ГМИ методичка

Рис. 5.4. Лабораторная установка для измерения влажности

Смочите термометр с помощью специальной пипетки. Смачивание должно производиться дистиллированной водой, имеющей комнатную температуру. Капли воды не должны оседать на стенках металлических колпачков термометра. Включите в сеть мотор электровентилятора психрометра. В момент смачивания пустите секундомер и фиксируйте температуру в зависимости от времени.

Рекомендуется брать отсчеты через каждые 5 с до тех пор, пока температура смоченного термометра не станет постоянной. Будьте готовы к тому, что необходимое количество отсчетов может составить несколько десятков! Эту часть работы необходимо выполнять вдвоем – один снимает отсчеты и следит за секундомером, а второй записывает показания под диктовку наблюдателя. Убедившись

втом,чтотемпературасмоченноготермометрастабилизировалась– например, не изменяется в течение 1–2 мин – прекратите отсчеты. Одновременно фиксируйте температуру сухого термометра, однако

втечение времени опыта она не должна сильно измениться. Поэтому достаточно снять лишь два отсчета по сухому термометру – в начале и в конце опыта.

По психрометрическим таблицам определите относительную влажность воздуха и парциальное давление водяного пара e. Учтите, что для пользования таблицами необходимо измерить атмосферное давление. Измерьте его по барометру, имеющемуся в лаборатории. Запишите результат измерения в мм рт. ст. и в гПа.

2.Далее исследуйте электрический психрометр. Проверьте подключение к схеме сухого и смоченного терморезисторов. Проверьте состояние смоченного терморезистора. Для этого отвинтите

61

накидную гайку 6 (рис. 5.1) и аккуратно выньте терморезистор. В случае необходимости смочите его и вставьте обратно, завинтив накидную гайку. Затем сразу же приступайте к измерениям. Подайте с помощью ЛАТРа (рис. 5.4) на мотор электровентилятора напряжение, соответствующее желаемой скорости аспирации (рекомендуется начинать измерения со скорости V = 0,1 м/с). График зависимости скорости аспирации от напряжения питания электромотора помещен перед установкой.

Включите блок пульта измерительной схемы (рис. 5.4) (в том, что она включена, убедитесь по индикаторной лампочке) и поставьте переключатель в положение «К». Настройте питание моста ручкой «контроль питания», установив стрелку прибора на 100 μА. Поставьте переключатель в положение «Т’» для измерения температуры смоченного термометра. Наблюдайте перемещение стрелки по шкалеиприеёполнойостановкеснимитеотсчетt’.Затемпоставьте переключатель в положение «Т» и снимите отсчет температуры сухого термометра.

Внимание! Снимать отсчет t’ можно лишь при полной остановке движения стрелки! В противном случае Ваша торопливость может привести к искажению результатов! Время ожидания может составить около 5 минут.

Установите новое значение скорости аспирации и повторите опыт. Снимите 6–7 отсчетов при разных значениях скорости аспирации. Разумеется, каждый раз необходимо выждать время до полной остановки стрелки.

Параллельно снимайте отсчеты по аспирационному психрометру. Они будут необходимы для определения значения e – парциального давления водяного пара в воздухе. Ожидается, что в течение времени Вашей работы парциальное давление e существенно не изменится.

3. Выключите все блоки установки. Покажите результаты работы преподавателю или инженеру. Уберите свое рабочее место.

5.3.Обработка результатов

1.Постройте график зависимости температуры смоченного термометра аспирационного психрометра от времени. Проанализируйте ход графика.

2.По показаниям сухого и смоченного термометра аспирационного психрометра, полученным при выполнении п. 1, определите

62

по психрометрическим таблицам парциальное давление водяного пара e (не забудьте ввести поправку на давление) и относительную влажность f. Учтите, что в этом случае следует использовать только значение t’, соответствующее установившейся разности температур, т. е. конечным отсчетам в опыте п. 1.

3. По психрометрическим таблицам определите значения Е’– давление насыщения при разных значениях t’, измеренных электрическим психрометром, при разной скорости аспирации V.

4. Решите уравнение (5.1) относительно А и определите значение психрометрического коэффициента, подставляя в полученное Вами выражение для А последовательно значения t – t’, P, E’ и e, которые Вы получили при выполнении п.п. 2,3. Сделайте расчеты А для всех скоростей аспирации, которые Вы использовали в работе.

5. Постройте графическую зависимость А(V), где V – скорость аспирации. Найдите значение A∞ в формуле 5.2. Это можно сделать

графически.Чтобыпояснить,какэтоделается,заменимпеременную

	в формуле (5.2) на x =	1	. Тогда формула (5.2) приобретет вид:
		V
			A = A∞ (1+ ax),	(5.3)

что, как известно, является уравнением прямой. Прямую легко экстраполировать, поэтому постройте график зависимости A(x), для

чего придется вычислить значения x = 1V . Построенный Вами график должен иметь примерный вид (рис. 5.5).

Рис. 5.5. График зависимости A(x)

63

Результаты опытов нанесены на рисунок точками. Сплошная линия – прямая, аппроксимирующая эти результаты, пунктирная линия – экстраполяция этих результатов к оси ординат (x = 0, т. е. V → ∞), что соответствует значению A∞.

Постройте график, аналогичный изображенному на рис. 5.5 и определите значение A∞ для психрометра, который Вы использова-

ли в работе.

Проанализируйте построенные графики A(V) и A(x). Как Вы считаете,прикакойскоростидостаточнохорошовыполняетсяусловие A = A∞ ? Достигли ли Вы этой скорости в Вашей работе? Сде-

лайте вывод о том, насколько электрический психрометр, который Вы использовали в работе, близок к идеальному.

5.4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1. Краткие сведения из теории.

2. Описание последовательности операций, выполняемых в работе.

3. Таблицу значений t’, снятых по аспирационному психрометру.Графическуюзависимостьt’(t)дляэтогоопытаиееанализ.Значение влажности, определенное в п. 1.

4. Таблицу значений t, t’ и V, измеренных в опытах с электрическим психрометром. Значения величин t и t’, измеренных по аспирационному психрометру, а также величин f и e, определенных по психрометрическим таблицам. Значения Е’, определяемые по таб­ лицам­ и психрометрического коэффициента А, определяемых по формуле (5.1).

5. Графическую зависимость А(V) и ее анализ.

6. Графическую зависимость A(x), необходимую для определения значения A∞. Значение A∞, определенное с помощью этого гра-

фика. Значение скорости, при которой достаточно хорошо выполняетсяусловие A = A∞ .Выводотом,насколькоэлектрическийпсихро-

метр, который Вы использовали в работе, близок к идеальному.

5.5.Контрольные вопросы

1.Почему в ненасыщенном воздухе температура смоченного термометра ниже температуры сухого термометра?

64

2.В каком случае температура смоченного термометра равна температуре сухого?

3.Температура сухого термометра –12 °C, а температура смо- ченноготермометра–11,7°C.Вкакуюпогодувозможнытакиепока- зания? Объясните, какой процесс нагревает смоченный термометр?

4.Какие потоки тепла действуют на смоченный термометр?

5.Нарисуйте график изменения температуры смоченного термометра, приняв за нуль момент смачивания. Проанализируйте соотношение между потоками тепла в разные промежутки времени.

6.Что такое установившееся состояние для смоченного термо-

метра?

7.Напишите формулу для вычисления парциального давления водяного пара e по показаниям сухого и смоченного термометров. Выразите величину психрометрического коэффициента А из этой формулы.

8.Какие параметры термометра входят в формулу для психрометрического коэффициента? Напишите эту формулу.

9.От каких атмосферных параметров зависит психрометрический коэффициент?

10.Нарисуйте графическую зависимость психрометрического коэффициента от скорости ветра. Объясните, почему она имеет такой вид?

11.Как пользоваться психрометрическими таблицами для определения влажности? Поясните на примере.

12.Можно ли во время измерений заменить смоченный термометр термометром другой марки?

13.Что такое идеальный психрометр? Как сделать термометр для психрометра, близкого по своим свойствам к идеальному?

14.На графике A(V) нарисуйте несколько кривых с разным наклоном. Какая из них характеризует психрометр, близкий к идеальному?

15.Напишите формулу зависимости A(V).

16.Какими преимуществами обладает аспирационный психрометр по сравнению со стационарным?

17.Что такое чувствительность психрометра?

18.Нарисуйте графическую зависимость чувствительности психрометра от температуры. Каков порядок величины чувствительности?

19.Как объяснить, почему чувствительность психрометра является отрицательной величиной?

65

20.Поясните, каковы основные правила смачивания термометра аспирационного психрометра?

21.Каким образом Вы будете снимать зависимость показаний смоченного термометра от времени? Как следует подготовить рабочую тетрадь для этого?

22.При снятии зависимости t’(t) Вы получите ряд значений t’. Какое из них Вы используете для определения влажности?

23.Как подготовить исследуемый (электрический) психрометр для работы?

24.Как по показаниям электрического и аспирационного психрометров определить психрометрический коэффициент для электрического психрометра?

25.Каким образом Вы будете устанавливать скорость воздушного потока в опытах с электрическим психрометром?

26.Поясните схему электрического психрометра. Как Вы будете пользоваться ключами, имеющимися на схеме, при выполнении работы?

27.Вы установили новое значение скорости обдува электрического психрометра и собираетесь измерить разность температур t – t’. Однако, стрелка измерительного прибора непрерывно медленно движется. Каковы Ваши действия?

28.Какие графики Вы должны построить при обработке результатов?

29.Как определить графически величину A∞?

30.Какова размерность психрометрического коэффициента А?

31.Можно ли представить условия, при которых температура смоченного термометра окажется выше, чем сухого? Какие это условия?

5.6.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы. Учебник по курсу. 2012. С. 67–75.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеоро-

логические измерения». http://gmi.rshu.ru. Тема 2.1.

Рис. 6.1. Зависимость массы воды, поглощенной пленкой,

от относительной влажности воздуха

6. Электрохимический сорбционный гигрометр АГС-210. Лабораторная работа № 6

Цельработы–изучитьпринципдействияавтоматическогосорб­ ционного гигрометра АГС-210. Исследовать зависимость электрического сопротивления чувствительного элемента гигрометра АГС-210 от влажности воздуха. Изучить электрическую схему прибора.

6.1. Электрохимический сорбционный гигрометр АГС-210

Автоматический сорбционный гигрометр АГС-210 является разновидностью электрохимических гигрометров. Общие сведения о них изложены в книге [1]. Перед выполнением работы студенты должны изучить соответствующий раздел этой книги. Принцип действия гигрометра состоит в следующем.

Чувствительным элементом гигрометра является влагосорбирующая пористая органическая пленка, содержащая смесь различных солей. При внесении чувствительного элемента во влажный воздух происходит сорбирование влаги – молекулы водяного пара поглощаются пленкой и растворяют находящиеся в ней солевые компоненты. Количество сорбированной влаги возрастает при увеличении относительной влажности и, соответственно, снижаются при ее уменьшении. В силу того, что процесс диффузии воды с поверхности пленки вглубь идет с конечной скоростью, масса поглощенной воды не является, строго говоря, однозначной функцией.Изображаяэтузависимость графически (рис. 6.1), можно заметить явление гистерезиса – при увеличении

67

относительной влажности масса поглощенной воды оказывается несколько меньшей, чем при уменьшении влажности.

Количество насыщенного раствора, образующегося при растворении солевых компонент пленки, однозначно связано с электрическим сопротивлением пленки. Следовательно, для измерения влажности достаточно измерить сопротивление пленки. Однако, с учетом явления гистерезиса, зависимость сопротивления пленки от влажности также неоднозначна. Легко понять, что при достаточно медленном изменении влажности процесс диффузии успевает практически закончиться и погрешность, вносимая гистерезисом, становится весьма малой. Уменьшению гистерезиса способствует также уменьшение толщины пленки.

Технически датчик влажности гигрометра АГС-210 представляет собой пластиковый цилиндр, на поверхность которого намотаны параллельно друг другу два платиновых электрода. Поверх электро­ дов­ на корпус датчика нанесена влагочувствительная пленка. Для защиты пленки от механических повреждений датчик защищен кожухом с прорезями для циркуляции воздуха.

Сопротивление влагосорбирующей пленки (как и любого другого электролита) зависит от температуры. В данном случае эта зависимость нежелательна, поэтому в приборе предусмотрена компенсация зависимости сопротивления пленки от температуры.

При рассмотрении схемы прибора следует иметь в виду еще одно обстоятельство. Измерение электрического сопротивления влагосорбирующей пленки – гигристора – сопровождается пропусканием тока через пленку. Если использовать постоянный ток, то возникает электролиз раствора – на электродах будет осаждаться ионы соответствующих знаков, раствор разлагается. Чтобы этого избежать, через датчик пропускают переменный ток. Однако, для дальнейших каскадов измерения удобно воспользоваться именно постоянным током, поэтому в состав схемы включаются выпрямляющие элементы.

Электрическая схема прибора. Измерение сопротивления ги-

гристора Rf осуществляется с помощью мостовой схемы, собранной на резисторах Rf + Rн; R1, R2 и R3 (рис. 6.2). Благодаря включению диодов VD1–VD4 мостовая схема становится фазочувствительной – с измерительной диагонали снимается постоянное напряжение, пульсации сглаживаются конденсаторами С1 и С2.

На усилитель У1 (собранный на микросхеме) через R4 поступаетпостоянноенапряжение,значениекоторогозависитотвлажности

68

Рис. 6.2. Электрическая схема сорбционного гигрометра АГС-210

и температуры. Для компенсации температурной зависимости в состав прибора введен терморезистор Rt. Терморезистор включается вмостовуюсхемупостоянноготокаRt–R7–R8–R8’.Схемапредставляет собой неуравновешенный термометр сопротивления, особенностью которого является применение переменного резистора, содержащего два плеча моста – R8 и R8’. Плечи регулируются при настройке прибора.Напряжениесизмерительнойдиагоналимостапоступаетчерез делитель R10–R11 на вход усилителя У1. Элементы всей схемы подобраны так, что если напряжение, поступающее с влагочувствительного моста, увеличивается при изменении температуры, то напряжение с термочувствительного моста уменьшается, и наоборот. Происходит полная компенсация – алгебраическая сумма напряжений зависит только от влажности, но не зависит от температуры. После усиления выходной сигнал подается через резистор R6 на выходной прибор, показания которого могут корректироваться резистором R12.

Длянастройкиприборавкомплектгигрометравходятимитаторы влажности и температуры. Они представляют собой постоянные резисторы, которые включаются вместо соответствующих датчиков. Значения этих резисторов подобраны так, что при включении одного из них указатель прибора устанавливается в конце шкалы

69

(95%), а при включении другого – в начале шкалы (30%). Прибор укомплектован четырьмя имитаторами – ИВН (имитатор влаж­ ности, начало), ИВК (имитатор влажности, конец), ИТН (имитатор температуры, начало), ИТН (имитатор температуры, конец). Если же при включении имитаторов указатель прибора показывает другие значения, то прибор отрегулирован неправильно и регулировка должна быть проведена заново.

Конструктивно прибор состоит из блока усиления, к которому подключается с помощью кабелей датчик влажности, датчик температуры, измерительный прибор и сетевой шнур. При установке прибора датчики размещаются непосредственно в контролируемой среде. В лабораторную установку с учебной целью включен измерительный блок, в котором размещены оба датчика, измерительный прибор, имитаторы и переключатели. Для снятия зависимости R(f) лабораторная установка укомплектована набором резисторов, которые вставляются в специальное гнездо на передней панели прибора (измерительного блока). При этом датчик вместе с резистором RH отключается.

6.2. Порядок выполнения работы

Для выполнения работы необходимы:

––аспирационный психрометр;

––барометр;

––психрометрические таблицы;

––сорбционный гигрометр;

––лабораторная установка для измерения влажности;

––набор резисторов, имитирующих различную влажность.

1.Проверьте правильность подключения датчика влажности, датчика температуры и измерительного прибора к блоку усиления.

2.Включите установку в сеть и выдержите ее во включенном состоянии 30 минут для прогрева.

3.Проведите настройку канала термокомпенсации, установив переключатель рода работ в положение «настройка термокомпенсации». При этом весь канал измерения влажности отключается от входа усилителя. Подключите вместо терморезистора имитатор температуры «ИТН», повернув переключатель измерительного блока в положение «ИТН». Установите указатель показывающего прибора на начальную отметку шкалы вращением резистора «термокомпенсация – начало» на панели блока усиления. Далее, повернув

70