II. Экспериментальная часть

1. Установка

У чебный стенд для исследования метеорологических параметров представляет собой стол. На него установлен кронштейн, с подвешенными психрометрами. На столе имеется пульт управления с тумблерами и индикаторными лампочками. Тумблер «Психрометр Ассмана» - включает вентилятор аспирационного психрометра, тумблер «Вентилятор» включает вентилятор, который служит для создания внешнего воздушного потока. Имеется измерительная линейка, или нанесенные на стенде отметки расстояний до вентилятора. Стенд подключается к розетке 220В. На столе могут находиться также различные электронные цифровые приборы для измерений.

2. Условия безопасности

• Основным, возможным источником опасности является электрический ток. Поэтому соблюдайте правила электробезопасности.

• Вентилятор имеет защитное ограждение, Поэтому эксплуатировать его без ограждения запрещено, не приближайтесь к вентилятору с распущенными волосами.

• Градусники психрометров в стеклянных трубках содержат ртуть. Будьте аккуратны.

3. Приборы

Для измерений температуры воздуха применяются термо­метры нескольких типов.

Обычный термометр (ртутный или спиртовой) использует­ся для измерения температуры воздуха только в данный мо­мент времени.

Шкала термометров большей частью имеет цену деления 0,5 или 0,2°С. По месту расположения шкалы термометры раз­деляются на палочные — с толстыми стенками капилляра, на которые непосредственно наносится шкала, и со вставной шкалой из молочного стекла, которая крепится внутри наружной стеклянной оболочки термометра.

Максимальный термометр применяется для установления наивысшей температуры, которая была в помещении между сроками наблюдения.

В этом термометре имеется сужение капилляра в месте сочленения его с резервуаром. Здесь столбик ртути, подняв­шийся яри повышении температуры, при последующем охлаж­дении воздуха отрывается от общей массы ртути в резервуа­ре и, таким образом, остается зафиксированным на достигну­том уровне шкалы.

Для проведения последующих измерений термометр необ­ходимо сильно встряхнуть, чтобы протолкнуть ртуть из капил­ляра до соединения с ртутью в резервуаре.

Минимальный термометр применяется для фиксации наинизшей температуры, которая была в помещении между сро­ками наблюдения.

Минимальный термометр имеет внутри капилляра свобод­но передвигающийся стеклянный штифтик. Если термометр перевернуть резервуаром кверху, штифтик под действием си­лы тяжести опустится только до конца столбика спирта, даль­нейшему движению его мешает поверхностная пленка, огра­ничивающая мениск. Если затем термометр расположить го­ризонтально, то при понижении температуры и укорачивании столбика спирта штифтик будет увлечен спиртом, а при по­вышении температуры спирт свободно обтекает его. Таким образом по грани штифтика, обращенной к мениску столба спирта, можно судить о минимальной температуре.

Для проведения последующих измерений термометр необ­ходимо слегка приподнять резервуаром кверху, чтобы штифтик снова дошел до мениска столба спирта. Далее термометр следует положить горизонтально на новое место измерения.

Парный термометр применяется для измерения темпера­туры воздуха в помещениях, имеющих источники значитель­ных тепловых излучений (кузнечные, прокатные цехи, котель­ные и т. п.).

При замерах температуры в таких помещениях показания термометров описанных типов не могут соответствовать ис­тинной температуре воздуха. Эти термометры будут показы­вать температуру поверхности самого термометра, нагревае­мого тепловыми излучениями.

Парный термометр состоит из двух термометров. У одного из них резервуар со спиртом посеребрен, а у другого — зачер­нен, поэтому один отражает основную часть лучистого тепла, а другой поглощает его.

Истинная температура воздуха в помещениях со значи­тельными тепловыми излучениями определяется по формуле

где — показание «блестящего» термометра, °С;

— градуировочный фактор прибора, определяемый на заводе-изготовителе;

— показание «черного» термометра, °С.

Для определения влажности воздуха применяются различного рода гигрометры и психрометры. Наиболее распространенными при измерениях влажности воздуха в рабочих помещениях являются психрометры Августа и Ассмана, волосяные или пленочные гигрометры, а также гигрографы.

Т есто-615 – прибор для измерения температуры и относительной влажности в помещении.

В ключение и выключение прибора осуществляется белой сенсорной кнопкой «1/0» С измерительного зонда необходимо снять колпачок. С верхней строки снимаются данные по относительной влажности в %, а с нижней – температуры в °С. Кнопка «%/td» управляет размерностью измеряемых параметров. Смена режима измерения осуществляется другой кнопкой «HOLD/MAX/MIN». (Если вы попали в неизвестный режим, то выключите, а затем включите прибор)

Психрометр Августа—прибор для определения абсолютной влажности — состоит из двух термометров: «сухого» и «влаж­ного», установленных вертикально. Резервуар «влажного» термометра обернут кусочком батиста, свободный конец ко­торого опущен в сосуд с дистиллированной водой. С поверх­ности ткани все время испаряется влага, поддерживая таким образом термометр в среде насыщенных водяных паров.

На испарение воды расходуется некоторое количество теп­ла Q', отнимаемое от «влажного» термометра. Но в то же время количество тепла Q" передается этому термометру из окружающей среды. При равенстве Q' = Q" наблюдается ста­ционарное состояние «влажного» термометра. «Влажный» термометр при этом всегда (за исключением случая, когда от­носительная влажность равна 100%) дает меньшее показание, чем «сухой».

П о закону Дальтона количество испаряющейся воды

где — коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости движения воздуха;

— упругость насыщенного пара при показании «влаж­ного» термометра, мм рт. ст.; по физическому смыс­лу Е' есть максимальная влажность при

— абсолютная влажность, мм рт. ст.;

— атмосферное давление, мм рт. ст.

Расход тепла на испарение Q' можно найти как произве­дение количества испаряющейся воды V на скрытую теплоту парообразования L

Приход тепла по закону теплообмена Ньютона

где h — коэффициент теплообмена, зависящий от скорости движения воздуха;

— соответственно показания «сухого» и «влажного» термометров психрометра, °С.

При стационарном состоянии психрометра Q' = Q", поэтому

откуда абсолютная влажность

Обозначив через A, получим расчетную формулу для определения абсолютной влажности по психрометру Августа

где А — психрометрический коэффициент, зависящий от ско­рости движения воздуха около прибора.

Зная абсолютную влажность, можно определить и относи­тельную влажность R (%) по формуле

где Е — максимальная влажность или упругость насыщенно­го пара при температуре «сухого» термометра, мм рт. ст.

Численные значения Е', А, Е определяются по табл. 1, 2 приложения.

Для грубой оценки относительной влажности по показани­ям психрометра составлены особые психрометрические табли­цы и номограммы (рис. 2, 3 приложения).

А спирационный психрометр Ассмана. Недостатком психрометра Августа является зависимость его показаний от непостоянной скорости движения воздуха вокруг резервуара «влажного» термометра. Указанного недостатка лишен психро­метр Ассмана.

В этом приборе резервуары обоих термометров помещены в двойных латунных никелированных трубках, которые яв­ляются ответвлениями одной длинной трубы. В верхнем кон­це ее установлена турбинка — вентилятор. Турбинка приво­дится в движение электрическим микродвигателем и создает около резервуара термометров стандартный воздушный по­ток.

На «влажный» термометр надевается батистовый колпа­чок, который перед опытом (за 4 минуты до отсчета) смани­вается дистиллированной водой. Показания обоих термомет­ров снимаются в установившемся режиме, т. е. когда при ра­ботающей турбинке положение ртутных столбиков стабилизи­ровалось. Формула для вычисления абсолютной влажности с достаточной степенью точности может быть написана так:

где и — соответственно температура «сухого» и «влаж­ного» термометров психрометра Ассмана.

Гигрометр — прибор для непосредственного определения относительной влажности воздуха. Приемной частью прибора является обезжиренный в эфире или спирте человеческий во­лос или специальная синтетическая пленка, которые через блок соединены с легкой стрелкой-указателем. При уменьше­нии относительной влажности приемная часть укорачивается, а при увеличении — удлиняется. Стрелка-указатель в соответ­ствии с этими изменениями перемещается вдоль шкалы, на которой нанесены деления от 0 до 100, указывающие процент относительной влажности.

Гигрометр является единственным прибором для определения влажности при отрицательных температурах.

Точность показаний гигрометра очень мала. Ошибки из­мерений могут доходить до 5%.

И змеритель влажности и температуры ИВТМ–7 (ИВТС-7) -прибор предназначен для измерения относительной влажности и температуры, а также для определения других температуро-влажностных характеристик воздуха.

В качестве чувствительного элемента измерителя температуры используется пленочный терморезистор, выполненный из никеля. Чувствительным элементом измерителя относительной влажности является емкостной датчик с изменяющейся диэлектрической проницаемостью. Принцип работы прибора основан на преобразовании емкости датчика влажности и сопротивления датчика температуры в частоту с дальнейшей обработкой ее с помощью микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает информацию, отображает ее на жидкокристалическом индикаторе и одновременно выдает с помощью интерфейса RS – 232 на компьютер.

Прибор включается однократным нажатием кнопки F1 - на индикаторе появляются либо значение измеряемой температуры в °С, либо измеряемой относительной влажности в % .

Повторное нажатие кнопки F1 - приводит к последовательному изменению выводимых на индикатор величин: температура, относительная влажность, температура влажного термометра, влажность в г/м³, снова температура (Рис.) и т.д. Температура "влажного термометра", необходимая для вычислении температурного индекса WBGT.

(Если случайно Вы нажали кнопку F2, то, чтобы перейти в режим измерения, надо нажать кнопку F1. Если вы случайно попали в неизвестный режим, выключите прибор кнопкой ВЫКЛ а, затем включите его кнопкой F1).

Измеритель влажности и температуры ИВА-6

Т ермогигрометр, позволяет непрерывно вести измерения температуры и относительной влажности по одному каналу с выводом на цифровой дисплей.

Для измерения влажности нажмите левую кнопку и считайте результат с индикатора.

Для индикации температуры – правую. Выключение прибора осуществляется автоматически через 30 с, если нажатий кнопок большее не производится.

Для измерений скорости движения воздуха применяются анемометры различных конструкций.

Крыльчатый и чашечный анемометры — приборы для из­мерения скорости движения воздушного потока. У чашечного анемометра на оси насажена крестовина с полыми полусфе­рами, у крыльчатого — вертушка мельничного типа из тол­стой алюминиевой фольги. Под действием воздушного потока воспринимающая часть прибора начинает вращаться. Это вра­щение при включенной передаче через систему зубчатых колес приводит в движение стрелки счетчиков оборотов. Передача включается и выключается рычажком, расположенным на бо­ковой части корпуса анемометра.

Скорость движения воздушного потока пропорциональна показаниям счетчика, которые характеризуют длину пути, пройденного потоком воздуха мимо прибора за определенное время.

Пределы измерений: для чашечного анемометра — от 1 до 20 м/с и для крыльчатого — от 0,3 до 5 м/с.

Анемометр АПР-2 предназначен для определения средней скорости воздушного потока при метеорологических измерениях.

Анемометр определяет среднее значение скорости воздушного потока за интервал времени измерения произвольной длительности в диапазоне от 1 до 999 с. Текущее значение длительности интервала измерения в секундах непрерывно индицируется на цифровом инди­каторе анемометра в процессе проведения замера.

Р абота анемометра основана на тахометрическом принципе пре­образования скорости воздушного потока в частоту электрического сигнала с помощъю металлической крыльчатки, угловая скорость вращения которой линейно зависит от скорости набегающего воз­душного потока. Начало и окончание ка­ждого измерения задаются оператором кратковременным нажатием на кнопку управления. Длительность интервала измерения может быть произвольной в диапазоне от 1 до 999 с.

Анемометр имеет два органа управления - левую кнопку 1 и пра­вую кнопку 2, расположенных на лицевой панели измерительного блока 3 (рис. 1). Левая кнопка - с фиксацией, служит для включения и выключения питания анемометра. Правая кнопка - без фиксации слу­жит для управления режимами работы прибора.

Рис. 1. Анемометр АПР-2. Основные функциональные элементы: 1,2- кнопки управления; 3 - измерительный блок; 4 - индикатор; 5 - вывод контроль­ной точки; 6 - первичный преобразователь; 7 - выдвижная штанга; 8 - накидная гай­ка; 9 -винт; 10 - удлинитель; 11, 12 - разъёмы; 13 - резьбовая втулка; 14 - накидная гайка.

Включите анемометр левой кнопкой. На индикаторе должна поя­виться надпись «UI».

Нажмите и отпустите правую кнопку. Момент отпускания правой кнопки соот­ветствует началу интервала измерения. При этом начинает ин­дицироваться текущее время с начала замера в секундах

Для окончания замера нажмите и удерживайте правую кнопку. При этом индицируется длительность интервала измерения в секун­дах. Отпустите правую кнопку - на индикаторе анемометра появится результат измерения скорости воздушного потока.

Выполнение ряда последовательных замеров скорости воздуш­ного потока с вычислением его среднего значения должно произво­диться в следующем порядке:

Выполните первый замер. Не выключая анемометр, нажмите и удерживайте правую кноп­ку. На индикаторе появится надпись «U2». Момент отпускания пра­вой кнопки соответствует началу второго интервала измерения.

Для окончания второго замера нажмите и удерживайте правую кнопку. При этом индицируется длительность второго интервала из­мерения в секундах. Отпустите правую кнопку — на индикаторе ане­мометра появится результат второго замера.

Выполните необходимое количество замеров скорости воздуш­ного потока. На индикаторе вместо надписи «U2» должны появляться соответственно надписи «U3, U4» и т.д.

Выключите анемометр левой кнопкой, и сразу же нажмите и удерживайте правую кнопку. На индикаторе появится средневзвешенное по времени значение скорости ряда произведённых замеров. Отпустите правую кнопку, после чего должна индицироваться над­пись о количестве произведённых замеров. Например, если было про­изведено три замера, то должна появиться надпись «Uc3».

Примечание:

• Анемометр не может производить измерения за время, меньшее од­ной секунды. При попытке произвести такое измерение индицируется «0» в среднем разряде.

• Показания скорости воздушного потока в диапазоне 0,05-0,2 м/с и за время от 1 до 10 с следует квалифицировать как индикаторные.

• Если при наличии на индикаторе надписи типа «Uc3» повторно на­жать и удерживать правую кнопку, результат измерения появится сно­ва. Результат последнего замера хранится в памяти прибора до начала следующего замера. Для возобновления его индикации необходимо включить прибор.

Признаком выключенного прибора является погашенный индикатор

Анемометр Testo – 415 - прибор предназначен для измерения температуры и скорости воздуха в помещениях. Информация отображается на большом двухстрочном дисплее. Прибор имеет возможность усреднения результатов измерений по времени и числу замеров.

Включение и выключение прибора осуществляется сенсорной кнопкой «1/0» С измерительного зонда необходимо снять колпачок. С верхней строки снимаются данные по скорости воздушного потока ( м/с), а с нижней – температуры (°С). Смена режима измерения осуществляется кнопкой «HOLD/MAX/MIN/MEAN). Для использования возможностей измерения и усреднения по числу замеров и по времени воспользуйтесь кнопкой «START / STOP», которая запускает и останавливает таймер. Если вы попали в незнакомый режим, то выключите и снова включите прибор к нопкой «1/0».

Для измерения ТНС-индекса используется измеритель влажности И ВТМ-7 на датчик которого закреплен полый черный шар.

ТНС-индекс определяется на основе величин температуры смоченного водой термометра аспирационного психрометра (t_вл) и температуры внутри зачерненного шара термометра (t_ш), применяемого для измерения температуры с учётом теплового инфракрасного излучения и скорости движения воздуха.

Зачерненный шар имеет диаметр 90 мм, малую толщину и коэффициент поглощения порядка 0,95. Точность измерения температуры внутри шара определяется погрешностью 0,5°С.

Датчик прибора ИВТМ-7 устанавливают на штатив и осторожно надевают на него шар. Кабель датчика подключают к измерителю. Последовательность измерений полностью совпадает с измерителем влажности и температуры ИВТМ-7. ТНС- индекс рассчитывается по уравнению:

Кататермометр, называемый еще тепловым анемометром, применяется для измерений малых скоростей движения воз­духа (< 0,5 м/с). Этот прибор представляет собой видоиз­мененный термометр, который, кроме резервуара с окрашен­ным спиртом, имеет внизу ц вверху капиллярной трубки рас­ширения. На трубке нанесены штрихи, соответствующие 35— 38°С. Для подготовки кататермометра к измерениям резерву­ар осторожно нагревают в водяной «бане», чтобы спирт запол­нил около 0,5 верхнего расширения капиллярной трубки. При этом следят, чтобы в капилляре не оставалось пузырьков воз­духа. Затем прибор подвешивают на место измерения, вытерев его досуха.

В воздушном потоке кататермометр постепенно остывает и столбик спирта опускается. По секундомеру отмечают вре­мя охлаждения кататермометра на участке от 38 до 35°С (в середине этого интервала находится температура 36,5). Та­ким образом, по существу прибором измеряется охлаждаю­щая способность воздуха при температуре человеческого тела.

Скорость движения воздуха (в м/с) определяется по сле­дующей формуле:

где охлаждающая способность воздуха,

F — фактор кататермометра, т. е. потеря тепла при­бором с каждого см² его поверхности при ох­лаждении с 38 до 35°С,

Фактор — величина постоянная для данного прибора, определяется заводом-изготовителем и наносится на верхней части прибора;

— время опускания столбика спирта на участке от

38 до 35°С, с;

— разность между средней температурой интер­вала кататермометра и температурой воздуха (36,5 — t);

А и В — постоянные, значения которых:

А = 0,2 и В=0,4 (при ).

Для измерения давления воздуха применяются различного рода барометры.

Ртутный барометр, принцип устройства которого основан на опыте Торичелли. Барометр представляет собой два сооб­щающихся сосуда, наполненных ртутью. Один из этих сосу­дов— длинная (более 900 мм) стеклянная трубка с запаян­ным верхним концом, не содержащая внутри воздуха, другой сосуд — короткий и обязательно открытый.

Большая трубка градуируется в миллиметрах (а при на­добности и в долях миллиметра), по положению ртути в ней можно судить о давлении воздуха.

Н аиболее распространенным прибором является металли­ческий барометр (анероид). Устройство его основано на ис­пользовании упругих деформаций приемника под влиянием изменений давления.

Приемное устройство (анероидная коробка) выполнено в виде плоской металлической цилиндрической коробки с гофрированными крышкой и дном. В коробке создано сильное разряжение, но она не сплющивается под действием внешнего давления, так как крышка оттягивается пружиной. При изме­нениях давления упругие деформации крышки через рычаж­ную передачу в увеличенном масштабе передаются стрелке-указателю, которая перемещается вдоль шкалы, градуирован­ной в единицах давления.

Ошибки измерений могут достигать 1 — 1,5%.