Психрометр

Психрометр — это прибор для измерения влажности воздуха и его температуры, действие которого основано на зависимости интенсивности испарения воды от влажности окружающей среды. Психрометр относится к классу гигрометров (приборов для измерения влажности) и является одним из наиболее точных и распространённых средств измерения относительной влажности воздуха в метеорологии, промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Принцип действия

Работа психрометра основана на психрометрическом эффекте — охлаждении влажного тела (например, ткани, смоченной водой) в потоке воздуха за счёт испарения воды. Испарение требует затрат тепла, которое отбирается от самого тела, в результате чего его температура понижается. Чем суше воздух, тем интенсивнее испарение и тем сильнее охлаждение. Во влажном воздухе испарение замедляется, и разница температур между сухим и влажным термометрами уменьшается.

Прибор состоит из двух одинаковых термометров (обычно ртутных или спиртовых), один из которых остаётся сухим и измеряет температуру окружающего воздуха, а другой — «влажный» — обёрнут фитилём из гигроскопичной ткани (батист, марля), постоянно смачиваемым дистиллированной водой. Вода, испаряясь с поверхности фитиля, охлаждает резервуар влажного термометра. Разность показаний сухого и влажного термометров (психрометрическая разность) является мерой влажности воздуха.

Для вычисления относительной влажности воздуха по показаниям психрометра используются психрометрические таблицы, номограммы или формулы. Наиболее распространена формула Шпрунга (для стационарных психрометров) и формула Ассмана (для аспирационных). В общем виде зависимость выражается уравнением:

\[ e = E_w - A \cdot P \cdot (t - t_w) \]

где:

• \( e \) — фактическое парциальное давление водяного пара в воздухе;
• \( E_w \) — давление насыщенного пара при температуре влажного термометра;
• \( A \) — психрометрический коэффициент (зависит от конструкции прибора и скорости обдува);
• \( P \) — атмосферное давление;
• \( t \) — температура сухого термометра;
• \( t_w \) — температура влажного термометра.

Относительная влажность \( \varphi \) вычисляется как отношение \( e \) к давлению насыщенного пара при температуре сухого термометра \( E \), выраженное в процентах:

\[ \varphi = \frac{e}{E} \times 100\% \]

История

Первые упоминания о принципе психрометра относятся к XVIII веку. В 1755 году швейцарский физик Иоганн Генрих Ламберт описал зависимость скорости испарения от влажности воздуха. Однако практическую конструкцию психрометра разработал немецкий физик Эрнст Фердинанд Август в 1825 году. Его прибор состоял из двух термометров, один из которых был обёрнут влажной тканью. В 1828 году русский физик и метеоролог Генрих Вильгельм (Андрей Яковлевич) Кайзер усовершенствовал конструкцию, предложив использовать дистиллированную воду и стандартизировав размеры фитиля.

В 1864 году немецкий метеоролог Рудольф Ассман разработал аспирационный психрометр, в котором оба термометра обдувались с постоянной скоростью (около 2 м/с) с помощью вентилятора. Это позволило устранить влияние переменной скорости ветра на показания и повысить точность измерений. Психрометр Ассмана стал эталонным прибором для метеорологических наблюдений.

В СССР и России психрометры широко применялись в системе Гидрометслужбы, а также в промышленности. В 1950-х годах были разработаны психрометры с электрическими термометрами сопротивления (например, платиновыми), что позволило автоматизировать измерения.

Классификация

Психрометры классифицируются по нескольким признакам.

По типу термометров

• Жидкостные — используют ртутные или спиртовые термометры. Наиболее распространены в метеорологии (например, психрометр Августа).
• Электрические — применяют термометры сопротивления (медные, платиновые) или термопары. Используются в автоматических метеостанциях и промышленных системах контроля.
• Биметаллические — редко встречаются, основаны на деформации биметаллической пластины.

По способу вентиляции

• Стационарные (естественная вентиляция) — обдув термометров происходит за счёт естественного движения воздуха. Пример — психрометр Августа. Точность ниже, так как скорость обдува непостоянна.
• Аспирационные (принудительная вентиляция) — оба термометра обдуваются с постоянной скоростью с помощью вентилятора или эжектора. Пример — психрометр Ассмана. Обеспечивают более высокую точность.

По назначению

• Метеорологические — для измерения влажности воздуха на метеостанциях (психрометр Августа, психрометр Ассмана).
• Промышленные — для контроля влажности в производственных помещениях, складах, зернохранилищах.
• Лабораторные — для точных измерений в научных исследованиях.
• Бытовые — упрощённые конструкции (например, в составе гигрометров-психрометров).

Устройство и конструкция

Психрометр Августа (стационарный)

Состоит из двух одинаковых спиртовых или ртутных термометров, закреплённых на общем штативе. Резервуар одного термометра обёрнут фитилём из батиста, который опущен в стаканчик с дистиллированной водой. Вода по фитилю поднимается капиллярным способом, постоянно смачивая резервуар. Прибор устанавливается в метеорологической будке (например, будке Вильда) на высоте 2 м от поверхности земли, чтобы исключить влияние солнечного излучения и осадков.

Психрометр Ассмана (аспирационный)

Имеет более сложную конструкцию. Оба термометра (сухой и влажный) заключены в металлические трубки, которые защищают их от внешнего теплового излучения. В верхней части прибора расположен вентилятор (с пружинным или электрическим приводом), который создаёт постоянный поток воздуха через трубки. Скорость обдува составляет около 2 м/с. Влажный термометр также обёрнут фитилём, смачиваемым водой. Аспирационный психрометр может использоваться вне метеорологических будок, в полевых условиях.

Электрические психрометры

Вместо жидкостных термометров используются термометры сопротивления (например, платиновые Pt100 или медные). Сигналы с термометров подаются на микропроцессорный блок, который вычисляет влажность по встроенным таблицам или формулам. Такие приборы могут быть частью автоматических метеостанций.

Применение

Психрометры применяются в различных областях, где требуется точное измерение влажности воздуха:

• Метеорология — для наблюдений за влажностью воздуха на метеостанциях, в составе аэрологических и гидрометеорологических комплексов.
• Промышленность — контроль влажности в производственных цехах (текстильная, пищевая, фармацевтическая, электронная промышленность), на складах, в зернохранилищах, теплицах.
• Сельское хозяйство — для оценки условий хранения урожая, в животноводческих помещениях, при сушке зерна.
• Строительство — контроль влажности при сушке помещений, при проведении отделочных работ.
• Лабораторные исследования — в климатических камерах, при испытаниях материалов.
• Бытовые нужды — в составе комнатных гигрометров-психрометров для контроля микроклимата в жилых помещениях.

Точность и ограничения

Точность психрометра зависит от нескольких факторов:

• Температура воздуха — при низких температурах (ниже 0 °C) вода на фитиле замерзает, что делает измерения невозможными. Для работы при отрицательных температурах используются психрометры с незамерзающими жидкостями (например, спиртовые).
• Скорость обдува — для стационарных психрометров скорость ветра должна быть не менее 0,5 м/с, иначе испарение замедляется, и показания становятся неточными. Аспирационные психрометры лишены этого недостатка.
• Качество воды — фитиль должен смачиваться только дистиллированной водой, иначе соли и примеси изменят скорость испарения.
• Чистота фитиля — загрязнённый фитиль ухудшает капиллярный подъём воды и точность измерений.

Погрешность психрометра Августа составляет ±2–3% относительной влажности, психрометра Ассмана — ±1–2%. Электрические психрометры могут иметь погрешность до ±0,5% при калибровке.

Сравнение с другими гигрометрами

Психрометры являются одними из самых точных гигрометров, особенно аспирационные. Однако они уступают по удобству использования электронным гигрометрам (ёмкостным, резистивным) и гигрометрам точки росы (конденсационным). Основные недостатки психрометров: необходимость постоянного смачивания фитиля, зависимость от скорости ветра (для стационарных), невозможность работы при отрицательных температурах, а также необходимость использования психрометрических таблиц или формул для вычисления влажности.

Электронные гигрометры (например, на основе полимерных или керамических датчиков) проще в эксплуатации, компактнее и могут работать в более широком диапазоне температур, но их точность часто ниже, и они требуют периодической калибровки.

Интересные факты

• Психрометр является одним из старейших приборов для измерения влажности, используемых в метеорологии до сих пор.
• В России психрометр Августа является стандартным прибором на метеостанциях Росгидромета.
• Психрометрический коэффициент \( A \) в формуле Шпрунга зависит от конструкции прибора и скорости обдува. Для аспирационного психрометра Ассмана он составляет 0,000662 при скорости обдува 2 м/с.
• В некоторых современных психрометрах вместо воды используется смесь воды и спирта для предотвращения замерзания при низких температурах.
• Психрометр может использоваться для измерения влажности не только воздуха, но и других газов, если они неагрессивны к материалам прибора.

Источники

• Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978. Статья «Психрометр».
• Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
• Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. — М.: Изд-во МГУ, 2001.
• Рекомендации по измерению влажности воздуха. — Росгидромет, 2010.
• Ассман Р. Психрометр. — Лейпциг, 1864.