I. Психрометрический метод
Психрометрический метод определения влажности воздуха основан на имеющейся зависимости между скоростью испарения воды и влажностью окружающего воздуха. Практическое осуществление данного метода заключается в следующем.
Берется обычный термометр, резервуар которого обертывается кусочком батиста. Батист смачивается водой. Благодаря хорошей гигроскопичности батиста вся его поверхность становится увлажненной. Этим достигается то, что с поверхности резервуара термометра будет происходить непрерывное испарение воды.
Испарение воды вызывает охлаждение резервуара термометра, температура которого в условиях установившегося теплообмена с окружающей средой будет сохраняться постоянной. Подсчитаем приход и расход тепла для резервуара термометра.
По формулe Дальтона масса М воды, испаряющейся в течение 1 секунды с поверхности резервуара термометра, будет равна
где S — площадь испаряющей поверхности, Р¢H — упругость насыщающего водяного пара при температуре испаряющейся жидкости (т.е. температуре t1),P — упругость водяного пара, содержащегося в воздухе, Н — величина атмосферного давления, К — коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от скорости движения воздуха вблизи резервуара термометра.
Отсюда видно, что количество тепла Q1, теряемого резервуаром термометра за единицу времени, будет равно
где l — удельная теплота испарения воды.
С другой стороны, благодаря возникшей разности температур между резервуаром термометра и окружающей его средой, к резервуару термометра будет поступать количество тепла Q2, которое можно подсчитать по формуле Ньютона:
где t — температура окружающей среды,t1— температура резервуара термометра, S — площадь охлажденной поверхности термометра, b — коэффициент пропорциональности.
В условиях установившегося температурного режима приход тепла к резервуару термометра будет равен расходу тепла на испарение, т.е. Q2 = Q1. Отсюда
Решая это уравнение относительно Р и обозначая дробь b/Kl через a (психрометрический коэффициент), мы находим
Формула (9) носит название психрометрической формулы Реньо.
Подставляя найденное выражение для P в формулу (2), мы находим
Простейшим психрометром является психрометр Августа, который состоит из двух совершенно одинаковых термометров – "сухого" и "влажного", укрепленных на одной дощечке. Резервуар "влажного" термометра обернут кусочком батиста, кончик которого погружен в воду. Если известна величина психрометрического коэффициента a, то определение влажности воздуха сводится к измерению температуры "сухого" термометра — t, температуры "влажного" термометра — t1 и величины атмосферного давления Н. Величины Р¢H и РH могут быть найдены из таблицы зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры.
Несмотря на кажущуюся простоту психрометрического метода, его практическое осуществление осложняется тем, что величина коэффициента a, входящего в формулу Реньо (9), зависит от скорости движения воздуха в непосредственной близости от резервуара "влажного" термометра. С увеличением скорости движения воздуха a уменьшается. Это и понятно, если учесть, что скорость испарения воды с резервуара "влажного" термометра повышается с увеличением скорости движения воздуха (соответственно возрастает коэффициент К в формуле Дальтона (5), входящий в выражение для a). В таблице 3 приведены данные, характеризующие зависимость a от скорости движения воздуха для психрометра Августа. Из этой таблицы видно, что при малых скоростях движения воздуха психрометрический коэффициент меняется очень быстро. Наоборот, при больших скоростях, превышающих 2,5 м/с, он меняется мало.
Поэтому практическое применение психрометра Августа ограничивается тем, что им пользуются только для
| Скорость движения воздуха V, (м/с) | Психрометрический коэффициент a, (град -1 ) |
| 0,13 | 0,00130 |
| 0,25 | 0,00110 |
| 0,50 | 0,00089 |
| 0,75 | 0,00081 |
| 1,00 | 0,00078 |
| 2,00 | 0,00071 |
| 3,00 | 0,00068 |
| 4,00 | 0,00067 |
приближенных определений влажности воздуха в закрытых помещениях, где скорость движения воздуха мала. Обычно с целью облегчения определения влажности воздуха пользуются специальной психрометрической таблицей, вычисленной на основании формулы (10). В ней приводится зависимость между разностью показаний "сухого" и "влажного" термометров психрометра Августа и величиной относительной влажности воздуха r для различных показаний "сухого" термометра. При составлении таблицы принимается, что a = 0,0013 (практически неподвижный воздух). Величина атмосферного давления Н берется равной 980 гПа. Так как колебания атмосферного давления обычно не превышают 2-3% величины атмосферного давления Н, то определение влажности воздуха с помощью психрометрической таблицы приводит к достаточно надежным результатам.
Более совершенным психрометром является аспирационный психрометр Ассмана (рис. 5). Аспирационный психрометр отличается от психрометра Августа тем, что резервуары его термометров помещены в защитные металлические трубки, через них с постоянной скоростью проходит воздух, который засасывается в прибор с помощью аспирационного вентилятора, приводимого в движение часовым механизмом. Блестящая поверхность трубок предохраняет термометры и от нагревания солнцем, и от излучения окружающих тел.
Величина психрометрического коэффициента для психрометра Ассмана имеет значение a = 0,00066 при любых условиях наблюдения. Данное значение несколько отличается от того, которое мы имеем для психрометра Августа при той же скорости движения воздуха (2 м/с), это объясняется тем, что в психрометре Ассмана имеют место иные условия обтекания воздухом резервуара "влажного" термометра, чем в психрометре Августа.
При работе c аспирационным психрометром Ассмана искомое значение относительной влажности вычисляют по формуле (10). В менее ответственных случаях пользуются специальной психрометрической таблицей, в которой приведена зависимость между разностью показаний "сухого" и "влажного" термометров и величиной относительной влажности воздуха для различных показаний "сухого" термометра. При составлении данной таблицы учитывается, что для аспирационного психрометра Ассмана величина психрометрического коэффициента a составляет 0,00066 град -1 . Величина атмосферного давления 900 гПа.
Объяснить сущность психрометрического метода определения влажности воздуха
Основным методом измерения влажности воздуха при положительной температуре является психрометрический. Пcихрометрический метод измерения относительной влажности воздуха основан на зависимости интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита насыщения водяного пара соприкасающегося с ней воздуха. Опредение влажности осуществляется по показаниям двух термометров с точностью 0.1 градус Цельсия. Один термометр измеряет температуру воздуха, а второй термометр обертывают смоченной тканью, таким образом он показывает свою собственную температуру, зависящую от интенсивности испарения воды с поверхности. Чем меньше водяного пара в воздухе, тем сильнее испарение с поверхности второго термометра, и тем ниже его показания. Собственно, такая система из двух термометров и называется психрометр.
Из разницы показаний температур определяется текущее давление водяного пара в воздухе по формуле
где E’ — давление насыщения при температуре второго термометра,
А — постоянная психрометра, принимаемая равной 0.000662,
Р — атмосферное давление, принимается равным 1000 гПа,
t — показания сухого термометра,
t’ — показания смоченного термометра.
Приборы, которые измеряют влажность психрометрическим методом, называются психрометрами. Нашли применение два их типа: станционный психрометр без принудительного обдува и аспирационный психрометр, в котором применяется обдув резервуара смоченного термометра с постоянной скоростью. В этом преимущество аспирационного психрометра, т.к. коэффициент А определяется более надежно. Кроме того, аспирационный психрометр устроен так, что позволяет производить измерения при самых различных погодных условиях без какой либо дополнительной защиты от Солнца и ветра, т.е. может использоваться в походных условиях.
Общим недостатком всех психрометров является ограниченное их применение при температуре ниже -5 -10 о С. При более низких температурах влагонасыщенность воздуха становится очень малой, в результате чего даже незначительные неточности в отсчетах по термометрам приводят к значительным погрешностям при расчете самих значений влажности.
Станционный психрометр представляет собой пару ртутных психрометрических термометров, помещенных в метеорологическую будку на специальном штативе. Резервуар правого термометра обвязан батистом, конец которого погружен в стаканчик с дистиллированной водой (смоченный термометр).
Левый термометр — сухой. Будка имеет стенки в виде двойных жалюзи, что даже при сильных ветрах не приводит к значительному повышению скорости внутри будки, но в то же время имеет место хороший воздухообмен внутри.
Гигрометрический метод (гигро — влажный) основан на свойстве некоторых тел менять свои линейные размеры (деформироваться) при изменении содержания в воздухе водяных паров. Такими свойствами например обладает обезжиренный человеческий волос и различные органические пленки. Так, при изменении влажности от 0 до 100% удлинение волоса составляет около 2,5% от его длинны. Это и положено в основу работы гигрометров и гигрографов. В гигрометрах деформация волоса или пленки с помощью системы рычагов передается на стрелочный указатель, а в гигрографах — на перо, с помощью которого производится запись на ленте на вращающемся барабане. Все приборы этого типа относительные. Хотя их шкалы и отградуированы в значениях относительной влажности, в отсчеты по приборам надо вводить специальные поправки, полученные по результатам параллельных наблюдений по станционному психрометру.
Волосной гигрометр в зимнее время при температурах — 10 о С и ниже является основным прибором, т.к. более точный в иных условиях психрометр не может работать при низких температурах. Переводной график гигрометра строится заранее путем параллельных наблюдений в течение 1 — 1,5 месяца по психрометру и гигрометру до наступления устойчивых морозов. Отсчеты относительной влажности, снятые с гигрометра, переводятся в исправленные значения по переводному графику.
Гигрографы выпускаются как волосные, так и пленочные. Оборот барабана как и у термографа, суточный и недельный. Значения относительной влажности, снятые с ленты, переводятся в исправленные значения по переводному графику, полученному аналогично графику гигрометра.
Часть 3. Психрометрический метод.
Психрометрический метод является одним из наиболее употребительных способов определения влажности воздуха. В основе метода лежит зависимость интенсивности испарения с водной поверхности от дефицита влажности соприкасающегося с ней воздуха. Интенсивность испарения определяется путем измерения понижения температуры термометра, с поверхности которого происходит испарение. Вычисления проводятся по психрометрической формуле
Где 
— парциальное давление водяного пара в воздухе,
— давление насыщенного водяного пара при температуре испаряющей поверхности,
— давление атмосферы,
— температура воздуха и температура испаряющей поверхности соответственно,
— психрометрический коэффициент, величина которого зависит от скорости движения воздуха около смоченного термометра, конструктивных особенностей резервуара термометра, а также от состояния смачиваемой ткани,
— психрометрическая разность.
Часто при определении характеристик влажности воздуха пользуются не психрометрической формулой, а специальными таблицами или номограммой. Номограмма – система линий, по пересечению которых находят интересующую величину.
Поясним принцип построения номограммы для измерения влажности воздуха. Для этого на диаграмме состояний (рис.1) кроме изобар и изотерм проводят систему параллельных прямых с угловым коэффициентом, равным — 
. Искомая изобара
, соответствующая давлению пара в воздухе, происходит горизонтально через точку
— пересечение вертикальнойизотермы, соответствующей комнатной температуре 
и наклонной линии, проведенной из точки
, соответствующей состоянию насыщающего пара около влажного термометра.
К монограмме, поясненной на рис.1, можно добавить систему линий, соответствующих относительной влажности 10%, 20%, 30% и т.д. Тогда, зная температуру влажного термометра и температуру воздуха, можно сразу найти относительную влажность воздуха в процентах. Такая номограмма приведена на рис.2.
Приборы, которые применяются при измерении влажности воздуха психрометрическим методом, называются психрометрами. Психрометры содержат два термометра. Одним измеряют температуру тела 
, с поверхности которого происходит испарение воды (этот термометр называется «смоченным»), другие – температуру окружающего воздуха
(«сухой» термометр). Для измерения влажности воздуха психрометрическим методом используют психрометры двух типов:стационарный психрометр и аспирационный психрометр.
Стационарный психрометр состоит из двух одинаковых термометров установленных (укрепленных) рядом и сосуда для дистиллированной воды. Резервуар одного из термометров обернут батистом, конец которого погружен в сосуд с дистиллированной водой, который установлен так, чтобы уровень жидкости был на 2 см ниже резервуара термометра. Примером стационарного психрометра является бытовой психрометр.
Аспирационный психрометр относится к более точному виду психрометров. Отличие от стационарного состоит в том, что термометры имеют радиационную защиту, а сам психрометр снабжен аспиратором (пружинный вентилятор), который служит для просачивания окружающего воздуха мимо термометров с постоянной емкостью. (Более подробно с устройством аспирационного психрометра можно познакомиться по техническому описанию).
Можно отметить следующие достоинства психромет. способа:
Приборы имеют несложную конструкцию.
Достигается достаточная точность измерения влажности при положительных температурах.
Приборы не требуют специальной градуировки по влажности.
К недостаткам следует отнести:
Резкое понижение чувствительности приборов с понижением температуры, когда абсолютная влажность становится незначительной.
Имеется некоторая зависимость показаний прибора от изменения атмосферного давления и требуется определенная скорость обдува смоченного термометра при использовании стационарного психрометра.
При отрицательных температурах затруднено автоматическое смачивание термометра, и показания прибора зависят от фазового состояния воды на смоченном термометре.
Психрометрический метод является одним из лучших способов измерения влажности при положительных температурах. Этот метод практически не пригоден для измерения влажности при очень низких отрицательных температурах. 
.
Методы измерения влажности воздуха и газа
В настоящее время наибольшее распространение в промышленных приборах получили следующие методы измерения влажности газов и воздуха : психрометрический, точки росы, сорбционный и оптический.
Психрометрический метод измерения влажности основан на измерении психрометрической разности температур между «сухим» и «мокрым» термометрами. Мокрый термометр смачивается через специальный фитиль водой. Испарение, а следовательно, и охлаждение с поверхности мокрого термометра тем больше, чем ниже влажность газа. Поэтому разность температур сухого и мокрого термометров зависит от влажности газа.
Метод точки росы основан на определении температуры, при которой газ становится насыщенным находящейся в нем влагой. Эта температура определяется по началу конденсации водяного пара
на зеркальной поверхности, температура которой может устанавливаться любой в интервале температур работы влагомера.
Сорбционный метод основан на связи физических свойств гигроскопических веществ с количеством поглощенной ими влаги, зависящей от влажности анализируемого газа.
Оптический метод основан на измерении ослабления инфракрасного (ИК) излучения за счет его поглощения парами воды.
Психрометрический метод . В психрометрическом методе используется зависимость между парциальным давлением пара в парогазовой смеси и показаниями сухого и мокрого термометров:
р н.м – р = Ар б (t c – t m ) (1)
где р — парциальное давление пара в парогазовой смеси; р н.м — парциальное давление насыщенного пара при температуре мокрого термометра t m ; р б — барометрическое давление; А — психрометрическая постоянная; t c — температура сухого термометра.
Относительная влажность φ может быть определена из (1) следующим образом:
φ = р/р н.с 100 = 100[р н.м — Ар б (t c – t m )]/ р н.с (2)
где р н.с , р н.м — парциальное давление насыщенного пара при температурах t c и t m .
В связи с тем, что р н.с и р н.м , однозначно определяются t c и t m , то при А = const, можно получить зависимость
φ = f(t c – t m ,t c ) (3)
По этой зависимости можно составить психрометрические таблицы. Таблицы могут быть различными для разных конструкций мокрого термометра. Психрометрическая постоянная А определяется условиями теплоотвода от термометра через фитиль в окружающую среду (размерами и формой резервуара или гильзы термометра, теплопроводностью гильзы и ткани фитиля, смоченностью ткани и другими факторами), поэтому практически для каждой новой конструкции А будет отличным от других. Для обеспечения постоянства А для каждой конструкции обеспечивают такой режим обдува мокрого термометра (как правило, V ≥ 3 м/с), при котором А = const. Зависимость (3) может быть аппроксимирована семейством прямых φ = const в координатах t m ,t c . Полагая, что прямые φ = const пересекаются в одной точке с координатами t a ,t b (рис. 1), можно считать,
φ = f(t m – t a )/(t c — t b ) (4)
Рис. 1. Зависимость относительной влажности от температур «мокрого» и «сухого» термометров :
1 — 5 — φ = 100 %; 80; 60; 40; 20
Рис. 2. Принципиальная схема психрометра с термопреобразователями сопротивления
Принципиальная измерительная схема психрометра с преобразователями сопротивления представлена на рис. 2. При соответствующем подборе плеч мостов можно считать, что Uab = k 1 (t m – t a ) и Ucd = k 2 (t c — t b ). В момент компенсации Uab = Uef = mUcd, где m — относительное положение движка реохорда, тогда
m = k 1 (t m – t a )/ [k 2 (t c — t b )] (5)
Шкала психрометра градуируется в процентах относительной влажности. Возможны различные модификации этой схемы, но, как правило, принцип действия остается неизменным.
Преимущества психрометрического метода — достаточно высокая точность и чувствительность при температурах выше 0 °С. К недостаткам метода относится уменьшение чувствительности и точности при низких температурах, а также погрешность, связанная с непостоянством психрометрической постоянной А.
Метод точки росы . По температуре точки росы можно определить абсолютную влажность или влагосодержание, а если дополнительно измерить температуру газа, то можно определить и относительную влажность. Этот метод один из наиболее точных и позволяет производить измерение влажности при любых давлениях газа как при положительных, так и при отрицательных температурах. Основным чувствительным элементом влагомеров, основанных на измерении температуры точки росы, является зеркало, обдуваемое анализируемым газом. Зеркало необходимо охлаждать, чтобы на нем происходила конденсация влаги, находящейся
в анализируемом газе. Одновременно фиксируется температура, при которой начинается выпадение влаги (росы).
Для технических измерений разработаны автоматические влагомеры точки росы. Одна из схем такого влагомера представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема влагомера точки росы :
1 — канал; 2 — камера; 3 — зеркальная поверхность; 4 — источник измерения; 5 — оптрон; 6 — термобатарея; 7 — термопара
Газ, очищенный от примесей и пыли, по каналу 1 поступает в камеру 2, где соприкасается с зеркальной поверхностью оптического канала 3, по которому световой поток от источника 4 попадает на оптрон 5. Поверхность 3 охлаждается термобатареей 6, работающей на эффекте Пельтье. Принцип ее работы состоит в том, что при прохождении тока через соприкасающиеся поверхности разнородных проводников в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло. Так, снижение температуры на 50 °С может быть получено при пропускании тока в 6 А при напряжении питания 15 В через термоэлектронную батарею размером 40 х 40 х 40 мм, содержащую 127 элементов. При достижении точки росы на поверхность 3 выпадает роса, оптрон запирается и ток через термобатарею 6 прекращается. Термопара 7 фиксирует температуру выпадения росы. Преобразователь точки росы прибора «КОНГ-Прима» измеряет точку росы в диапазоне -30. 30 °С, погрешность составляет ±0,25 и ±1 %.
При практической реализации метода точки росы существуют определенные трудности. Во-первых, фиксация самого момента начала конденсации (выпадения росы) зависит от метода фиксации (оптический, кондуктометрический и т.д.). Во-вторых, температура точки росы может зависеть от состояния поверхности, на которой происходит конденсация. Например, наличие жира или нефтепродуктов на поверхности конденсации существенно занижает температуру точки росы. В-третьих, при измерении влажности агрессивных газов температуры точки росы могут существенно отличаться от расчетных. Кроме того, агрессивные газы вызывают коррозию поверхности, на которой происходит конденсация.
Сорбционные влагомеры . В сорбционных влагомерах чувствительный элемент должен находиться в гигрометрическом равновесии с измеряемым газом. В практике технических измерений
получили распространение следующие разновидности сорбционных преобразователей: электролитические, кулонометрические, пьезосорбционные и деформационные.
В электролитических гигрометрах измерительный преобразователь включает влагочувствительный элемент, содержащий электролит. Изменение влажности газа вызывает изменение количества влаги, содержащейся во влагочувствительном элементе, что приводит к изменению концентрации электролита во влагочувствительном элементе и соответствующему изменению его сопротивления или емкости. В качестве электролита чаще всего применяют хлористый литий. Измерительные схемы электролитических гигрометров представляют собой различные варианты мостовых измерительных схем. К недостаткам электролитических гигрометров следует отнести нестабильность их градуировочных характеристик, а также влияние температуры и концентрации растворенного вещества на их показания.
Электролитические преобразователи с подогревом по своему устройству близки к электролитическим преобразователям. Однако их принцип действия отличается. Изменение электропроводности преобразователя вследствие изменения влажности газа вызывает изменение температуры преобразователя. Если влажность газа увеличивается, то электропроводность преобразователя увеличивается, что приводит к возрастанию тока, увеличению температуры преобразователя и испарению влаги из преобразователя. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению электропроводности, тока и температуры преобразователя.
Таким образом, автоматически поддерживается режим, соответствующий равновесному состоянию между парциальным давлением паров воды в анализируемом газе и парциальным давлением пара над насыщенным раствором электролита. Температура, соответствующая этому равновесию, измеряется каким-либо термопреобразователем. Электролитические гигрометры с подогревом относительно просты и надежны. Их характеристики практически не зависят от запыленности или загрязнения, скорости измеряемого газа, его давления и напряжения питания.
В кулонометрических преобразователях влажность газа определяют по количеству электричества, затраченного на электролиз влаги, которая поглощается частично гидротированным пентаоксидом фосфора. Измерительный преобразователь в этих приборах состоит из пластмассового корпуса, во внутреннем канале которого расположены два электрода в виде несоприкасающихся спиралей. Пространство между электродами заполнено частично гидратированным пентаоксидом фосфора, являющимся хорошим осушителем. Влага газа, соединяясь с гигроскопическим веществом, образует раствор фосфорной кислоты с большой удельной проводимостью. Подключенное к электродам постоянное напряжение вызывает электролиз поглощенной влаги. Количество поглощенной и разложенной воды при постоянном расходе газа одинаково и определяется концентрацией влаги в анализируемом газе.
Преимуществом кулонометрических гигрометров является независимость их показаний от напряжения питания и состава газа. Загрязнения сорбента практически не влияют на показания прибора, метод не требует градуировки на эталонных смесях и хорош для измерения микроконцентраций влаги в газах.
К недостаткам метода относится необходимость исключения паров и газов, имеющих щелочную реакцию (аммиак, амины). Их присутствие выводит из строя чувствительный элемент. На показания существенно влияют пары спиртов, которые гидролизуются на пентаоксиде фосфора с образованием воды.
В пьезосорбционных гигрометрах используется зависимость частоты собственных колебаний кварцевого резонатора от массы влаги, поглощенной сорбентом, нанесенным на поверхность кварцевой пластины.
Метрологические характеристики пьезосорбционных гигрометров определяются материалом сорбента и технологией его нанесения на поверхность кварцевой пластины. Применение в качестве сорбентов силикагеля, цеолитов, сульфированного полистирола позволяет использовать пьезосорбционный метод для измерения микроконцентраций влаги в газах. Конструкция чувствительного элемента прибора достаточно проста.
Пьезосорбционные гигрометры требуют градуировки по газовым смесям с известной влажностью. Возможны дополнительные погрешности за счет сорбирования помимо влаги других примесей анализируемого газа. Пьезосорбционные гигрометры применяются в химической промышленности и при испытаниях материалов и изделий в термобарокамерах.?
Гигрометры для измерения влажности газов производятся отечественными фирмами: ИПТВ 056 (ф. «Элемер»), зарубежными фирмами: мод. 340, серия 800 (ф. Rosemount), мод. 4112 (ф. Honeywell), Dewcel (ф. Foxboro), мод. 70 (20—23, 31, 32, 51) (ф. Jumo) и др.