Как правильно измерить, найти, рассчитать, определить и вычислить относительную влажность воздуха в помещении при температуре

Применение психрометрического метода измерения в промышленности

Существует множество различных методов измерения относительной влажности воздуха. И наряду с такими современными методами, как конденсационный («зеркало точки росы») или емкостной, по прежнему не теряет актуальности психрометрический метод измерения, благодаря своей простоте и доступности. Зачастую психрометры можно увидеть на стенах квартир или офисов (см. рисунок 1).

Рисунок 1 — Внешний вид психрометра Августа

Любой человек может по показаниям двух термометров и психрометрической таблице, изображенной на его корпусе, определить относительную влажность окружающего воздуха с приемлемой для бытового измерителя влажности точностью. Но какие есть особенности у данного метода измерения и насколько он применим в качестве промышленного гигрометра?

Принцип действия психрометров

Принцип действия предельно прост — есть два термометра, зачастую ртутных или спиртовых. Один измеряет температуру окружающего воздуха («сухой» термометр), а второй измеряет температуру паров над поверхностью воды («влажный» термометр), для чего он расположен над резервуаром с водой (питателем) и обернут смоченной батистовой тканью для улучшения температурной проводимости (см. рисунок 2).

Рисунок 2 — Принцип действия

Рисунок 3 — Психрометр Ассмана

Суть метода заключается в том, что температура «мокрого» термометра всегда будет меньше температуры «сухого», поскольку согласно 1-му закону термодинамики, при испарении внутренняя энергия жидкости будет уменьшаться, а вместе с ней будет уменьшаться и ее температура как основная мера внутренней энергии.

Очевидно, что жидкость будет испаряться при текущей температуре воздуха тем интенсивнее, чем менее насыщен водяными парами окружающий воздух, и как следствие тем сильнее будет понижаться температура «мокрого» термометра. Таким образом: чем больше разница между показаниями «сухого» и «мокрого» термометров (психрометрическая разность), тем меньше относительная влажность окружающего воздуха.

Конструктивно различают несколько видов психрометров:

обычные психрометры Августа
без принудительного обдува, рассмотренные выше (см. рисунок 1);
более продвинутые аспирационные психрометры Ассмана
(см. рисунок 3) со встроенным принудительным обдувом в виде механического или электрического вентилятора. Обдув (аспирация) нужен для того, чтобы задать строго определенную интенсивность испарения воды — как правило речь идет о скоростях 0,5-1 м/с;
психрометры, выполненные на базе двух термометров сопротивлений и подключенные к вторичным измерителям-регуляторам или ПЛК, которым также требуется принудительный внешний обдув.

Стандартные показатели

Влажность воздуха, то есть степень его насыщенности водяным паром, может быть абсолютной либо относительной. Первый показатель — это количество грамм влаги в одном кубометре воздуха, а второй — процентное соотношение абсолютной влажности и максимально возможной при заданной температуре. Говоря о том, какая влажность воздуха считается нормальной в квартире, подразумевают относительный показатель, определяющий комфортность микроклимата в помещении.

Действующим государственным стандартом предусмотрены следующие показатели допустимого уровня влаги в жилых помещениях:

Лето. В жаркое время года оптимальная влажность должна варьироваться в пределах 30-60%, не превышая 70% (для отдельных регионов — 75%).
Зима. Понижение температуры окружающей среды требует уменьшения уровня влаги до 30-45%, максимум — до 60%.

Это полезно: как повысить влажность воздуха в помещении.

Стоит заметить, что перечисленные нормы влажности воздуха в квартире предназначены главным образом не для её жителей, а для строителей и проектировщиков, задачей которых является возведение и обслуживание зданий с возможностью последующего поддержания указанных показателей. Самим же жителям домов медики советуют удерживать уровень влаги 40-60% в любое время года.

В этом видео вы узнаете, как измерить влажность воздуха:

Как рассчитывается относительная влажность психрометров?

Рассчитать относительную влажность по измеренным значениям психрометра возможно одним из 3-х способов.

Способ 1 — по психрометрическим таблицам

Пример подобной таблицы взят из ГОСТ 8.811-2012 «Таблицы психрометрические. Построение, содержание, расчетные соотношения» (см. рисунок 4). Они составляются на конкретную модель психрометра производителем и всегда нормируются при определенной скорости аспирации, чем зачастую пренебрегают пользователи, хотя без отсутствия аспирации погрешность очень сильно увеличивается.

Рисунок 4 — Пример психрометрической таблицы

Пример: показания «сухого» термометра 20 °С, а показания «мокрого» термометра 14 °С — тогда психрометрическая разность 6 °С. На пересечении соответствующих строки и столбца определяется искомая относительная влажность 48%.

Способ 2 — графический способ

Определить температуру «мокрого термометра» возможно при помощи ID диаграммы (диаграммы Молье, диаграммы Рамзина). Для понимания необходимо вспомнить о термине энтальпия

— это такая тепловая энергия (кДж), которую содержит тело массой 1 кг. Саму систему с резервуаром и «мокрым» термометром можно для упрощения принять как замкнутую термодинамическую систему за счет применения смоченной ткани, не сообщающуюся с окружающей средой, в которой воздух полностью насыщен водяным паром.
Таким образом, процесс испарения из резервуара психрометра происходит при постоянной энтальпии системы
. Обратимся к участку диаграммы (см. рисунок 5) — нас интересуют красные линии (температура), синие (относительная влажность) и розовые (энтальпия).

Рисунок 5 — Графическое определение относительной влажности по ID диаграмме
Возьмем данные из предыдущего примера: сначала проведем линию 1, соответствующую температуре «мокрого» термометра 14 °С, вплоть до пересечения с кривой 100% влажности (поскольку система насыщена). Затем проведем параллельно линию 3, соответствующую показаниям «сухого» термометра 20 °С. И наконец, проведем линию 2 параллельно линиям энтальпий (поскольку система не сообщается с окружающей средой) вплоть до пересечения с линией 3. Эта точка пересечения соответствует искомой относительной влажности — 50%, что примерно соответствует 48%, полученным при расчете по психрометрической таблице.

Также влажность определяют по специальным психрометрическим номограммам

, которые иногда приводятся в документации на конкретный психрометр.

Способ 3 — аналитический способ

Согласно уже упомянутому ранее ГОСТ 8.811-2012, относительную влажность φ можно найти из формулы 1, если вода в резервуаре находится в жидкой фазе (индекс w

означает
water
):
φ w = 1 − A ном P ном E w ( t ‘ ) f w ( P , t ‘ ) ( t − t ‘ ) ( 1 + a w t ‘ ) %varphi _w=1- { A _ном P _ном} over { E _w(t^’) f _w(P, t^’) } ( t-t^’) ( 1+a _w t^’)
или из формулы 2, если вода в резервуаре находится в твердой фазе (индекс i

означает
ice
):
φ w = 1 − A ном P ном E w ( t ‘ ) f w ( P , t ‘ ) ( t − t ‘ ) k i %varphi _w=1- { A _ном P _ном} over { E _w(t^’) f _w(P, t^’) } ( t-t^’) k _i
где: t

– температура «сухого» термометра, °С;
t’
– температура «мокрого» термометра, °С;
Aном *
— номинальное значение психрометрического коэффициента, °С -1;
Pном
— номинальное значение общего давления паровоздушной смеси, гПа;
Ew(t’), Ei(t’) **
— давление насыщенного водяного пара над поверхностью воды и льда соответственно, гПа;
fw(P,t’), fi(P,t’) ***
— повышающая функция влажного воздуха/газа для воды и льда соответственно, зависящая от его общего давления и температуры поверхности раздела фаз;
ki = 0,8823, aw = 0,00115 °С -1
, если свойства дистиллированной воды отвечает требованиям ГОСТ 6709, а состав сухого воздуха отвечает требованиям ГОСТ 4401.

*Примечание 1

: значение психрометрического коэффициента определяется для конкретной модели психрометров самим производителем и очень сильно зависит от скорости аспирации — базовое значение, согласно рекомендациям ВМО, составляет 653*10-6 °С -1

**Примечание 2

: согласно ГОСТ 8.811-2012 эти величины рассчитываются по формуле Всемирной Метеорологической организации (ВМО), однако очень хорошие результаты дают также формулы Гоффа-Гретча и Ардена Бака, которые приведены в статье «
Новые возможности датчиков влажности серии D
»

***Примечание 3

: значение коэффициентов определяется из таблиц в приложении Ж ГОСТ 8.811-2012. Промежуточные значения коэффициентов определяют интерполяцией. Игнорирование этих коэффициент в расчетах вносит в измерение систематическую относительную погрешность до 0,8%.

Относительная влажность воздуха формула через температуру

Массовая доля пара зависит от температуры и поэтому чем выше температура, тем выше давление паров. Таким образом при понижении температуры пар перенасыщается и кристаллизуется или же образуется туман. Таблица относительной влажности помогает определить влажность зная температуру и не проводя сложные расчеты или измерения.

Определение влажности воздуха является необходимым по многим причинам. Это важный экологический показатель, который может очень сильно влиять на самочувствие человека в течение дня. В зависимости от этого показателя у человека может наблюдаться повышенная утомляемость, проблемы с концентрацией, памятью и с восприятием окружающей среды. А уже такое состояние организма способно стать причиной многих других отклонений, развивающихся на фоне постоянной усталости и стресса.

Вещи и продукты, которые находятся в офисе или квартире также подвержены влиянию влажности воздуха. Поэтому лучше всего контролировать этот показатель, чтобы избежать порчи имущества. У продуктов и вещей есть свои нормы хранения и использования и нарушение влажности воздуха может повлечь за собой различные разрушительные процессы. Так повышенные показатели очень часто становятся причиной появления плесени. Грибок может быть, как в продуктах питания, так и на стенах, одежде, растениях и в любых других теплых и влажных местах. Если же своевременно выявить нарушение, то можно избежать появления плесени и дальнейших разрушений.

Согласно общепринятым нормам влажность воздуха должна быть в пределах 45-65 процентов. Этот показатель является комфортным как для человека, так и для вещей и техники. Это приблизительное значение и тут могут быть свои особенности. Так для мебели и музыкальных инструментов лучше всего держать влажность в пределах 40-65 процентов. Особое внимание следует уделять влажности в библиотеках и музеях, где могут храниться старые предметы, книги и картины. Эти вещи особо чувствительны к влажности и поэтому влажность не должна превышать 40-60 процентов.

Факторы, влияющие на погрешность измерения психрометров

Исходя из аналитических формул, можно перечислить факторы, влияющие на измерение психрометрическим методом:

агрегатное состояние воды в резервуаре (питателе)
— необходимо понимать, замерзла вода в питателе или нет, и в соответствие с этим рассчитывать относительную влажность либо по формуле 1, либо по формуле 2;
газовый состав воздуха и чистота дистиллированной воды
— наличие примесей разных концентраций в воздухе, а также загрязненность воды влияет на коэффициенты ki и aw, а как следствие на итоговую погрешность измерения. Также нельзя не упомянуть, что многие пользователи пренебрегают требованием к применению дистиллированной воды и используют обычную водопроводную воду, иногда фильтруя ее;
смоченность и чистота батистовой ткани
— напрямую влияет на погрешность измерений «мокрым» термометром, при этом учесть аналитически степень этого влияния невозможно. Многие пользователи пренебрегают этим фактором;
наличие принудительной аспирации
— очень важный параметр, оказывающий наиболее сильное влияние на погрешность измерения. Влияет на психрометрический коэффициент Aном. В случае применения психрометров Ассмана, этот фактор можно не учитывать, поскольку принудительная аспирация с требуемой скоростью обдува заложена конструктивно. Однако зачастую применяются психрометры Августа без какой-либо внешней аспирации, что приводит к большому увеличению погрешности измерения;
величина атмосферного давления
— определяет величину давления паровоздушной смеси Pном, а также незначительно влияет на значение повышающих функций fw(P,t’), fi(P,t’). В случае работы на уровне моря, давление можно принять равным 1013,25 гПа (согласно нормальным условия из ГОСТ 8.395-80) и пренебречь колебаниями атмосферного давления, однако в случае работы на высоте свыше 200-300 метров влиянием барической ступени уже нельзя пренебрегать, и в расчетах необходимо учитывать реальное значение атмосферного давления.

При соблюдении перечисленных выше условий, результирующая погрешность измерения относительной влажности, согласно государственным метрологическим методикам, для простых психрометров составит 5-7%, а для аспирационных психрометров 3-5%.

Однако в случае использования психрометров в промышленности, возникает ряд дополнительных трудностей.

Прибор для измерения влажности воздуха и его специфика

Влажность оказывает влияние на состояние предметов обстановки, бытовой техники и самочувствие человека. Присутствие водяных паров в определенном количестве в воздуха зависит от следующих факторов: техногенное воздействие, климатические особенности региона, состояние коммуникаций и постройки в целом, а также эксплуатационные условия помещения.

Прибор для измерения влажности воздуха помогает контролировать оптимальный микроклимат в доме

Нормативом влажности для здорового человека считается показатель в 40-60%. Для создания оптимальных условий используются специальные приборы. В зависимости от потребностей это могут быть осушители или увлажнители. Для координации работы этих устройств используются измерители влажности воздуха.

Обратите внимание! Существуют системы кондиционирования с автоматизированной функцией контроля уровня влаги. Этот тип оборудования самостоятельно выполняет замер показателей воздуха и подгоняет их под норму.

Чем измеряют влажность воздуха в помещениях жилого типа

Измерить количество водяного пара в домашних условиях можно воспользовавшись подручными средствами, например, еловой шишкой, чьи чешуйки раскрываются, если в комнате сухо, или проследить за состоянием конденсата, предварительно охладив емкость с водой.

Если воздух в помещении сухой — чешуйки шишки раскроются

Метод, предполагающий использование емкости, основан на том, как ведет себя конденсат на охлажденных поверхностях и с какой скоростью происходит его испарение. Среда, находящаяся в закрытом пространстве при условии уравновешенных процессов конденсации и испарения, находится в состоянии насыщенного пара. Если количество влаги в насыщенном паре приближено к концентрации водяного пара в воздухе комнаты, то процесс испарения будет затруднен. Это будет указывать на присутствие чрезмерного количества влаги в помещении.

Как измерить влажность воздуха в квартире с помощью стакана:

Наполнить стеклянную емкость водой. Для этих целей подойдет не только стакан, но и бутылка, банка.
Установить емкость в холодильник на пару часов.
После этого достать стакан и измерить температуру воды. Этот показатель не должен превышать 50°С.
Контрольный сосуд следует поставить в комнате, подальше от отопительных приборов.

Популярный в народе способ измерения влажности воздуха — при помощи стакана с водой

Обратите внимание! Нужно обязательно засечь время, чтобы произвести наблюдение за поведением конденсата. На это потребуется от 5 до 10 мин.

Если скопившийся на стенках конденсат высохнет за обозначенное время, значит, в помещении сухо. Мокрое стекло говорит о том, что в комнате оптимальные условия с достаточным уровнем влажности. Если же капли конденсата крупные и ручейками стекают по стенкам сосуда — это указывает на повышенное количество водяных паров в помещении.

Какие приборы используют для измерения влажности воздуха

Более точные данные можно получить, воспользовавшись специальными приборами. Для этих целей предусмотрено несколько разновидностей устройств. Самые примитивные приборы, измеряющие влажность воздуха в помещении, называются гигрометрами.

В эту категорию приспособлений входят следующие разновидности устройств:

керамический;
электронный;
весовой;
электролитический;

Принцип работы волосяного гигрометра

конденсационный;
волосяной;
пленочный.

Каждый тип перечисленных приспособлений функционирует за счет определенного принципа работы, например, конструкционной особенностью волосяного устройства является наличие трубок U-образной формы. Конденсационный гигрометр считается самым точным. Он снимает измерения с минимальной погрешностью.

Существует еще одна категория приборов для измерения влажности воздуха, называются они психрометрами. Разновидности психрометров:

станционный;
дистанционный;
аспирационный.

Дистанционный психрометр

Станционный вариант прибора – самый популярный из них. Его конструкция включает пару термометров, закрепленных на штативе. Сухой термометр показывает температуру воздуха в комнате, влажный обертывается тканью, один конец которой опускается в резервуар, заполненный жидкостью (водой).

Обратите внимание! Нельзя опускать конец влажного термометра непосредственно в резервуар, иначе он будет отображать температуру воды, а не воздушных масс, циркулирующих над ней. Между концом прибора и емкостью должно быть расстояние не менее 30-40 мм.

Психрометрический метод в промышленности

Психрометры Августа или Ассмана могут с успехом применяться в офисах, квартирах, домах, аптеках, при пропарке бетона, в небольших теплицах и простых инкубаторах — это простой и дешевый метод косвенного измерения относительной влажности. Причем многие из этих психрометров, распространенных на рынке, являются средствами измерения утвержденного типа, и при их поверке поверяют отдельно оба термометра, входящих в их состав, без использования генераторов влажного воздуха и эталонных гигрометров, что значительно упрощает саму процедуру.

Но также очевидно, что использование подобных психрометров во многих отраслях промышленности сопряжено с некоторыми особенностями:

Так как применяются ртутные или спиртовые термометры, не имеющие аналогового или цифрового сигнала, невозможно интегрировать психрометры в систему автоматического управления технологическим процессом;
Почти все таблицы или номограммы, идущие в документации на психрометры, составлены для области положительных температур, а также не учитывают поправочные коэффициенты в результате влияния перечисленных выше факторов. В этом случае требуется аналитический перерасчет коэффициентов, а без возможности реализации на контроллере в автоматическом режиме это создает большие затруднения для оператора;
Во многих технологиях, таких как расстойка теста, выращивание грибов, сушка древесины, животноводство / птицеводство, в паровоздушной смеси присутствуют различные загрязняющие вещества или запыленность — это приводит к постепенному загрязнению воды в питателе и батистовой ткани, что увеличивает погрешность измерения;
В некоторых применениях, таких как сушка макарон, кирпича, древесины, требуется контроль относительной влажности при постоянно высоких температурах свыше 70 °С. Во-первых, большинство доступных на рынке психрометров из-за применения в своем составе жидкостных термометров имеют ограничение по верхнему значению температуры окружающего воздуха 40-50 °С. Во-вторых, испарение воды из питателя будет происходить достаточно интенсивно и он достаточно быстро опорожнится — от оператора потребуется постоянный контроль уровня воды и смоченности ткани. В-третьих, при температурах свыше 100 °С измерение станет невозможным по причине кипения воды.

Таким образом, в случае применения в промышленности психрометров Ассмана или Августа, неустранимое влияние перечисленных выше факторов, таких как запыленность, присутствие в атмосфере агрессивных веществ и работа в условиях низких и/или высоких температур, приводит либо к невозможности применения данного метода вообще, либо увеличению погрешности измерения влажности по опыту вплоть до 10-15%, что недопустимо в ряде технологических процессов.

Также психрометрический метод возможно реализовать, как упоминалось ранее, на базе двух термосопротивлений типа Pt100 с классом точности А или АА — один датчик будет являться «сухим» термометром, а другой обернут тканью, помещен над резервуаром с водой и являться «мокрым» термометром. При этом их сигналы подключаются на внешний контроллер, что позволяет уже обеспечить вычисление относительной влажности в автоматическом режиме. Например, возможен следующий алгоритм реализации:

В контроллер вводятся формулы 1 и 2, формулы расчета давления насыщенного водяного пара Ew(t’), Ei(t’), таблицы коэффициентов fw(P,t’), fi(P,t’), зависимость психрометрического коэффициента Aном от внешних факторов. Формулы расчетов приведены в статье «Новые возможности датчиков влажности Galltec+Mela D серии»
К контроллеру подключается:
внешний дискретный датчик, определяющий фазовое состояние воды. При невозможности применяется «упрощенный» алгоритм, когда по температуре «сухого» термометра в области -5…+5 °С происходит расчет значения относительной влажности по формуле 3: φ = φ w + φ i 2 %varphi={ %varphi _w+%varphi _i} over {2}
датчики контроля уровня воды в резервуаре и клапан, который обеспечит автоматическое наполнение резервуара дистиллированной водой из-за ее испарения;
ТЭНы для предварительного подогрева подаваемой дистиллированной воды до температуры, равной температуре «мокрого» термометра до того, как вода окончательно испарилась (если работа идет в области положительных температур). При отрицательных же температурах желательно подавать охлажденную воду с тем, чтобы ее переход в твердую фазу происходил как можно быстрее;
опционально возможно подключение датчика абсолютного давления для обеспечения компенсации влияния атмосферного давления на измерения влажности.
Вся система измерения защищается вентилируемым фильтрующим кожухом с тем, чтобы свести к минимуму влияние загрязняющих факторов и/или запыленности.
При таком подходе, можно добиться абсолютной погрешности измерения влажности вплоть до 2-3% без участия оператора в течении продолжительного времени.
В результате, пользователь может на базе программируемых логических контроллеров организовать полноценную систему непрерывного измерения относительной влажности психрометрическим методом в автоматическом режиме и с достаточно высокой точностью.

Как нормализовать микроклимат

Выяснив, какая влажность должна быть в доме, и измерив показатели в собственной квартире, следует также осведомиться о том, как добиться комфортного микроклимата. Дело в том, что излишне сухая атмосфера способствует удержанию в воздухе мельчайших пылевых частиц, которые ухудшают качество последнего и становятся причиной различных проблем со здоровьем, например:

нарушений работы ЖКТ;
головной боли и общей слабости;
сухости слизистых оболочек и кожных покровов;
понижения иммунитета.

Однако избыточное содержание водяных паров в воздушном пространстве комнат ничуть не лучше недостатка влажности, поскольку провоцирует активное размножение грибков, вызывающих хронические заболевания, в частности астму. Именно поэтому показатели влажности следует максимально приблизить к идеальным.

Методы повышения влажности

Как правило, воздух в помещении становится сухим в холодное время года, когда активно работают нагревательные приборы, а жильцы квартир пренебрегают регулярным проветриванием. Справиться с этой проблемой несложно, используя для увлажнения:

Специальные приборы. Производители предлагают три вида увлажнителей, принцип действия которых основан на испарении жидкости из встроенного резервуара и подаче недостающей влаги в воздушное пространство: механические, паровые и ультразвуковые. Некоторые модели оборудованы дополнительными насадками для проведения ингаляций, что особенно актуально в периоды ОРЗ.
Ёмкости с водой. Расставив контейнеры, наполненные водой, рядом с отопительными приборами, а также на тумбочках и шкафах, можно добиться практически такого же эффекта, как и от увлажнителя. По мере испарения жидкости в сосудах её уровень следует восполнять.
Влажные полотенца. В течение отопительного сезона справиться с низким уровнем влажности поможет ткань, смоченная в воде и разложенная на батареях.
Домашние цветы. Растения улучшают микроклимат в помещениях, поглощая углекислый газ, обогащая воздух кислородом и отдавая в атмосферу влагу.
Аквариум. Обзаведясь аквариумом, можно убить сразу двух зайцев — восполнить недостаток влаги и украсить комнату. С той же целью в помещениях устанавливают декоративные фонтанчики с циркулирующей водой.

Избавление от лишней влаги

Повышенная влажность является чуть менее распространённой проблемой, поскольку чаще всего бывает вызвана внешними причинами — например, водоёмом, который находится вблизи жилища, ветхой кровлей или сырым подвалом. В этом случае отрегулировать уровень влаги в воздухе, не избавившись от источника проблемы, весьма затруднительно. Если же сырость связана с жизнедеятельностью обитателей помещения, для борьбы с ней можно воспользоваться:

Осушители воздуха. Эти приборы подразделяются на компрессорные и адсорбционные. Первые загоняют влажный воздух в агрегат с помощью встроенных вентиляторов и протягивают через испаритель. В результате лишняя влага оседает на испарителе, а прогретый и осушенный воздух возвращается в помещение. В адсорбционных компрессорах находится специальное вещество, поглощающее избыток жидкости.
Кондиционеры и масляные радиаторы. Современные устройства оснащены функцией регулировки уровня влаги и вполне смогут справиться с сыростью в небольших помещениях.
Вытяжка. В непроветриваемых комнатах (к примеру, в ванной) непременно следует устанавливать качественные вытяжки. Кроме того, вентиляционными системами должны быть оборудованы металлопластиковые окна.

Избавиться от избыточной влажности также поможет ежедневное проветривание помещения — аэрация минимизирует содержание водяного пара и помогает отрегулировать микроклимат.

Оптимальный уровень влаги в квартире — это залог здоровья её жителей, поэтому следует выяснить, какая влажность должна быть в комнатах и добиваться поддержания нормальных показателей.

Альтернативный метод измерений влажности в промышленности

Очевидно, что при описанном выше подходе психрометрический метод измерения превращается в достаточно сложную измерительную систему, реализация которой является нетривиальной задачей. В свою очередь, упрощенный метод без учета указанных выше особенностей зачастую не обеспечивает требуемую точность или вообще не может применяться. По этой причине намного более распространенным в промышленности методом измерения относительной влажности является емкостной метод, который, в отличие от психрометрического, является прямым методом измерения относительной влажности воздуха

. В основе метода лежит влагозависимый конденсатор (см. рисунок 6).

Рисунок 6 — Схематичное изображение чувствительного элемента
Он представляет собой керамическую подложку, в которую вмонтированы электроды (обкладки), а сверху нанесен очень тонкий полимерный слой (диэлектрик), абсорбирующий молекулы воды из окружающего воздуха. Для понимания принципа измерения, обратимся к формуле 4 для расчета емкости плоского конденсатора:

C = ε ε 0 S d C= %varepsilon %varepsilon _0 {S} over {d}

где: Ɛ0

— электрическая постоянная 8,85*10-12 Ф/м;
S
– площадь обкладок конденсатора, м2;
d
– расстояние между обкладками, м;
Ɛ
— относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Все величины в формуле 4 являются константами, кроме диэлектрической проницаемости Ɛ — она прямопропорционально увеличивается вместе с увеличением степени насыщенности воздуха. Соответственно, чем выше относительная влажность воздуха, тем больше емкость влагозависимого конденсатора (сенсора). А дальше электронная плата датчика преобразует текущую емкость сенсора в аналоговый унифицированный сигнал 4…20 мА или 0…10 В, либо в цифровой сигнал по интерфейсу RS485 или RS232.

На основе данного метода измерений работают промышленные датчики влажности Galltec-Mela, в основе которых лежат уникальные сенсоры собственного производства, которые не боятся образования конденсата на своей поверхности, в отличии от сенсоров некоторых других производителей. Датчики имеют следующие преимущества:

высокая точность измерения — самый простой датчик серии L имеет основную допустимую погрешность измерения 3%. Также в ассортименте Galltec-Mela есть датчики серии А/В, выполненные на базе микроконтроллера, которые имеют допустимую погрешность всего 1,5% и являются средствами измерения утвержденного типа;
возможность долговременной работы при температурах -80…+200 °С;
простота защиты от запыленности и агрессивных сред в разных технологиях за счет применения фильтров для датчиков влажности
высокая стабильность, не зависящая от температуры или давления окружающего воздуха.

Особенности измерения относительной влажности в зимний период

Рассмотрим пример пересчета относительной влажности воздуха в зимний период на улице и в отапливаемом помещении. Воспользуемся для этого калькулятором, представленным на нашем сайте www.eksis.ru.

1. В области исходных условий задаем параметры, соответствующие зимнему периоду. Например:

— температура: −15°С;

— относительная влажность воздуха: 75%;

— давление, предположи: 1 атм.

2. В области заданий условий пересчета введем параметры воздуха, соответствующие отапливаемому помещению. Например:

— температура: +25°С;

— давление: 1 атм.

В столбце получаемых результатов пересчета мы видим, что относительная влажность воздуха в отапливаемом помещении будет соответствовать 4,53%. Также можем видеть результаты пересчета других параметров.

Влажность 4, 53% неприемлема для помещений, в которых работают люди или хранятся какие-либо предметы, продукты и т. п. Поэтому для поддержания необходимого уровня влажности часто устанавливают системы принудительного увлажнения воздуха, которые,к сожалению, не всегда эффективны. Определим, какое количество влаги необходимо испарить в помещении с температурой 20°С при температуре воздуха на улице −15°С и относительной влажности 75%, чтобы поддерживать в нем относительную влажность на уровне 55% при кратности воздухообмена 4 (промышленное помещение с приточно-вытяжной вентиляцией). Габариты помещения 4х6х2,5 м. В качестве примера рассчитывается влажность в помещении для хранения бумажных документов (температура воздуха должна равняться 18±2°С, относительная влажность — 55±5%).

1. При помощи калькулятора определяем, что в 1 м3 воздуха при температуре −15°С и относительной влажности 75% содержится 1,2 г воды (на улице).

2. При помощи калькулятора определяем, что в 1 м3 воздуха при температуре +18°С и относительной влажности 55% содержится 8,5 г воды (в помещении).

3. Найдем количество влаги, которое необходимо добавить в 1 м3 воздуха, на улице нагретого до +18° C, чтобы его относительная влажность равнялась 55%:

M = A (55%) — A (75%) = 8,5 – 1,2 = 7,3 г.

4. Найдем объем помещения:

V = 4 x 6 x 2,5 = 60 м3

5. Определим общее количество влаги М:

М = мV = 7,3 х 60 = 438 г.

6. Определим количество влаги, которое необходимо испарить в помещении за час при кратности воздухообмена равном 4:

М4 = М х 4 = 438 х 4 = 1752 г.

В сутки количество влаги должно составлять 24 х 1752 = 42 048 г.

Таким образом, для поддержания в помещении, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией относительной влажности 50% в зимний период, необходимо испарять в сутки около 42 литров воды!

Обращаем Ваше внимание, что при проведении расчетов не учитывается тот факт, что различные материалы (книги и другие изделия из бумаги, деревянная мебель и многое другое), находящиеся в помещении, поглощают значительное количество влаги из воздуха.

Летом, когда разница между температурой на улице и в помещении обычно не очень велика, влажность в помещении может быть достаточно высокой. Однако при этом также необходимо учитывать разность температур между улицей и помещением. Часто может наблюдаться ситуация, когда помещение с солнечной стороны прогревается до +30 градусов и выше, а на улице температура +17…+18°С, или противоположная ситуация, когда на улице на солнце температура может достигать +35°С, а в полуподвальном помещении прохладно (те же +18°С) и при этом, естественно, более влажно, чем на улице.

Следует также помнить, что любой прибор (и в том числе ИВТМ-7) измеряет влажность непосредственно в месте расположения измерительного зонда. В то же время, даже в небольшом по размерам помещении влажность в различных точках может существенно отличаться (до 20 — 30%). Это происходит из-за уже упомянутых локальных источников влаги (или её поглотителей) и существованияслабых конвекционных потоков (сквозняки и т. п.).

Сравним данные, полученные расчетным путем, с показаниями термогигрометров серии ИВТМ-7 за период с 01.12.2008 по 31.01.2009г.

1. Место проведения измерений: офис АО «ЭКСИС» и территория, прилегающая к зданию ОАО «Технопарк-Зеленоград».

2. Регистрируемые параметры:

— относительная влажность (%);

— температура (°С).

3. Используемые контрольно-измерительные приборы:

Сетевой восьмиканальный термогигрометр ИВТМ-7/8РМК-16А производит измерения температуры и относительной влажности воздухав офисе и на улице.

Использование стационарного прибора позволяет проводить измерения в удаленных местах (до 1000 метров) без ухудшения метрологических характеристик. Результаты измерений выводятся на индикаторе измерительного блока прибора, который располагается на пункте контроля.

Регистрация данных производится в автоматическом режиме с помощью программы NCServer.

Для измерения параметров микроклимата в производственных помещениях и офисе используются преобразователи ИПВТ-03-01 («минимикрофон»).

Для измерения параметров микроклимата на улице используется преобразователь ИПВТ-03-14 (класс защиты IP54).

Размещая преобразователь на улице, наши специалисты позаботились о его защите от влияния прямых солнечных лучей, осадков и других неблагоприятных факторов, влияющих на чувствительный элемент. Преобразователь помещен в специальный защитный экран.

Приборы серии ИВТМ-7 внесены в Государственный реестр средств измерений РФ под № 15500-12 и проходят периодическую ежегодную поверку.

4. Запись параметров микроклимата производится непрерывно с 2008 года.

5. Принцип действия термогигрометров серии ИВТМ-7.

Измерение относительной влажности производится с помощью сорбционно-емкостного сенсора. Принцип работы чувствительного элемента относительной влажности основан на зависимости диэлектрической проницаемости влагочувствительного слоя от влажности окружающей среды. В качестве влагочувствительного слоя использован полимерный материал. Для измерения температуры используется платиновый термометр сопротивления, выполненный по пленочной технологии. Кроме основной функции – измерения температуры, платиновый термометр задействован в системе компенсации изменений показаний влажности при различных температурах.

Чувствительные элементы относительной влажности и температуры установлены на конце зонда и закрыты металлическим или фторопластовым колпачком, обеспечивающим защиту их от механических повреждений и свободный доступ анализируемой среды.

6. Результаты измерений и их интерпретация.

На графике 1 представлены результаты изменений относительной влажности и температуры на улице рядом со зданием ОАО “Технопарк-Зеленоград” в зимний период (декабрь- январь).

График 1

Как мы видим, на графике 1 относительная влажность воздуха на улице в декабре-январе колебалась в диапазоне от 80 до 100% (с несколькими минимальными значениями до 60%), а температура – от −20 до +10°С.

Используя программу пересчета влажности, рассчитаем значения относительной влажности и температуры в помещении.

В области исходных условий задаем средние значения параметров за указанный период:

— температура: — 5°С;

— относительная влажность воздуха: 95%;

— давление, предположим: 1 атм.

В области заданий условий пересчета введем параметры воздуха, соответствующие отапливаемому помещению:

— температура: +25°С;

— давление: 1 атм.

В столбце получаемых результатов пересчета мы видим, что относительная влажность воздуха в отапливаемом помещении будет соответствовать 12,64%. Также можем видеть результаты пересчета других параметров.

Сравним полученные данные с результатами изменений относительной влажности и температуры прибором ИВТМ-7/8Р-МК-16А в помещении АО «ЭКСИС» в зимний период (декабрь-январь).

График 2

На графике 2 влажность воздуха в офисе менялась в диапазоне от 10 до 32% с несколькими максимальными пиками, которые связаны с проведением влажной уборки в помещениях.

Период зимних каникул с 1 по 11 января характеризуется снижением температуры в офисе с +28/+30 до +18°С, а влажности с 16 до 11%.

Средние значения параметров за два месяца:

Относительная влажность: 21,3%

Температура: 24,9°С

Вывод: как мы видим, фактические значения относительной влажности превышают рассчитанные при помощи специализированной программы. Это можно объяснить наличием в помещениях зеленых растений, которые регулярно поливаются; существенным количеством сотрудников, выдыхающих влажный воздух; еженедельным проведением влажной уборки и рядом других факторов.Но в целом, значения относительной влажности 21,3% не соответствуют значениям, указанным в нормативных документах:

1. СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.

2. ГОСТ. ССБТ. 12.1.005–88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

Таблица 1. Оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в жилых, общественных, административных помещениях.

Показатели	Период года
Показатели	теплый	холодный и переходный
Температура, °С	23—25	20—22
Относительная влажность, %	60—30	45—30
Скорость движения воздуха, м/с	Не более 0,25	Не более 0,1—0,15

Для оптимизации рабочих условий в помещениях желательно установить системы принудительного увлажнения.

Лабораторная работа по физике «Определение влажности воздуха»