Влажность воздуха и методы ее измерения

Цель работы: Ознакомиться с основными методами измерения влажности воздуха и приборами, применяемыми для этого, научиться определять основные показатели влажности воздуха по формулам и психрометрическим таблицам.

Оборудование: аспирационный психрометр, волосной гигрометр, суточный гигрограф.

Характеристики влажности воздуха

Атмосфера постоянно содержит в себе влагу, которая может находиться в различных фазовых состояниях - в виде воды, льда и снега, а также в виде водяного пара, и практически полностью сосредоточена в тропосфере. Количество водяного пара в атмосфере характеризуется различными показателями влажности воздуха.

Абсолютная влажность воздуха ( а ) – это количество водяного пара (ВП) в граммах, содержащееся в одном куб. метре воздуха, г/м².

Парциальное давление ( упругость ) водяного пара ( е) – это давление, которое имел бы водяной пар, если бы он один занимал объем газовой смеси при той же температуре, измеряется в гПа.

Относительная влажность воздуха ( f ) – это отношение фактического парциального давления ВП в воздухе к парциальному давлению насыщенного ВП при той же температуре, выражается в процентах, %.

Дефицит влажности ( d ) – недостаток водяного пара до состояния насыщения, гПа.

Точка росы ( Тd ) – температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе при данном атмосферном давлении, становится насыщенным, °С.

Дефицит точки росы ( D=Т - Тd ) – разность между температурой воздуха и точкой росы, °С.

Измерение влажности воздуха

На станциях используются два метода измерения влажности воздуха: психрометрический метод в теплый период года и гигрометрический – в холодный.

Основным методом для определения влажности воздуха является психрометрический метод (психрос – холодный) основанный на измерении температуры воздуха и температуры смоченного водой термометра –температуры динамического равновесия между затратами тепла на испарение со смоченной поверхности и притоком тепла к термометру от окружающей среды.

Испарение и понижение температуры будут тем больше, чем больше дефицит насыщения пара при прочих равных условиях. Парциальное давление пара можно получить решением уравнения Дальтона в виде:

е = Е' - Ар (t - t') • (1 + 0,00115 • t'), гПа (13)

где Е' - парциальное давление водяного пара, насыщающего пространство, при температуре смоченного термометра t'; р - атмосферное давление, гПа;

t и t' - соответственно температура сухого и смоченного термометров, °С; (1 + 0,00115 • t') - учитывает зависимость теплоты испарения от температуры; А - психрометрический коэффициент, учитывающий скорость движения воздуха.

Для станционного психрометра А = 0,0008, а для аспирационного – А = 0,00066;

На практике е, Е' относительная и абсолютная влажность воздуха определяются по специальным психрометрическим таблицам.

Психрометрические таблицы содержат 7 таблиц. Основной является таблица 2, рассчитанная по психрометрической формуле (13). Она состоит из колонок для определения температур (t) через 0,1°С. Колонка состоит из пяти столбцов чисел. Первый столбец – значения температур смоченного термометра (t'), остальные – вычисленные для «воды» или «льда» значения td, e, f, d. Таблица рассчитана для давления атмосферы Р=1000 гПа, поправки (Δе) к значениям парциального давления (е) на истинное давление атмосферы приведены в таблицах 3а, 3б, 3в (для станционного психрометра) и 4а, 4б, 4в (для аспирационного психрометра): если P < 1000, то +Δe, а если P > 1000, то –Δe.

Приборы, которые измеряют влажность психрометрическим методом, называются психрометрами.

Станционный психрометр (рис. 24) состоит из двух одинаковых ртутных психрометрических термометров ТМ-4, укрепленных в вертикальном положении на штативе в жалюзийной будке. Левый термометр служит для измерения температуры воздуха. Резервуар правого термометра обвернут в один слой батистом, конец которого опущен в стаканчик с дистиллированной водой. Батист, впитывая воду, непрерывно смачивает резервуар правого термометра. По этой причине правый термометр называется смоченным. Для измерения влажности воздуха психрометр используется главным образом при положительной температуре.

Рис. 24 Психрометр станционный. Подвязка батиста на термометр:

а – при положительной температуре, б – при отрицательной температуре

При положительной температуре, при подвязывании батиста его края на резервуаре не должны заходить друг на друга более чем на ¼ окружности резервуара. Нитку под шариком термометра затягивают не слишком туго, чтобы не нарушать тягу воды батистом. Стаканчик должен быть ниже резервуара смоченного термометра на 2-3 см, чтобы края стаканчика не мешали свободному обмену воздуха.

При отрицательной температуре до -10°С следующий порядок наблюдений:

• Стакан с водой находится в помещении.

• Конец батиста обрезается непосредственно под шариком термометра на 3-5 мм ниже резервуара, а обвязка батиста под резервуаром смоченного термометра плотно затягивается.

• За полчаса до наблюдений, резервуар смоченного термометра, обернутый батистом, погружают в стаканчик с водой комнатной температуры и держат его, пока температура смоченного термометра повысится до +2° ÷ +3°С. После этого, стаканчик убирают и снимают каплю воды с конца батиста.

• Через полчаса делается отсчет.

• При этом важно отметить состояние воды на батисте: покрыт ли он переохлажденной водой или корочкой льда.

• Для определения фазы воды на батисте необходимо кончиком карандаша коснуться батиста и наблюдать за показанием смоченного термометра; если температура не изменилась – на батисте - лед, повысилась – вода.

• Показания смоченного термометра отсчитывают вслед за отсчетом температуры воздуха по сухому термометру.

Аспирационный психрометр (рис. 25) очень удобен для измерения влажности воздуха в полевых условиях и среди растений.

Рис. 25. Аспирационный психрометр. 1- сухой термометр; 2 - смоченный термометр; 3 – трубка с тройником; 4 - планочная защита; 5, 6 - защитные трубки; 7 - аспиратор; 8 - заводной ключ; 9, 10 - пластмассовые втулки; 10 - батист; 11, 12- внутренние трубки; 13 – крюк; 14 - резиновая груша; 16 - зажим; 18 - ветровая защита. По принципу действия он аналогичен станционному психрометру.

Аспирационный психрометр состоит из двух одинаковых ртутных термометра 1, 2, укрепленных в металлической оправе, состоящей из трубки с тройником 3 и планочных защит 4. Верхний конец трубки 3 соединен с головкой аспиратора 7. Головка состоит из пружинного механизма и вентилятора, создающего ток воздуха через трубки 3 и 11, 12 около резервуаров термометров. Пружина заводного механизма заводится ключом 8. В результате работы аспиратора вокруг резервуаров термометров создается постоянный ток воздуха со скоростью 2 м/с. Для исключения влияния ветра (более 4 м/с) на аспиратор надевают с наветренной стороны ветровую защиту 18.

Резервуар правого термометра 2 являющимся смоченным обернут батистом 10, коротко срезанным под резервуаром. Все металлические поверхности никелированы, что обеспечивает отражение падающих на них солнечных лучей, исключая нагрев корпуса.

Для смачивания батиста пользуются резиновой грушей со стеклянной пипеткой и зажимом 15, 16. После этого заводят пружинный механизм аспиратора и устанавливают психрометр на место с помощью специального крюка 15 так, чтобы резервуары термометров находились на высоте 2-х метров над поверхностью земли. По истечении 4-5 мин берут отсчёты по сухому и смоченному термометрам, сначала десятые доли, а затем целые градусы. Зимой психрометр устанавливают за 30 мин, а летом за 15 мин до начала измерений.

Дополнительным методом определения влажности воздуха является сорбционный метод или гигрометрический метод (гигро – влажный), основанный на изменении длины чувствительного элемента (обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки) при изменении влажности.