ 75 °С (патент фирмы ITF - INOTECHNIQUE).

Прибор, схематически представленный на рис.1.13а (патент фирмы ITF Leblanc), снабжен, по сравнению с классическими психрометрами, рядом оригинальных приспособлений позволяющих ему функционировать при высокой температуре: например, увлажнение влажного термометра обеспечивается с использованием инжекторной системы периодической пульверизации. Эта система соединена с приспособлением для измерения изменения температуры влажного термометра и определения интервала времени, на котором устанавливается тепловое равновесие (рис.1.136). Именно на протяжении этого интервала термометр, по определению, указывает температуру влажного воздуха.

 

Рис. 1.13. Психрометр для измерения влажности при высокой температуре ( материалы фирмы Inotechnique – Richard & Pekly). а – конструкция; б – определение интервалов времени, необходимого для достижения теплового равновесия:

1–стенка трубы; 2–инжекторы; 3–влажный датчик; 4–сухой датчик; 5–пористое тело; 6–съемный чехол; 7–соединительная муфта.