Лабораторна робота 6 Вимірювання вологості повітря

Мета роботи: Освоєння методів вимірювання та обчислення характеристик вологості повітря, ознайомлення з будовою приладів, правилами відліків і строками спостережень на метеорологічних станціях.

Прилади та матеріали: Психрометрична будка, термометри строковий і змочений, аспіраційний психрометр, волосяний гігрометр, гігрограф, психрометричні таблиці.

Загальні положення

Під терміном вологість повітря прийнято розуміти вміст водяної пари в ньому, який характеризується абсолютними і відносними показниками.

Водяна пара безперервно надходить в атмосферу внаслідок випаровування води з поверхні водоймищ, ґрунту, снігу, льоду і рослинного покриву, на що витрачається у середньому 23% сонячної радіації, яка приходить на земну поверхню. В атмосфері знаходиться у середньому 1,29*10¹³т вологи (водяної пари і рідкої води), що дорівнює шару води 25,5 мм. Найбільша кількість водяної пари знаходиться у нижніх шарах повітря, які безпосередньо прилягають до випаровуючої поверхні. У вижчерозташовані шари водяна пара потрапляє у результаті турбулентної дифузії. Проникненню водяної пари у вижчерозташовані шари сприяє та обставина, що вона легше повітря в 1,6 рази (щільність водяної пари по відношенню до сухого повітря при 0°С дорівнює 0,622), тому повітря, збагачене водяною парою, як менш щільне, піднімається уверх. Парціальний тиск водяної пари з висотою зменшується у 4-5 разів швидше, ніж атмосферний тиск. На висоті 6 км парціальний тиск водяної пари у 9 разів менше, ніж на рівні моря.

У приземному шарі атмосфери спостерігається добре виражений добовий і річний хід вологості повітря, який пов’язаний з відповідними періодичними змінами температури. Мінімум добового ходу пружності водяної пари і абсолютної вологості аналогічний добовому ходу температури води і повітря: мінімум – перед сходом сонця і максимум – 14-15 год. У річному ході максимум вологості повітря спостерігається у липні, мінімум – у січні. Добовий хід відносної вологості поблизу земної поверхні є зворотнім ходу температури поверхні і повітря: максимум відносної вологості спостерігається перед сходом сонця, а мінімум – в 15-16 год. У річному ході відносна вологість повітря змінюється обернено ходу температури. Хід дефіциту насиченості водяної пари паралельний ходу температури повітря: максимум – 14-15 год, а мінімум – перед сходом сонця. У річному ході дефіцит насиченості водяної пари має максимум у самий жаркий місяць, а мінімум – у самий холодний.

Вологість повітря має суттєве значення для сільськогосподарського виробництва, так як водяна пара зберігає тепло на земній поверхні, поглинаючи випромінюване нею тепло. Вологість повітря здійснює великий вплив на рослину, визначаючи інтенсивність транспірації. При високій температурі і пониженій вологості (r < 30%) транспірація різко зростає і у рослин виникає велика нестача води, що відображається на їх рості і розвитку. Наприклад, відмічається недорозвиток генеративних органів рослин, затримується їх цвітіння. У період наливу зерна надмірна вологість повітря призводить до того, що зерно одержується щуплим і врожай знижується. Низька вологість повітря приводить до зниження врожаю плодових, ягідних культур, винограду; слабої закладки бруньок під врожай наступного року, а також до зниження врожаю. Висока вологість повітря протягом тривалого часу викликає полягання зернових культур, перешкоджає опиленню рослин, затримує настання повної зрілості зерна, що відбивається на роботі збиральних машин і потребує додаткових витрат на просушку зерна. Від вологості повітря залежать також і строки проведення ряду сільськогосподарських робіт.

Водяна пара має масу і створює певний тиск, який називають пружністю водяної пари, або парціальним тиском (е), одиниці вимірювання – мілібар (мб), гектопаскаль (гПа)

Максимальна пружність водяної пари, або пружність насичення (Е) – це верхня межа парціального тиску, за якого водяна пара знаходиться у газоподібному стані при певних значеннях температури і атмосферного тиску. При е < Е пара називається ненасиченою, а при е = Е - насиченою. Значення Е знаходять за таблицею максимальної пружності водяної пари, використовуючи покази сухого психрометричного термометра.

Фактичну насиченість водяної пари знаходять за формулою:

е = Е₁ - А р (t – t₁), гПа. (6.1)

де Е₁ - максимальна насиченість водяної пари для температури за змоченим психрометричним термометром, гПа - таблична величина;

А - психрометричний коефіцієнт, який залежить від швидкості вітру (для станційного психрометра А= 0.0008, для аспіраційного А=0.0006);

р - атмосферний тиск, гПа:

t - температура за сухим термометром, °С;

t₁ - температура за змоченим термометром, °С.

Абсолютні, вологість повітря (а) - кількість водяної пари у грамах, що знаходиться в 1 м³ повітря (г/м³), визначається за формулою:

а= 0,81е / (1 + αt) г/м³, (6.2)

де е - парціальний тиск, гПа;

α - коефіцієнт об'ємного розширення повітря ( α=0.004 );

t - температура повітря, °С.

Відносна вологість повітря (r) - відношення фактичної насиченості водяної пари у повітрі до максимальної насиченості при даній температурі:

r = (е/Е) * 100 %. (7.3)

За умови, коли е = Е відносна вологість повітря складає 100%.

Дефіцит насиченості водяної пари (d) - це різниця між максимальною і фактичною насиченістю водяної пари при даній температурі:

d = Е-е, гПа. (7.4)

Температура точки роси (τ) - температура (°С), за якої повітря досягає максимального насичення водяною парою при незмінному тиску. Визначається за таблицею максимальної пружності водяної пари, використовуючи значення фактичної насиченості водяної пари.

При охолодженні насиченого водяною парою повітря нижче точки роси відбувається конденсація або сублімація, тобто перехід із газоподібного в рідкий або твердий стан. Внаслідок конденсації на підстилаючій поверхні утворюється роса, а при від'ємних температурах - іній (явище сублімації).

Характеристики вологості повітря на практиці вимірюють переважно психрометричним і гігрометричним методами. Найбільш поширеним і точним є психрометричний метод, який ґрунтується на залежності інтенсивності випаровування з водної поверхні від вологості навколишнього повітря. При цьому вологість повітря визначається як різниця між показниками двох однакових психрометричних термометрів - сухого і змоченого. Чим більший дефіцит вологості, тим інтенсивніше буде випаровуватися волога і більшою буде різниця температур на термометрах, оскільки при випаровуванні витрачається певна кількість тепла з поверхні резервуара змоченого термометра.

Гігрометричний метод вимірювання вологості повітря ґрунтується на здатності гігроскопічних тіл (людська волосина, плівка кишечника тварин) змінювати свою довжину залежно від зміни вологості повітря.

Для вимірювання вологості повітря психрометричним методом використовують станційний і аспіраційний психрометри, а гігрометричним - волосяні та плівкові гігрометри і гігрографи.

Психрометричний метод вимірювання вологості повітря

П

а) б)

Рис. 6.1. а) - психрометрична будка; б)-станційний психрометр і волосяний гігрометр

сихрометр станційний (рис. 6.1) складається з двох однакових психрометри-них термометрів, вертикально встановлених на штативі у психрометричній будці. Лівий термометр «сухий», а правий – «змочений». Правий термометр обгорнутий батистом, кінець якого опущено в стаканчик з дистильованою водою. Стаканчик встановлюють у дротяному кільці, яке закріплено гвинтом на штативі. Кришка стаканчика має проріз, через який пропускають кінець батисту. Батист змочують дистильованою водою і в мокрому стані обгортують навколо резервуара термометра та зав’язують петлями з ниток, міцно над резервуаром і слабко під резервуаром.Станційним психрометром користуються за будь-яких додатних температур та при від'ємних температурах до -10 °С, в останньому разі вода в психрометричній будці замерзає.

Влітку в жарку і суху погоду за 10 - 15 хв. до вимірювання стаканчик з відкритою кришкою піднімають і занурюють у нього резервуар змоченого термометра, після чого стаканчик знову закривають і ставлять на попереднє місце.

Взимку батист обрізають на 0,2 - 0,3 см нижче термометра і змочують його за 30 хв. до визначення вологості водою кімнатної температури, щоб відтанула льодова кірка, яка була на ньому.

Відліки по обох термометрах треба проводити швидко. При цьому спочатку фіксують десяті частки, а потім цілі градуси сухого і змоченого термометрів.

П

Рис. 6.2. Аспіраційний психрометр

сихрометр аспіраційний (механічний) МВ-4М (рис. 6.2) – служить для вимірювання температури та вологості повітря, так як і станційний психрометр. Він зручний для ведення спостережень в експериментальних умовах і складається з двох однакових термометрів, які встановлено в металеву оправу з аспіратором, за допомогою якого коло них створюється потік повітря визначеної швидкості. Завдяки цьому аспірацій ний психрометр не потрібно вміщувати у жалюзійну будку для захисту його від радіації і опадів. Прилад широко використовується в умовах, в яких використання психрометра у будці або неможливо, або ускладнено. Наприклад: на малій висоті над поверхнею землі, серед рослин, усередині будівель, у експедиційних умовах. Аспіраційний психрометр являється більш точним приладом у порівнянні із станційним психрометром.

Резервуари термометрів знаходяться у середині двох двостінних захисних трубок 1 і 3,2 і 4, які з’єднуються через трійник і центральну трубку 5,6 з аспіратором. Аспіратор заводиться за допомогою ключа 8, вставленого у спеціальний отвір у головці, в якій є прорізи 7, що викидають ззовні повітря, яке протягується аспіратором.

До психрометра прикладається: піпетка для змочування – скляна трубочка 9, яка вставлена у резиновий балончик 10 із зажимом 11; щиток 12 для захисту аспіратора від вітру, металевий стержень 13 для підвішування приладу, повірочні свідоцтва до термометрів і до всього приладу. Середня частина оправи - пустотіла трубка, яка в нижній частині роздвоюється на двостінні (зовнішня і внутрішня) циліндричні трубки. На верхню частину оправи нагвинчено аспіраційну головку з вентилятором, який приводиться в дію за допомогою пружини, що накручується ключем. Вентилятор втягує зовнішнє повітря з постійною швидкістю 2 м/с в трубки, де знаходяться резервуари термометрів. Повітря, яке обтікає резервуари термометрів, проходить через трубку оправи і щілинні отвори аспіраційної головки і виходить за межі психрометра. Для виконання спостережень аспіраційний психрометр підвішується на стержні, який загвинчується у стовп таким чином, щоб резервуари термометрів знаходились на заданій висоті над поверхнею землі. За 4 хвилини до спостережень резервуар термометра, який обернений батистом, змочують і заводять аспіратор. Спостереження виконують через 4 хвилини після заводу аспіратора, спочатку по сухому термометру, а потім по змоченому. При температурах нижче 0°С спостерігач повинен відмітити літерою «л» і «в» наявність на батисті змоченого термометра льоду або води. При температурах нижче - 10°С відліки по змоченому термометру не здійснюються.

Відліки по аспіраційному психрометру записуються у відповідні графи книжки спостерігача. Відлік по кожному із термометрів повинен бути виправлений відповідною поправкою для розрахунку вологості повітря по показанням аспіраційного психрометра користуються тими ж психрометричними таблицями, які застосовуються для розрахунку вологості повітря по показанням станційного психрометра, але поправку до змоченого термометра беруть для аспіраційного психрометра.

Аналогічним за призначенням технічними характеристиками є електричний аспіраційний психрометр М-34.

Гігрометричний (сорбційний) метод вимірювання вологості повітря

Г

Рис. 6.3. Гігрометр волосяний

ігрометр волосяний М-19 (рис. 6.3) - зручний прилад для швидкого визначення відносної вологості повітря. Дія приладу заснована на властивості знежиреної людської волосини змінювати довжину в залежності від відносної вологості повітря. Його приймальною частиною є знежирена людська волосина 1, натягнута на металеву рамку 7. Верхній кінець волосини закріплено на кінці гвинта регулятора 2, за допомогою якого регулюють її натяг на рамі. Другий кінець волосини обернуто і закріплено на дужці 3, яка зв’язана з тягарцем 9, який натягує волосину. Дужка 3 насаджена на вісь 4, на якій закріплена стрілка 5, Кінець стрілки переміщу-ється по шкалі 6 з поділками, які позначають відносну вологість повітря у відсотках. Стрілку можна переміщувати по шкалі, відпустивши контргайку 11 і переміщуючи гвинт 2 шляхом обертання гайки 10.

Взимку, при температурі повітря нижчій за -10 °С, гігрометр є практично єдиним приладом для вимірювання вологості повітря. Але до цього його треба вивірити, провівши паралельні спостереження за гігрометром і станційним психрометром. Для цього будують графік за щоденними відліками психрометра, які відкладають на вертикальній осі та відліками гігрометра, які відкладають на горизонтальній осі. Для переходу від показань гігрометра до виправленого значення відносної вологості користуються складеною по графіку перевідною таблицею. Волосяний гігрометр встановлюється у тій же психрометричній будці, де встановлений станційний психрометр і закріплюється на штативі між сухим і змоченим термометрами. Відліки по волосяному гігрометру виконуються у цілих поділках його шкали безпосередньо після відліків по психрометру таким чином, щоб проміжок часу між цими відліками був найбільш скороченим.

Гігрометр розрахований на роботу від -50°С до +55°С. Межі вимірювання вологості повітря від 30% до 100%. Похибка вимірювання ±10%, ціна поділки шкали – 1%. Відлік виконують до цілої поділки шкали.

Плівковий метеорологічний гігрометр М-39 застосовують також для вимірювання відносної вологості повітря.

Принцип дії приладу заснований на властивості гігроскопічної органічної плівки змінювати свої лінійні розміри в залежності від відносної вологості повітря. Через передаточний механізм деформація мембрани, яка проходить у результаті зміни вологості повітря, передається на стрілку. При збільшенні вологості повітря плівка розширюється, при зниженні – стискається.

Гігрометр розрахований на роботу при температурі повітря від -60°С до +35°С. Межі вимірювання – від 30% до 100%, похибка вимірювання - ±10%, ціна поділки шкали – 1%. Шкала рівномірна на відміну від волосяного гігрометра.

Плівковий гігрометр – це відносний прилад, в його покази, як і у покази волосяного гігрометра, вводять поправки, які одержані за графіком зв’язку показів плівкового гігрометра і психрометра.

Гігрограф

Гігрографи бувають волосяними (М-21) і плівковими (М-39).

Г

Рис. 6.4. Гігрограф М-21

ігрограф М-21 (рис. 6.4) - використовують для безперервного запису змін відносної вологості повітря в межах від 30 до 100 % при температурі від -35 до +45 °С. До складу гігрографа входить пучок знежиреного людського волосся (датчик вологості), передавальний механізм і реєструюча частина, яка складається із стрілки з пером на кінці і барабану з годинниковим механізмом. Прилад буває добовий або тижневий.

Г ігрограф встановлюють у жалюзій-ній будці, яка подібна психрометрич-ній, на висоті 2м над поверхнею землі.

При збільшенні відносної вологості повітря довжина пучка волосся збільшується і стрілка з пером, яке заповнюється чорнилами, переміщує-ться і перо виписує лінію, що від-повідає зміні вологості повітря. Якщо при великій відносній вологості повітря перо виходить за межі шкали стрічки, то його необхідно опустити. Це можна зробити, натягуючи пучок волосся обертанням гвинта, який виступає на одній із стійок, до яких прикріплені кінці пучка волосся. Обертання гвинта виконується спеціальним ключем, який додається до приладу.

Реєструвальна частина гігрографа улаштована так само, як і у інших самописців. Гігрографи можуть бути добовими та тижневими в залежності від швидкості обертання барабана. Стрічка гігрографа розграфлена паралельними горизонтальними лініями і вертикальними дугами. По дугах визначають час, а по лініях - відносну вологість повітря. Кожна поділка на стрічці за вологістю повітря відповідає 1%, а за часом - 15 хв. для добового та двом годинам для тижневого гігрографа.

Гігрограф встановлюють в одній будці з термографом. Перед роботою приладу барабан заводять до упору і натягають стрічку, на звороті якої вказують час установки. Перо встановлюють на поділку, яка відповідає фактичній відносній вологості, визначеній за психрометром.

Гігрограф є відносним приладом, тому результати вимірювання вологості повітря порівнюють з показами психрометра. Для цього під час відліку за психрометром роблять помітки на стрічці гігрографа легким підйомом пера.

Стрічку гігрографа обробляють графічним методом. Будують графік і таблицю за відліком психрометра і відліком, знятим із стрічки гігрографа, аналогічно тому, як це виконують для гігрометра. Подальша обробка стрічки полягає в тому, що використовуючи одержаний графік для кожного відліку за гігрографом, знятого зі стрічки, знаходять відповідний відлік за психрометром, який і буде виправленим відліком гігрограф

Різні види гігрографів розрізняються між собою лише рядом конструктивних особливостей. Незначні відмінності самого принципу конструкції приладів роблять описання їх маже аналогічними.

Спостереження за вологістю повітря здійснюється на метеорологічних станціях у кліматологічні строки (1, 7, 13, 19 год.) , а на деяких станціях у синоптичні строки (3, 9, 15, 21 год.). Відліки по термометрам (сухому і змоченому) станційного психрометра виконуються у цілих і десятих частках градуса, ціна поділки шкали термометрів – 0,2°С. Відліки по змоченому термометру виконуються у всіх випадках, у тому числі і взимку, коли температура не нижче -10°С. При від’ємних температурах після відліку визначають у якому стані знаходиться батист – на ньому лід чи вода (психрометр станційний аспіраційний). При більш низьких температурах спостереження здійснюється тільки по сухому термометру станційного психрометра і гігрометру. Результати вимірювань і розрахунку характеристик вологості повітря після введення відповідних поправок записуються у книжку КМ-1.

Обробка матеріалів спостережень. Характеристики вологості повітря за показами станційного і аспіраційного психрометрів розраховуються за допо-могою психрометричних таблиць В.А. Савича. У психрометричних таблицях (таблиця 1) значення температури повітря по сухому термометру (t) розташовані по горизонталі над кожною колонкою у порядку збільшення температури зліва направо. Покази поправочних чисел (n) даються у першому і останньому вертикальному стовпчику. Для кожної колонки даються значення змоченого термометра (t'), пружності водяної пари (е), відносної вологості (r) і дефіциту насиченості (d). Для розрахунку характеристик вологості по показам психрометричних термометрів вибирають у таблиці 1 колонку, яка відповідає показам сухого термометра (t). У першому стовпчику колонки під літерою t' знаходять значення змоченого термометра. Якщо тиск повітря дорівнює 1000 мб і спостереження здійснено по станційному психрометру, то напроти знайденого значення змоченого термометра у 3-х наступних стовпчиках під літерами e, r, d знаходять величини пружності водяної пари у мілібарах (мб, гПа), відносної вологості у відсотках (%) і дефіциту насичення у мб або гПа.

Приклад 1: t = 15,2°; t' = 11,7°; Р = 1000 мб. Станційний психрометр. У колонці t = 15,2° напроти t' = 11,7° знаходимо: е = 11,0 мб; r = 63%; d = 6,3 мб. Якщо тиск повітря відмінний від 1000 мб для даного значення змоченого термометра під літерою n (перший або останній стовпчик сторінки), переміщуючись по горизонталі, знаходять поправочне число. У таблиці 1а по знайденому поправочному числу n і тиску повітря, округленому до десятків мб знаходять поправку Δt', яку додають до показу змоченого термометра при Р<1000 мб і віднімають при Р>1000 мб. При спостереженнях по станційному психрометру. При спостереженнях по аспіраційному психрометру поправки додатні і при Р>1000 мб.

Приклад 2: t = 7,3°; t' = 1,8°; Р = 890 мб. Аспіраційний психрометр. У колонці t = 7,3° беремо у стовпчику t' = 1,8° і у останньому стовпчику знаходимо n = 17. У таблиці 1а при Р = 890 мб по n = 17 (для аспіраційного психрометра) знаходимо Δt' = +0,9°. Виправлене значення t' = 1,8 + 0,9 = 2,7. У табл.1 по t = 7,3° і t' = 2,7° знаходимо: е = 3,8 мб; ; r = 37%; d = 6,4 мб.

Якщо при t ≥ 0° на батисті змоченого термометра виявиться «лід», то показання змоченого термометра, виправлене поправкою на тиск, необхідно ще привести до стану «вода», а потім визначити характеристики вологості із табл. 1 «вода». Для приведення стану змоченого термометра «лід» до стану «вода» використовують таблицю поправок до змоченого термометра.

Поправки на температуру змоченого термометра «лід», ºС для переходу до температури стану «вода» (психрометричні таблиці В.А. Савича)

Температура по змоченому термометру(лід), °С	Поправка на температуру змоченого термометра «лід», °С для переходу до температури стану «вода»
від 0,0 до -1,2	0,0
від -1,3 до -4,6	-0,1
від -4,7 до -10	-0,2

Приклад 3: t = 0,3°; t' = -4,9° (лід); Р = 1020 мб. Аспіраційний психрометр.

У табл. 1 знаходимо n = 18; у табл. 1а Δt' = +0,5. Виправлене значення змоченого термометра t' = -4,9 (лід) + 0,5 = -4,4 (лід). Приведене до стану «вода» значення t' = -4,4 (лід) – 0,1 = -4,5 (вода). У табл. 1. «вода» по t = 0,3° і t' = -4,5° знаходимо: е = 0,6 мб; r = 9%; і d = 5,6 мб.

По розрахованим значенням пружності водяної пари е по таблиці додатку 2а знаходять значення температури точки роси τ, яке буде дорівнювати для прикладів 1, 2, 3 відповідно 8°С, -6°С, -28°С.

Результати вимірювань показів сухого і змоченого термометрів, виправлених інструментальною поправкою, яка дається у повірочному сертифікаті, а також вищевказаними поправками до змоченого термометру, атмосферного тиску і розрахунку характеристик вологості повітря (вихідні дані додаються) занести у таблицю.

Вимірювання і розрахунок характеристик вологості повітря (психрометричні таблиці В.А. Савича)

Прилади	Атмосфер ний тиск, мб	Покази термометрів, °С				Характеристики вологості повітря
		сухий	змочений			е, мб	r, %	d, мб	τ, °С
		t	t'	поправка	виправлена величина
Станційний психрометр
Аспіраційний психрометр

Завдання для лабораторної роботи:

1. Ознайомитись з будовою станційного та аспіраційного психрометрів, волосяного гігрометра та гигрографа.

2. Обчислити величини показів термометрів і ввести поправки до них згідно свідоцтв.

3. Обчислити характеристики вологості повітря (е, r, d, τ) по даним станційного і аспіраційного психрометрів за допомогою психрометричних таблиць (вихідні дані) – додаток З.

4. Зняти покази відносної вологості повітря r по волосяному гігрометру.

5. Розрахувати за формулами характеристики абсолютної вологості повітря а, г/м3 і максимальної пружності водяної пари Е, мб.

Питання для самоконтролю:

1. Що розуміють під терміном вологість повітря?

2. Якими показниками характеризується вологість повітря? Одиниці їх вимірювання.

3. Що називають абсолютною та відносною вологістю повітря?

4. За допомогою яких методів вимірюють характеристики вологості повітря?

5. Які прилади використовують для вимірювання вологості повітря? Їх конструкція і правила користування.

6. Порядок і строки спостережень за вологістю повітря на метеорологічних станціях, обробка даних спостережень і реєстрація.