Измерение влажности

   Цель работы - изучение методов измерения влажности воздуха и рассмотрение их практического применения. Определение влажности имеет огромное значение при исследовании различных атмосферных явлений, её измерение и регулирование необходимо для некоторых видов производств (ткацкое, кондитерское и др.), в жилых отсеках космических кораблей, в библиотеках, музеях и т.д. Следовательно, выбранная тема является актуальной и перспективной. 

   Задачи: 1. Сбор материала по выбранной теме, изготовление самодельных приборов, регистрирующих влажность воздуха или её изменение и работа с ними, то есть, снятие показаний и обработка результатов; 2. Воплощение каких-либо самостоятельных творческих технических идей в виде конкретных изделий, имеющих практическое значение и достаточно хорошо работающих по выбранной схеме и в заданном режиме. Новизной, в данном случае, стали авторские разработки: 1. Конденсационные гигрометры а) с применением мультиметра с терморезистором, б) на базе элемента Пельтье; 2. Осушитель воздуха на элементе Пельтье; 3. Вариант простого автоматического механического устройства для регулирования влажности внутри помещений; 4. Электрических схем применения датчика влажности воздуха в салоне легкового автомобиля для включения обогрева заднего или ветрового стекла. (Автомобильная промышленность является широким полигоном для реализации всевозможных технических разработок и новинок, а рассмотренная модель могла бы, в конечном итоге, пополнить копилку перспективных идей в отечественном производстве. Самодельный прибор авторской конструкции достаточно успешно эксплуатируется уже более двух лет, что повышает практическую значимость этой части работы.)

   Насыщенный пар. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. То есть, в данном объёме при данной температуре не может находиться большее количество пара. Концентрация молекул, плотность и давление насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объёма.

   Абсолютная и относительная влажность. Абсолютная влажность показывает, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объемом 1 см. при данных условиях, то есть плотность водяного пара. Но по ней или по парциальному давлению водяного пара ещё нельзя судить о том, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. А именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Поэтому вводят относительную влажностью воздуха. Это отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах. 

   Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы. Точка росы также характеризует влажность воздуха.

   Для определения влажности воздуха существуют приборы: гигрометры ( от греч. Hygros- влажный) и психрометры ( от греч. Psychros- холодный).  
Гигрометры
Гигрометры бывают конденсационные, электролитические, весовые и др. Для автоматической непрерывной записи показаний используют гигрографы.
1). Конденсационный гигрометр. Он состоит из металлической коробочки 1. Её передняя стенка 2 отполирована и окружена кольцом 3. 4 – теплоизоляция, 5 – резиновая груша, 6 – термометр. Если внутрь залить легко испаряющуюся жидкость, то продувая воздух через коробку с помощью груши, можно вызвать интенсивное испарение жидкости и охлаждение коробки. По термометру смотрят точку росы, а по таблице плотности насыщенного водяного пара определяют абсолютную влажность воздуха.
2). Волосной гигрометр. Его действие основано на свойстве человеческого волоса удлинятся при увеличении относительной влажности воздуха.
3). Гигрометр волосной в круглой оправе. Приёмник влажности 1, состоит из двух пучков равномерно натянутых обезжиренных человеческих волос, соединенных через рычаг 2. Изменения длины волос передаются на стрелку при помощи передаточного механизма, из двух рычагов 2 и 3,блока 5 и шёлковой нити 6. Пружина 7 поддерживает подвижную систему механизма в натянутом состоянии. 4- регулировочный винт.
4). Гигрометр с органической плёнкой. Чувствительный элемент - органическая плёнка животного происхождения, способная изменять длину при изменении количества водяного пара в воздухе.
5). Весовой. При поглощении влаги вес увеличивается. Следовательно, можно узнать абсолютную влажность с помощью гигроскопичных веществ: ваты, хлорида натрия и др.
6). Электролитический. При повышении влажности, например, поваренной соли NaCI, так как она гигроскопична, электрическое сопротивление уменьшится, в связи с увеличением количества свободных носителей электрического заряда (положительных ионов натрия и отрицательных хлора). К гигроскопичным веществам также относятся хлорид кальция, силикагель и др.

Психрометры. Психрометр состоит из двух термометров. Резервуар одного из них остаются сухим, и он показывает температуру воздуха. Резервуар другого окружён полоской ткани, конец которой опущен в воду. По разности температур термометров с помощью специальных таблиц и графиков определяют абсолютную и относительную влажность воздуха, точку росы, максимальное парциальное давление паров в воздухе, дефицит влажности. Распространенные приборы: станционные, аспирационные и диагностические. 
1). Психрометр бытовой.
2).Аспирационный, (диапазон измерения относительной влажности при температуре окружающей среды от – 10 до + 40 С в процентах от 10 до 100%.

    Использование полупроводников. Современные термометры могут быть изготовлены с применением полупроводников, следовательно и психрометры. Четырёхвалентный Si или Ge образует парноэлектронные (ковалентные) связи. При нагревании они разрываются и появляются свободные электроны (электронная проводимость) и дырки (дырочная проводимость). На этом принципе сделаны терморезисторы (термисторы). Помимо собственной проводимости полупроводников существует также примесная проводимость.  

   Термоэлектрические явления. В 1821 г. немецким учёным Т. И. Зеебеком было открыто термоэлектрическое явление. Оно заключается в том, что в цепи, составленной из последовательно соединённых разных материалов, если места контактов имеют различную температуру, возникает так называемая термоэлектродвижущая сила. Такая цепь состоит из двух различных материалов, которые образуют термопару или термоэлемент. 

   Термоэлектрическое явление, открытое французским учёным Ж. Пельтье в 1834 г., в принципе представляет собой эффект, обратный явлению Зеебека. При прохождении постоянного тока через термобатарею, составленную из последовательно соединённых двух различных материалов – термоэлементов (это могут быть металлы или полупроводники), одни спаи этой батареи охлаждаются, а другие – нагреваются. Роль рабочего вещества – переносчика тепла – выполняет электрический ток. Поместив холодные спаи термобатареи в охлаждаемую среду, можно отводить тепло в более тёплую среду, окружающую горячие спаи. Пельтье установил, что количество тепла Q, отведённое постоянным электрическим током от холодного спая термобатареи, прямо пропорционально прошедшему через спай количеству электричества и коэффициенту, впоследствии названному коэффициентом Пельтье, т.е QП = ПIt=Пq, где П – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих веществ и температуры, I – сила тока, в А(амперах), t – время, в с(секундах), q – заряд, в Кл(кулонах). Коэффициент Пельтье представляет собой количество тепла, выделяющегося или поглощающегося на контакте термоэлемента при прохождении через него единицы электрического заряда.  

   Различие между теплом Джоуля - Ленца и теплом Пельтье: тепло Джоуля – Ленца не зависит от направления тока (всегда нагревание), пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника, а тепло Пельтье в зависимости от направления тока выделяется либо поглощается, от сопротивления R не зависит и пропорционально первой степени силы тока. В обычных условиях тепло Пельтье мало по сравнению с теплом Джоуля – Ленца. 

Новые технологии на страже водосбережения