Психрометр Августа

Психрометр Августа — это прибор для измерения влажности воздуха, основанный на принципе психрометрии, то есть разности показаний «сухого» и «увлажнённого» термометров. Относится к классу психрометров, является одним из наиболее распространённых и простых по конструкции гигрометрических приборов, используемых в метеорологии, климатологии, системах вентиляции и кондиционирования, а также в лабораторной практике.

Принцип действия

Работа психрометра Августа основана на физическом явлении охлаждения поверхности тела при испарении с неё жидкости. Прибор состоит из двух одинаковых термометров (обычно ртутных или спиртовых), закреплённых на общем основании. Резервуар одного из термометров (называемого «увлажнённым» или «смоченным») постоянно обёрнут фитилём из гигроскопичной ткани (батист, марля), конец которого опущен в резервуар с дистиллированной водой. Вода по капиллярам ткани непрерывно поднимается к резервуару, поддерживая его во влажном состоянии.

Второй термометр («сухой») показывает температуру окружающего воздуха. При испарении воды с поверхности увлажнённого термометра происходит отбор тепла, что приводит к понижению его показаний по сравнению с сухим термометром. Чем суше воздух, тем интенсивнее испарение и тем больше разность температур (психрометрическая разность). В насыщенном водяным паром воздухе испарение прекращается, и показания обоих термометров выравниваются.

Конструкция и устройство

Психрометр Августа имеет классическую, проверенную десятилетиями конструкцию, которая практически не изменилась с момента его изобретения.

Основные элементы:

• Основание (стойка): обычно изготавливается из пластика, дерева или металла. На нём закреплены термометры и резервуар для воды.
• Два термометра: идентичные по конструкции и градуировке. Шкала термометров обычно имеет цену деления 0,1–0,5 °C. Для повышения точности в метеорологических модификациях используются термометры с ценой деления 0,2 °C.
• Фитиль (батистовая ткань): плотно оборачивает резервуар увлажнённого термометра. Фитиль должен быть чистым, обезжиренным и хорошо смачиваться. Его длина обычно составляет 5–10 см.
• Резервуар для воды: небольшая ёмкость (стеклянная или пластиковая), в которую опущен конец фитиля. Вода в резервуаре должна быть дистиллированной, чтобы избежать образования накипи и искажения показаний.
• Защитный экран (опционально): в некоторых моделях термометры могут быть защищены от прямых солнечных лучей и теплового излучения окружающих предметов, что повышает точность измерений.

Отличия от аспирационного психрометра

Психрометр Августа является статическим прибором, в отличие от аспирационного психрометра (например, психрометра Ассмана). В последнем принудительный обдув резервуаров термометров осуществляется с помощью вентилятора, что обеспечивает постоянную скорость воздушного потока (около 2–5 м/с) и, как следствие, более высокую точность и стабильность измерений. Психрометр Августа не имеет принудительной вентиляции, поэтому его показания зависят от естественной скорости движения воздуха в помещении, что является его основным недостатком.

История создания

Прибор назван в честь немецкого метеоролога и физика Эрнста Фердинанда Августа (1795–1870), который в 1825 году предложил конструкцию психрометра, ставшую стандартом для метеорологических наблюдений на протяжении многих десятилетий. До Августа существовали более примитивные гигрометры, например, волосяные гигрометры, основанные на изменении длины обезжиренного человеческого волоса при изменении влажности. Психрометр Августа предложил более точный и воспроизводимый метод, основанный на термодинамических принципах.

В Российской империи психрометры Августа начали активно использоваться в метеорологических сетях с середины XIX века. Они стали основным инструментом для наблюдений за влажностью воздуха на метеостанциях, в том числе в Главной физической обсерватории в Санкт-Петербурге. В советский период прибор был стандартизирован и выпускался серийно (например, психрометр ПБ-1, ПБ-2). До сих пор психрометры Августа применяются в учебных заведениях, на метеостанциях и в бытовых условиях, хотя постепенно вытесняются электронными датчиками влажности.

Методика измерений

Для получения достоверных показаний необходимо соблюдать определённую процедуру:

1. Подготовка: фитиль должен быть чистым и плотно прилегать к резервуару увлажнённого термометра. Резервуар заполняется дистиллированной водой.
2. Установка: психрометр размещается в месте, защищённом от прямых солнечных лучей, сквозняков и источников тепла. Для стационарных метеонаблюдений его устанавливают в психрометрической будке (например, будке Вильда).
3. Выдержка: после увлажнения фитиля необходимо подождать не менее 10–15 минут для установления теплового равновесия. В это время испарение воды с фитиля приводит к охлаждению термометра.
4. Снятие показаний: снимаются показания сухого (t_с) и увлажнённого (t_в) термометров. Отсчёт ведётся с точностью до 0,1 °C.
5. Расчёт влажности: по разности температур (Δt = t_с — t_в) и показаниям сухого термометра с помощью психрометрической таблицы или номограммы определяется относительная влажность воздуха. Также может использоваться психрометрическая формула, учитывающая атмосферное давление.

Психрометрическая таблица

Психрометрическая таблица — это стандартизированная таблица, в которой для каждого значения температуры сухого термометра и разности температур (t_с — t_в) указано значение относительной влажности воздуха в процентах. Таблицы составляются для определённого атмосферного давления (обычно для 760 мм рт. ст.) и скорости движения воздуха (для психрометра Августа — для естественной скорости, принимаемой за 0,2–0,5 м/с). При отклонении давления от нормального вносятся поправки.

Пример фрагмента психрометрической таблицы (для t_с = 20 °C):

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Простота конструкции: прибор не содержит сложных механизмов, требует минимального обслуживания.
• Низкая стоимость: психрометры Августа являются одними из самых дешёвых гигрометров.
• Надёжность: при правильном уходе (чистка фитиля, использование дистиллированной воды) прибор работает десятилетиями.
• Наглядность: показания снимаются визуально с термометров, что позволяет контролировать процесс измерения.

Недостатки:

• Зависимость от скорости воздуха: при отсутствии принудительного обдува показания зависят от естественной вентиляции, что снижает точность в неподвижном воздухе.
• Инерционность: время установления равновесия составляет 10–15 минут, что делает прибор непригодным для быстрых измерений.
• Необходимость расчётов: для получения значения влажности требуется использование таблицы или формулы.
• Чувствительность к загрязнениям: фитиль и вода должны быть чистыми, иначе испарение нарушается, и показания искажаются.
• Ограниченный диапазон: при отрицательных температурах (ниже 0 °C) использование психрометра Августа затруднено, так как вода в резервуаре и на фитиле замерзает.

Применение

Психрометр Августа широко применяется в различных областях:

• Метеорология: на метеостанциях для измерения влажности воздуха в составе стандартного оборудования (в психрометрических будках).
• Климатология: для долгосрочных наблюдений за влажностью в различных климатических зонах.
• Системы вентиляции и кондиционирования: для контроля параметров воздуха в помещениях, настройки систем увлажнения и осушения.
• Сельское хозяйство: для контроля микроклимата в теплицах, птичниках, животноводческих помещениях.
• Лабораторная практика: в учебных заведениях (школы, вузы) для демонстрации принципов психрометрии и проведения лабораторных работ.
• Музейное и библиотечное дело: для контроля влажности в хранилищах, где требуется поддержание определённого уровня влажности для сохранности экспонатов и книг.

Современные модификации

В настоящее время психрометры Августа выпускаются в виде готовых наборов, часто в пластиковом корпусе с встроенной психрометрической таблицей. Существуют также цифровые психрометры, в которых термометры заменены терморезисторами или термопарами, а расчёт влажности производится автоматически. Однако классический аналоговый психрометр Августа остаётся востребованным благодаря своей простоте, надёжности и низкой цене.

Источники

1. Август Э. Ф. Описание психрометра. — Берлин, 1825.
2. Матвеев Л. Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1965.
3. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. — М.: Изд-во МГУ, 2001.
4. ГОСТ 8.524-85 «ГСИ. Психрометры. Методика поверки».
5. Калинин В. М. Метеорологические приборы и методы наблюдений. — М.: Гидрометеоиздат, 1956.