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.

 

Психрометрический метод основан на измерении влажности воздуха по понижению температуры тела при испарении с его поверхности, за счёт затраты тепла на испарение воды. Приборы, основанные на психрометрическом методе, называются психрометрами (например, МВ-4-2М, М-34М).

 

В психрометре используются два термометра, у одного из которых (смоченный термометр) резервуар обёрнут смачиваемым батистом. Вследствие испарения с поверхности батиста температура смоченного термометра будет ниже температуры сухого термометра, показывающего температуру воздуха, и тем ниже, чем меньше влажность воздуха.

 

Парциальное давление водяного пара в воздухе определяется по психрометрической формуле, на основании которой составлены психрометрические таблицы:

 

е = E` - Ap (t - t)' · (1 + 0, 00115 · t`), гПа,

 

где E` - парциальное давление водяного пара, насыщающего пространство, при температуре смоченного термометра;

А - психрометрический коэффициент, учитывающий скорость движения воздуха;

р - атмосферное давление, гПа;

t и t` - соответственно температура сухого и смоченного термометров, °С;

(1 + 0, 00115 · t`) - учитывает зависимость теплоты испарения от температуры.

 

 

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 (Δ е) 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 +Δ e, а если P > 1000, то –Δ e.

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.

2 – 3см от края стакана

3 – 5 мм зимой

5 – 6 см летом

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 батист а 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.

ВОЛОСНОЙ ГИГРОМЕТР.

Волосной гигрометр (рис. 26) применяется для определения относительной влажности воздуха. При температуре воздуха ниже —10°С он является основным прибором для наблюдений за влажностью воздуха.

Рис. 26. Волосной гигрометр.

Устройство. Приемной частью гигрометра служит обезжиренный человеческий волос 1, натянутый на металлическую раму 2. Один конец его закреплен в нижней части регулировочного винта 3, другой — в отверстии металлической дужки 5, насаженной на стержень 6, зажатый винтом 9. Стержень 6 и стрелка 8 укреплены на одной оси 11. Поэтому изменение длины волоса в результате изменения влажности воздуха вызывает поворот, стрелки вокруг оси и смещение ее свободного конца по шкале 10 с делениями от 0 до 100%. Цена деления равна 1% относительной влажности. Волос поддерживается в натянутом состоянии грузиком 7, которым заканчивается стержень 6.

Волосной гигрометр устанавливают в психрометрической будке между сухим и смоченным термометрами.

Волосной гигрометр — относительный прибор. Поэтому в его показания вводят поправку, которую получают путем сравнения показаний гигрометра с показаниями психрометра.

Для определения поправки строят график по ежедневным отсчетам психрометра и волосного гигрометра в течение одного месяца до наступления морозов: по оси абсцисс откладывают относительную влажность по гигрометру, по оси ординат — относительную влажность по психрометру (рис. 27).

Рис. 27. График для сравнения гигрометра и психрометра.

 

Если наблюдения и состояние гигрометра были удовлетворительными, то все точки, соответствующие влажности воздуха по психрометру и гигрометру, располагаются узкой полосой, идущей под углом, близким к 45° к осям координат, через которые проводят плавную линию зависимости. Исправленные значения влажности воздуха находят по графику, пользуясь линией зависимости, или по таблице, составленной на основании данных, снятых с графика (такая таблица дана с правой стороны рис. 27). Показания гигрометра в этой таблице даны в левой графе (десятки) и верхней горизонтальной строке (единицы). Исправленное значение влажности воздуха определяется на пересечении десятков и единиц влажности воздуха по гигрометру. Допустим, отсчет по гигрометру составляет 75%. Исправленное значение относительной влажности воздуха (по таблице) будет 73%.

Гигрограф (рис. 28) применяется для непрерывной регистрации относительной влажности воздуха. Гигрографы изготавливаются двух видов: волосные (чувствительный элемент – человеческий волос) и пленочные (чувствительный элемент – органическая пленка). Гигрографы могут быть с суточным и недельным заводом.

Приемником волосного гигрографа является пучок обезжиренных волос (30-40 штук), натянутых между стойками (3). Укорачивание или удлинение этого пучка передается стрелке (6) с пером на конце, которое чертит на ленте, навернутой на барабан с часовым механизмом (1), кривую относительной влажности воздуха.

Рис. 28. Гигрограф: 1 - барабан, 2 - зажимная пружина, 3 - пучок волос, 4 – криволинейный рычаг, 5 - грузик, 6 – стрелка с пером

Гигрограф является относительным прибором, поэтому его показания необходимо сравнивать с показаниями психрометра. Для этого во время отсчета по психрометру делают засечки времени на ленте гигрографа легким подъемом пера.

Обработка ленты производится графическим методом по отсчетам гигрографа и данным психрометра, аналогично тому, как это делается для определения поправок волосного гигрометра.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА.

Цель работы: ознакомиться с устройством и установкой приборов для измерения параметров ветра. Приобрести навыки производства наблюдений за ветром.

Оборудование: Флюгер Вильда, АРИ – 49, МС – 13.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Ветром называют горизонтальное перемещение воздуха относительно земной поверхности. Ветер характеризуется направлением и скоростью.

В понятии ветер различаются числовая величина скорости ветра, выражаемая в м/с, км/ч или условных единицах (баллах), и направление, откуда дует ветер.

Превышение среднего значения скорости ветра более 4 м/сек, в течение 2 сек и более, называется порывом.

Направлением ветра принято считать азимут точки, откуда ветер дует.Для обозначения направления указывают либо румб (по 16-румбовой системе), либо угол, который горизонтальный вектор скорости ветра образует с меридианом (причем север принимается за 360⁰ или 00⁰, восток - за 90⁰, юг - за 180⁰, запад - за 270⁰). Направление ветра в градусах отсчитывают, начиная от северного румба по часовой стрелке.

В основу работы большинства приборов, измеряющих скорость и направление ветра, положено действие динамического давления, оказываемого воздушным потоком на расположенную в нем твердую поверхность подвижной приемной части прибора.

Скорость и направление ветра на метеорологических станциях измеряют на высоте 10-12м от поверхности земли. Скорость и направление измеряются двумя различными датчиками, которые обычно конструктивно оформлены в один ветроизмерительный прибор.

ФЛЮГЕР ВИЛЬДА.

Флюгер Вильда (рис. 29.) - это простейший прибор, указателем скорости ветра которого, является свободно подвешенная прямоугольная пластина, а указателем направления флюгарка. Флюгер устанавливают на открытой площадке строго вертикально на деревянном столбе или металлической мачте высотой 10-12м от поверхности земли или на крыше здания. Над крышей он должен возвышаться не менее чем на 4м.

Рис. 29. Флюгер Вильда станционный. 1 – флюгарка; 2 – противовес; 4 - муфта со штифтами направления 3; 5 – доска; 6 - горизонтальная ось; 7 - вертикальная ось; 8 – дуга со штифтами; 9 – несущая рамка; 10 – противовес.

Флюгер состоит из 2 узлов. Один, неподвижно закрепляемый на мачте, собран на вертикальной оси. На нижнем конце оси укреплена муфта с восемью радиально расположенными штифтами, указывающими направление стран света. На конце одного из штифтов укреплена буква «С». Второй, узел подвижный, может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, и собран на трубке. Трубка свободно надевается на ось, опираясь на ее верхний заостренный конец. На трубке укреплена флюгарка с противовесом и перпендикулярной ей несущая рамка. В опорах рамки установлена горизонтальная ось, к которой прикреплена доска. Доска может, отклоняться от вертикального положения в сторону хвоста флюгарки. На рамке имеется дуга с восемью штифтами, которым присвоены номера от 1 до 7 и служит шкалой скорости. Под воздействием ветра, флюгарка устанавливается по направлению ветра. При этом весь подвижный узел поворачивается так, что доска оказывается перпендикулярной направлению ветра и отклоняется на тот или иной угол в зависимости от скорости ветра, останавливаясь у соответствующего штифта.

ПОРЯДОК НАБЛЮДЕНИЙ.

Направление ветра определяется по положению противовеса флюгарки относительно горизонтальных штифтов, совпадающими с восемью основными румбами. Для этой цели флюгарка при установке флюгера ориентируется по сторонам света.

Для измерения среднего направления ветра наблюдатель должен, встав около мачты под указателем направления, отметить среднее положение колебаний флюгарки за 12 – 15 сек, определив глазомерно румб.

Скорость ветра определяется по положению доски относительно штифтов дуги. Флюгер имеет две модификации – флюгер с легкой (200г) и тяжелой (800г) доской. Легкая доска обеспечивает измерение скорости до 20м/с, а тяжелая до 40м/с. Положение доски определяется номером штифтов, расположенных по дуге смещения доски.

При измерении скорости ветра наблюдатель должен отойти от столба в направлении, перпендикулярном положению флюгарки, в продолжение 12-15 сек наблюдать за положением доски и отметить среднее положение за это время (номер штифта). Значение скорости ветра определяется согласно таблице 1.

 

Таблица 1 - Определение скорости ветра по положению доски флюгера

 

Положение доски	Скорость ветра (м/с)	Положение доски	Скорость ветра (м/с)
легкая доска	тяжелая доска	легкая доска	тяжелая доска
Штифт 0			Штифт 4
Между штифтами 0 и 1			Между штифтами 4 и 5
Штифт 1			Штифт 5
Между штифтами 1 и 2			Между штифтами 5 и 6
Штифт 2			Штифт 6
Между штифтами 2 и 3			Между штифтами 6 и 7
Штифт 3			Штифт 7
Между штифтами 3 и 4

АНЕМОМЕТР РУЧНОЙ МС-13

Ручной анемометр чашечный со счетным механизмом применяется для измерения средней скорости ветра за какой-либо промежуток времени (рис. 30).

Рис. 30. Анемометр механический МС-13. 1 – вертушка, 2 – ось, 3 – душка, 4 – корпус, 5 – циферблат, 6 – арретир, 7 - ушко, 8 – установочный винт. Это один из простых и точных приборов для измерения скорости ветра в диапазоне от 1 до 20 м/с. Обычно используется интервал осреднения от 1 до 10 минут. Включаться и выключаться прибор может дистанционно с расстояния до 10 метров с помощью шнурка – тяги. Прибор исключительно удобен в полевых условиях, используется он также при градиентных измерениях.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ МС-13.

Принцип работы МС-13, аналогичен работе механических часов. Приемником анемометра является крестовина с четырьмя полушариями, обращенными выпуклостью в одну сторону, или вертушка 1. Она крепится на металлической оси 2 с системой зубчатых колес, передающих движение трем стрелкам счетного механизма. Циферблат 5 счетного механизма имеет соответственно три шкалы, по которым отсчитывают тысячи, сотни, десятки и единицы оборотов. По показаниям большой стрелки отсчитывают десятки и единицы оборотов. Циферблат имеет 100 делений (от 0 до 100). По показаниям двух маленьких стрелок отсчитывают сотни и тысячи оборотов, соответствующие им циферблаты имеют по 10 делений. На циферблате одной из них написано «сотни», на другой — «тысячи». При полном обороте большой стрелки маленькая стрелка на циферблате с надписью «сотни» повернется на одно деление.

Счетный механизм включается и выключается арретиром, выступающий конец которого расположен сбоку корпуса и имеет вид подвижного кольца 6. Движением арретира 6 вверх (против часовой стрелки) счетчик анемометра включают, а движением вниз (по часовой стрелке) — выключают.

В корпусе прибора по обе стороны арретира 6 ввинчены два ушка 7 для того, чтобы включать и выключать прибор, когда он установлен выше уровня глаз. Для этого к арретиру 6 привязывают шнурок, а концы его пропускают в ушки 7. Если потянуть за шнурок нижнего ушка, то счетный механизм будет отключен, а за шнурок верхнего ушка — включен. В нижней части прибора имеется винт 8 для установки анемометра на деревянном столбе.

ПРОВЕДЕНИЕ НАБЛЮДЕНИЙ.

Перед наблюдением при выключенном счетчике записывают начальные показания, т. е. положение всех трех стрелок на циферблатах (тысячи, сотни, десятки, единицы), и устанавливают анемометр на заданной высоте. Через 1—2 мин, когда скорость вращения полушарий установится, счетчик анемометра включают. Через определенное время (на практике чаще всего анемометр включают на 100с) счетчик выключают и вновь записывают показание прибора (тысячи, сотни, десятки, единицы) и время работы прибора в секундах. Секундомер включают и выключают одновременно с арретиром анемометра. Разность отсчетов D_n делится на разность времени D_t в секундах и находится число оборотов в секунду. По этой величине с тарировочного графика снимается скорость ветра.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: