как можно узнать относительную влажность воздуха используя психрометр

Психрометрия: метод определения уровня влажности воздуха

Главная страница » Психрометрия: метод определения уровня влажности воздуха

Термин «психрометрия» достаточно редко используется в бытовой сфере. Однако инструментарий, где используется эта технология, не является редкостью и для быта, не говоря уже о специальном применении. Термин «психрометрия» напрямую связан с пониманием и применением инструмента – психрометра, с целью определения влажности воздуха, исходя из показаний двух отдельных термометров. Одно показание снимают по шкале термометра, чувствительная часть колбы которого покрыта влажным материалом (например, мокрой ватой). Другое показание снимается по шкале стандартного «сухого» термометра, то есть без помещения чувствительной части колбы во влажную среду.

Психрометрическая диаграмма для расчёта данных

Данные психрометрии рассчитываются по психрометрической диаграмме, которая включает следующие свойства влажного воздуха:

Психрометрия «сухого» термометра под измерение влажности

Показания «сухого» термометра — это температурный признак «ощутимого тепла», которым вызывается изменение температуры наращиванием или снижением тепла без изменения состояния вещества. Между тем, скрытое тепло вызывает изменение состояния, но не приводит к изменению температуры. Изменения состояния:

Однако требуется одинаковое количество тепла для каждого изменения состояния. Так, если некое значение количества тепла изымается для замораживания одного литра воды, такое же количество тепла требуется для таяния одного килограмма льда.

Тот же принцип применяется к эффектам кипячения и конденсации. Собственно, это правило действует для всех веществ. На психрометрическом графике сухая колба термометра отмечена вертикальными линиями, направленными от оси «X» в нижней части графика.

Психрометрия «мокрого» термометра под измерение влажности

Результат на шкале «мокрого» термометра — температура, используемая для измерения содержания влаги в окружающем воздухе. Чем суше окружающий воздух, тем больше воды будет испаряться из обёртки колбы, тем активнее снижаются показания термометра.

Устройство профессионального назначения — высокочувствительный психрометр, позволяет выполнять измерения влажности с высокой точностью в различных условиях

Если относительная влажность воздуха составляет 100%, окружающий воздух полностью насыщен, соответственно температура «сухого» и «влажного» градусников равны.

Наклонные аналогично линиям энтальпии, линии «мокрого» инструмента на психрометрической диаграмме начинаются там, где линии «сухого» инструмента пересекают линию насыщения и отклоняются вниз и вправо.

Психрометрия или как определяется относительная влажность?

Термин «относительная влажность» следует рассматривать как отношение давления водяного образца воздуха к давлению водяного пара полностью насыщенного воздуха при одинаковой температуре.

Достижение относительной влажности воздуха на уровне 30-35% для условий обогрева и 45-60% для условий охлаждения, даёт оптимальные условия с точки зрения комфорта внутри помещения.

RH = количество влаги, удерживаемое воздухом / количество влаги полного насыщения

Линия, соответствующая 100% относительной влажности, является линией полного насыщения. Линии относительной влажности при условиях ниже насыщения опускаются ниже и справа от линии полного насыщения.

Что такое температура точки росы (ТТР) для психрометрии?

Температура точки росы — показатель, определяющий точку охлаждения воздуха, прежде чем начинается процесс конденсации. Момент отвода тепла окружающей атмосферы сопровождается ростом относительной влажности воздуха вплоть до значения 100% (полное насыщение).

Температура для этого момента определяется как точка росы. При полном насыщении параметры:

Если тёплым воздухом, всё еще содержащим влагу, обдувается некая поверхность, температура которой ниже ТТР воздуха, влага в составе воздухе конденсируется, что отмечается образованием плёнки (капель) жидкости на поверхности.

Для бытовой сферы разработаны и активно выпускаются различные по исполнению цифровые психрометры — удобные в применении устройства контроля влажности воздуха

Понимание взаимодействия между точкой росы и температурой поверхности важно для определения и предотвращения проблем, которые могут быть связаны с конденсацией, происходящей в системах вентиляции и кондиционирования.

Температура точки росы показана на линии насыщения. Далее определяют ТТР атмосферного воздуха, контактирующего с поверхностью. Если температура поверхности равна или ниже ТТР, на поверхности будет образовываться конденсат.

Что такое коэффициент влажности метода психрометрия?

Под коэффициентом влажности (удельная влажность) понимается фактическая масса водяного пара, содержащаяся в некотором объёме сухого воздуха.

Коэффициент влажности = масса влаги / масса сухого воздуха

Линии коэффициента влажности на психрометрической диаграмме начинаются с вертикальной оси с правой стороны и проходят горизонтально поперёк.

Что такое энтальпия по методу психрометрия?

Энтальпия относится к общей теплоте вещества, обычно выраженной британским исчисляемым стандартом тепловых единиц БТЕ (BTU). Если воздух влажный, энтальпия показывает общее тепло смеси воздуха с водяным паром и отображается в БТЕ на фунт или в кДж (1 БТЕ = 1,055 кДж).

Механические конструкции психрометров, а также конструкции электро-механические продолжают активно применяться в профессиональной области, где выполняются измерения

Сухой воздух при 0ºF имеет общую энтальпию 0 БТЕ / фунт. Значения энтальпии находятся на психрометрической диаграмме по шкале выше и слева от линии насыщения. Линии с постоянной энтальпией наклонены вниз и вправо и, как правило, параллельны линиям «влажного» термометра.

Что такое удельный объём и как рассчитать этот параметр?

Удельный объем является величиной, обратной плотности. Плотность выражается в единицах массы на единицу объёма. Удельная плотность выражается в кубических футах смеси «воздух-вода-пар» на фунт сухого воздуха.

D = M/V

SpV = V/M

где: D = плотность, M = масса, V = объём

Линии определенного объёма на психрометрической диаграмме наклонены вверх и влево от начала по отношению к горизонтальной оси. Таблица ниже содержит конкретные поправочные коэффициенты объёма на высоте:

Понимание того, как плотность воздуха, для которой постоянная равна 1,08 на уровне моря, относится к массе и объёму, помогает понять многие из вышеуказанных свойств, которые рассчитываются в зависимости от воздушных масс, плотностей и объёмов. Это также помогает понять влияние высоты на свойства воздуха.

Стандартные психрометрические карты рассчитываются на уровне моря, но часто предоставляются с корректировками для определённой высоты в местах, где часто встречаются проекты в условиях увеличенной высоты. Для формулы расчёта тепловой нагрузки, отношение плотности воздуха на высоте следует умножить на константу плотности воздуха 1,08.

БТЕ/ч (кДж/ч) = 1.08 (ADR) * CFM * ΔT

где: ADR – коэффициент плотности воздуха; CFM – кубический фут/мин.; ΔT – разница температур

Удельный объём стандартного воздуха на определенной высоте рассчитывается путём умножения на поправочные коэффициенты объёма, представленные в таблице:

давление, мм рт.ст.01,0157503000,9702127226000,9414116969000,9133967012000,8862664615000,8598562218000,8342359921000,8094157724000,7853-0,855627000,7619-2,853630000,7392-4,851633000,7172-6,849736000,6959-8,847839000,6752-10,846142500,6551-12,8444

Изменения плотности воздуха изменяют физические и термодинамические свойства соотношений воздух / вода в смеси. Плотность воздуха, при этом, уменьшается примерно на 3,6% каждые 1000 футов выше 2000 футов над уровнем моря.

Явное и скрытое тепло плюс коэффициенты

Как отмечалось выше, явный нагрев – это событие вызывающее повышение температуры, тогда как скрытый нагрев вызывает только изменение состояния. Термины «скрытый» и «явный» также используются в отношении мощности нагрева и охлаждения.

Общая ёмкость — это ёмкость, необходимая для понижения температуры без воздействия на влажность воздуха, а также скрытая ёмкость, которая включает способность удалять влагу из воздуха. По мере увеличения скрытого нагрева, содержание влаги увеличивается.

Например, вода, прогретая до Т = 100ºC, будет поддерживать эту температуру даже при условии дополнительной подачи тепла. Температура не увеличится, но вода испарится.

Что касается охлаждения: продолжающийся исход скрытой теплоты из воды в точке замерзания приведёт к уменьшению содержания влаги. Соответственно, грядут изменения состояния от жидкого к твёрдому. Однако этот фактор не приведёт к дальнейшему снижению чувствительной температуры.

Коэффициент ощутимого тепла — это отношение ощущаемого тепла к общему количеству тепла. Используя психрометрическую диаграмму, допустимо определить нужный параметр.

Например, энтальпию для возвратного воздуха, поступающего в охлаждающий змеевик при 24ºC и относительной влажности 50%. Значение энтальпии составит 28,7, судя из пути построения точки состояния, определяемой двумя параметрами температуры и влажности.

Наконец, для определения фактического теплового коэффициента необходимо разделить чувствительное тепло 5,4 на общее тепло 7,6, что даст коэффициент теплоты, равный 0,71. Факторы ощутимого тепла, как правило, выше, чем 0,5, поскольку процессы охлаждения обычно удаляют больше ощутимое, чем скрытое тепло.

Чувствительные процессы, как правило, показаны на горизонтальной траектории психрометрической карты, в отличие от латентных процессов. Таковые отображаются на вертикальных путях. Большинство процессов, которые включают оба вида тепла, приводят к угловым или диагональным путям.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник

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