Способ измерения относительной влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N25/56 

Способ относится к измерительной технике, в частности к дистанционному измерению влажности воздуха или газов при помощи психрометра.

В измерительной технике для измерения влажности воздуха известен психрометрический способ определения относительной влажности атмосферного воздуха при барометрическом давлении. Для измерения относительной влажности воздуха психрометрическим способом применяют психрометр, содержащий сухой и мокрый термометры, устанавливаемые в исследуемом объеме воздуха, который омывает чувствительные элементы термометров яутем естественной или вынужденной конвекции. Увлажнение шарика мокрого термометра обычно осуществляется батистовым фитилем из резервуара с водой (непрерывно) или пипеткой (периодически) перед каждым измерением психрометрической разности температур. Резервуар с водой устанавливают в самом исследуемом объеме воздуха, а уровень воды в нем регулируется регулятором уровня, вынесенным на 1-1,5м в удобное для обслуживания место.

vj

го

СА

сл

Недостатками такого способа измерения относительной влажности воздуха являются: ограниченный диапазон температур воздуха, при которых вода находится в жидкой фазе; неудовлетворительная точность измерений при температурах воздуха, близких к 0°С ниже, вследствие малых значений психрометрической разности температур сухого и мокрого термометров, равных нескольким десятым долям градуса, которые соизмеримы с погрешностью измерения термометра и, вследствие малых значений парциальных давлений водяных паров, соизмеримых с погрешностью измерения термометра, и, вследствие малых значений парциальных давлений водяных паров, соизмеримых с погрешностью измерения барометрического давления воздуха контрольными барометрами, равной 0,3 мбар (или 0,225 мм рт,ст.3,06 мм в.с,30,02 Па); невозможность измерения относительной влажности воздуха при температурах выше 10б°С,так как вода в резервуаре мокрого термометра кипит; невозможность точного дистанционного измерения относительной влажности воздуха ввиду сложности устройств для регулирования уровня воды в резервуаре мокрого тер мометра, и увлажнения воздуха водой, переливающийся из этого резервуара (особенно в передвижных холодильных или сушильных камерах), поступающего к сухому термометру с циркуляционными конвективными токами.

Наиболее близким по технической сущности решением является способ косвенного определения относительной влажности воздуха, имеющего отрицательную температуру, психрометрическим способом.

При этом способе измерения относительной влажности воздуха в исследуемом объеме из него отбирают пробу, которая просасывается вентилятором через нагреватель и измерительную камеру. В ней измеряют психрометрическую разность температур сухим и мокрым термометром. Давление воздуха в теплообменнике и в измерительной камере ниже атмосферного на величину разрежения, создаваемого вентилятором, которое соизмеримо с упругостью паров при отрицательных температурах. Сухой и мокрый термометры омываются общим потоком воздуха, проходящего через измерительную камеру. Поэтому в последней происходит в агоперенос от резервуара с водой у мокрого термометра к сухому термометру, вызывая занижение показаний сухого термометра, а следовательно,созда- ет дополнительную погрешность измерения относительной влажности воздуха,

Измерение психрометрической разности температур в измерительной камере производится при каком-либо заданном значении температуры мокрого термометра. Однако

величина этого значения не указана, а следовательно погрешности измерения относительной влажности воздуха при каждом новом заданном значении температуры мокрого термометра будут иметь свое, отличающееся от других, значение. Причем чем ниже заданное значение температуры мокрого термометра, тем выше погрешность измерения относительной влажности воздуха (фиг.З).

При помощи этого способа относительная влажность воздуха в исследуемом объеме (воздуховоде), имеющего отрицательную температуру, определяется по формуле

Ј PlH-AB(tc.H.-tM)/P2H,

где р- относительная влажность воздуха в исследуемом объеме;

PtH - упругость насыщенного водяного пара при измеренном значении т.м в измерительной камере;

А - психрометрический коэффициент, имеющий постоянное значение при заданной скорости обдува термометров воздухом;.

В - наблюдаемое барометрическое давление;

tc.H., tM - температура воздуха, измеренная сухим и мокрым термометрами в измерительной камере;

Ран - упругость насыщенного водяного

пара при температуре воздуха, измеренной сухим термометром в исследуемом объеме (воздуховоде).

Устройство для измерения относительной влажности воздуха содержит два сухих

термометра. Один мокрый термометр, про- боотборный воздуховод, электронагреватель для нагрева пробы воздуха, вентилятор, измерительную камеру и резервуаре водой для смачивания фитиля на мокром термометре, установленный внутри измерительной камеры.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокой точности дистанционного измерения

относительной влажности воздуха (особенно при температурах, близких к О С) и не позволяет измерять влажность воздуха при температурах 100°С и выше. Кроме того, погрешность измерения малых и больших

значений относительной влажности воздуха при этом способе неодинаковы, Они могут отличаться почти на порядок и растут с понижением температуры воздуха, при которой производится измерение психрометрической разности психрометром. Это происходит потому, что, во-первых, не измеряется и не учитывается в формуле для подсчета относительной влажности воздуха разрежение в измерительной камере, в которой установлен, психрометр, хотя величина этого разрежения соизмерима с упругостью водяных паров в воздухе при положительных температурах, близких к 0°С, во-вторых, потому что воздух, поступающий к сухому термометру, увлажняется парами воды из резервуара с водой и фитиля, переносимы- ми с конвективными циркуляционными течениями, в результате чего снижается температура сухого термометра и сама психрометрическая разность температур, а следовательно,завышается и измеряемая величина относительной влажности воздуха и, в-третьих, потому что известный способ измерения относительной влажности воздуха допускает измерение психрометрической разности температур в измерительной камере при любых положительных (заданных) значениях температуры воздуха по мокрому термометру, т.е. с разными погрешностями измерений, которые при температурах, близких к 0°С и малых относительных влажностях воздуха, достигают ±7% и более.,

Цель изобретения - повышение точности дистанционного измерения.относительной влажности воздуха как при отрицательных температурах, так и при температурах выше 100°С, и при давлении, отличающемся от атмосферного.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения относительной влажности воздуха, включающем отбор пробы воздуха вентилятором, ее нагрев в рекуперативном теплообменнике, измерение психрометрической разности температур сухого и мокрого термометров в измерительной камере, температуры сухого термометра в исследуемом объеме, барометрического давления атмосферного воздуха и парциальных давлений водяных паров до и после нагрева пробы, в измерительной камере вентилятором поддерживают положительное избыточное давление PC, которое измеряют манометром и вводят в формулу для вычисления относительной влажности воздуха как поправку к барометрическому давлению (В+Рс), а температуру воздуха по сухому термометру, поступающего в измерительную камеру, регулируют при помощи нагревателя или охладителя в интервале температур, обеспечивающем заданную погрешность измерения относительной влажности воздуха. Для определения нижнего значения температуры сухого термометра,

при котором обеспечивается заданная погрешность измерения относительной влажности воздуха, предварительно для минимального измеряемого значения отно- сительной влажности находят зависимость погрешности ее измерения от температуры (фиг. 3), по которой для заданного значения погрешности определяют нижнее значение температуры сухого термометра. Верхним значением интервала температур сухого термометра принимается точка кипения воды при рабочем давлении (В+РС). Погрешность измерения относительной влажности воздуха при этом снижается до ±0,5-2%. Измерение температур производят в следующем порядке.

Вначале измеряют температуру воздуха

в исследуемом объеме, а спустя промежуток

времени, достаточный для прохождения

пробы от него до измерительной камеры,

измеряют психрометрическую разность

температур.

Относительную влажность воздуха в исследуемом объеме (воздуховоде), измеряе- мую по предлагаемому способу с учетом статического давления в измерительной ка- мере, вычисляют по формуле

(р Р1н - А (В + PC)(ten. - tM)/P2H. где (р- относительная влажность воздуха в исследуемом объеме;

PIH - упругость насыщенного водяного пара при измеренном значении tM в измерительной камере;

А - психрометрический коэффициент, имеющий постоянное значение при заданной скорости обдува термометров воздухом;

В - барометрическое давление; PC - статическое избыточное давление воздуха в измерительной камере, измеренное манометром;..

т.е.п.Дм - температура воздуха, измеренная сухим и мокрым термометрами в измерительной камере;

Р2н - упругость насыщенного водяного пара при температуре воздуха, измеренной сухим термометром в исследуемом объеме (воздуховоде).

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения относительной влажности воздуха, содержащем два сухих и один мокрый термометры, вентилятор, нагреватель и измерительную камеру с водяным резервуаром для смачивания фитиля мокрого термометра, вентилятор установлен перед измерительной камерой и создает в ней положительное избыточное давление, измеряемое манометром, для ох- лаждения проб воздуха, имеющих температуру 100°С и выше, дополнительно установлен воздухоохладитель, а вместо сухого и мокрого термометров в измерительной камере установлен аспирационный психрометр Ассмана, обеспечивающий обдув термометров со скоростью 2 м/с и выше. При этом в измерительной камере установлена перегородка между сухим и мокрым термометрами, резервуар с водой для смачивания мокрого термометра вынесен из измерительной камеры, а фитиль для увлажнения шарика мокрого термометра проложен в V-образной трубке, присоединенной одним концом к резервуару с водой.

Предлагаемые приемы при производстве дистанционного измерения относительной влажности воздуха в интервале температур сухого термометра, обеспечивающем заданную погрешность измерения, и положительном превышении давления в измерительной камере, имеющей перегородку и психрометр Ассмана, обеспечивают, согласно способу, снижение погрешности измерения, а дополнительный охладитель воздуха расширяет доверительные пределы измерения психрометрического способа и тем самым обеспечивается достижение це- . ли изобретения.

Осуществление дистанционного измерения относительной влажности воздуха предлагаемым способом поясняется чертежом, изображенным на фиг. 1 и 2, и графиками относительных погрешностей измерения f (tc.nj, А Рп/Рп f (tc.n.). Д Р2н/Р2н f {tc), представленными на фиг. 3. которые находятся предварительно для определения требуемого значения температуры сухого термометра tc.n., при которой производят измерение психрометрической разности температур и обеспечивается заданная максимальная погрешность измерения минимального значения относительной влажности воздуха.

Заштрихованная область a-b-c-d характеризует возможные погрешности измерения относительной влажности прелагаемого способа при tc.n. 40°С (полученной в примере 1 для заданного значения 0,05 при измерении р - 10%), Область e-f-b-c характеризует возможные погрешности измерения при неопределенном, но положительном значении температуры мокрого термометра т.м, принятом у прототипа. Погрешности измерения (фиг. 3) связаны соотношением

А р/р ДРп/Рп + ДР2н/Р2н, где Л относительная погрешность измерения относительной влажности воздуха

(кривая 1 для р 100%, кривая 2 для р 10%).

А Рп/Рп - относительная погрешность измерения парциального давления водяных

паров в исследуемом объеме при помощи психрометра, установленного в измерительной камере (кривая 3 для (р 100%, кривая 4 для р 10%);

АР2н/Р2н - относительная погрешность

измерения парциального давления насыщенного водяного пара при температуре tc в исследуемом объеме 9 (кривая 5);

tc - температура по сухому термометру в исследуемом объеме 9.

Устройство для дистанционного измерения относительной влажности воздуха (фиг. 1 и 2) включает сухой термометр 1, мокрый термометр 2 с приспособлением 3 для увлажнения датчика. Датчики сухого и

мокрого термометров расположены в герметичной измерительной камере 4, имеющей продольную перегородку 5, соединенной воздухопроводом с вентилятором 6 и теплообменниками 7 и 8, которые

соединены с исследуемым объемом 9 при помощи дистанционного воздухопровода 10. В исследуемом объеме 9 установлен датчик 11 температуры, соединенный дистанционными проводами 12 с вторичным

прибором 13, установленным на контрольном щите 14. Давление воздуха измеряется барометром t5, давление в. измерительной камере 4-манометром 16.

При дистанционном измерении относительной влажности воздуха, заключенного в исследуемом объеме 9, проба воздуха из него забирается вентилятором 6 и продувается через дистанционный воздуховод 10, рекуперативные теплообменники 7 и 8 и

герметичную измерительную камеру 4, в которой расположены датчики сухого 1 и мокрого 2 термометров, отделенные друг от друга перегородкой 5. Скорость обдува датчиков сухого и мокрого термометров воздухом, равная 2 м/с и выше, обеспечивается вентилятором 6 и вентилятором аспираци- онного психрометра 17.

Температура воздуха в герметичной камере 4 регулируется при помощи теплообменников 7 и 8 и поддерживается в интервале между минимальным значением,

определенным предварительно по заданной максимальной погрешности измерения, и точкой кипения воды при давлении в камере 4 (фиг. 3, область a-b-c-d).

По результатам измерений температур и давлений вычисляют парциальное давление водяных паров в измерительной камере 4, которое равно таковому в исследуемом

объеме 9, и вычисляют искомую относительную влажность воздуха по формуле

р Рп/Р2н Р1н-А(В + + Pc)(tc.n. -tM)/P2H,

где р - относительная влажность воздуха в исследуемом объёме 9;

Рп - парциальное давление водяных паров в исследуемом объеме 9 при tc, равное парциальному давлению водяных паров в измерительной камере 4 при tc.n.;

Р2н - давление насыщенного водяного пара при температуре tc в исследуемом объеме 9;.

Pin - давление насыщенного водяного пара при температуре tM;

А- постоянный психрометрический коэффициент;

В - барометрическое давление атмосферного воздуха;

Рс - статическое избыточное давление в камере 4;

tc.n., tM - температура воздуха в камере 4 по сухому и мокрому термометрам.

П р и м е р. Способ был реализован при измерении относительной влажности газа в изотермическом вагоне с азотным охлаждением после предварительного опробования в лабораторных условиях.

Измерительная камера имеет продольную перегородку и размеры 150 х 100 х 80 мм с присоединенным патрубками к ней сверху аспирационным психрометром Асс- мана, вентилятор и нагреватель были установлены в вагоне-лаборатории и последовательно соединены, между собой резиновым шлангом с внутренним диаметром 26 мм. Всас вентилятора соединяли с контролируемым изотермическим вагоном при помощи такого же резинового шланга длиной 24 м., ;

Резервуар с водой для смачивания мокрого термометра был прикреплен к наружной поверхности стенки измерительной камеры. К нижней части резервуара была присоединена резиновая Xf-образная трубка диаметром 6 мм, которая другим концом соединялась с медной трубкой, укрепленной в стенке измерительной камеры, другой конец которой находился внутри последней и был расположен ниже шарика мокрого термометра на 5 мм. Фитиль одним концом был укреплен на шарике мокрого термомет- ра. Другой конец фитиля располагался в трубке ниже уровня воды в резервуаре для смачивания мокрого термометра. Уровень воды в резервуаре находился ниже шарика мокрого термометра на 5 мм.

Температуру газового объема в изометрическом вагоне измеряли платиновым термометром сопротивления, установленным у входного конца резинового шланга.

Барометрическое давление измеряли

контрольным барометром. Давление в измерительной камере измеряли водяным манометром. Парциальные давления насыщенных водяных паров определяли по

таблицам насыщенного водяного пара. Вычисление относительной влажности газа в изометрическом вагоне производили по формуле

PlH-A(B + Pc)(tc.n,-tM)/P2H,

где р - относительная влажность воздуха;

PIM - упругость насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра,

tM;

А 0«000662 - постоянный психрометрический коэффициент, принят по паспорту психрометра Ассмана;

мм рт.ст - барометрическое давление, измеренное контрольным барометром с точностью ± 0,225 мм рт.ст;

Рс 110 Па - статическое избыточное давление в измерительной камере, измеренное водяным манометром с точностью

±10 Па;

tc.n., tM - температура сухого и мокрого термометров, измеренная стеклянными ртутными термометрами с ценой деления 0,2°С, со шкалой 0-50°С, с точностью + 0,1 °С;

Р2н - упругость насыщенного водяного пара при температуре tc в исследуемом объеме, которую измеряли при лабораторных исследованиях психрометром Ассмана с точностью±0.1°С, а при испытаниях изотермического вагона - термометром сопротивления TGE 0879-01 с точностью ± 0,5°С.

Измерение психрометрической разности температур в измерительной камере производили при tc.n. 40°С, Это значение

температуры сухого термометра было определено по графику зависимости погрешности измерения относительной влажности от температуры (фиг. 3), полученного предварительно при лабораторных исследованиях,

которое соответствует заданной максимальной погрешности измерения относительной влажности Д ( 0,05 для измеряемой величины р 10%.

Погрешность измерения относительной влажности воздуха (р в изотермическом вагоне при температуре воздуха в нем tc + 4. О и - 20°С, вычисленная по известной формуле для предлагаемого способа, не

превышает заданного максимального значения 0,05 при р 10% и 0,02 приу 100%, т.е. определяется областью a-b-c-d (фиг. 3), если измерение температур в измерительной камере и в изотермическом вагоне производится с точностью ± 0,1°С.

Использование предлагаемого способа измерения влажного воздуха позволяет повысить точность измерения во всем измеряемом температурном интервале от отрицательных значений температур до 100°Си выше.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ измерения относительной 15 влажности, заключающийся в том, что пробу воздуха подают на сухой и влажный термо0

5

метры, определяют давление, при котором производят измерение температур термометрами, и по найденным значениям рассчитывают относительную влажность воздуха, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, предварительно для минимального измеряемого значения относительной влажности находят при рабочем давлении зависимость погрешности измерения от температуры воздуха, по которой для заданного значения погрешности определяют значение температуры, при производстве измерений температуру воздуха поддерживают в интервале значений от найденного до соответствующего точке кипения воды при рабочем давлении.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к дистанционному измерению влажности воздуха или газов. Сущность изобретения заключается и том, что отбирают пробу воздуха вентилятором, нагревают ее в рекуперативном теплообменнике, определяют психрометрическую разность температур в нагретой пробе воздуха, обдувающего психрометр. Определяют барометрическое давление воздуха и парциальные давления водяного пара до и после нагрева пробы. Измерение психрометрической разности температур в нагретой или охлажденной пробе воздуха производят при температуре сухого термометра 40°С и выше и положительном избыточном давлении воздуха у психрометра, который измеряет и определяет относительную влажность р воздуха из следующей зависимости: р Р1н - А (В + Pc)(tcH - tM)/P2H, где PIH - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре IM; A - постоянный психрометрический коэффициент; В - барометрическое давление; Рс - избыточное давление в измерительной камере; ten, tM - температура воздуха в измерительной камере по сухому и мокрому периметру; Р2н - давление насыщенного водяного пара при температуре tc в исследуемом объекте. 3 ил. СО С