Исследование влажности воздуха с помощью самодельных гигрометров

XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование влажности воздуха с помощью самодельных гигрометров

Воробьёва В.С. 1Музюков К.О. 1
1МОУ СШ №6
Анкудинова О.В. 1Глазов С.Ю. 2
1МОУ СШ №6
2ФГБОУ ВО "ВГСПУ"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Влажность воздуха - важный экологический показатель среды. От влажности зависит интенсивность испарения влаги с поверхности кожи человека. А испарение влаги имеет большое значение для терморегуляции организма. При слишком низкой или слишком высокой влажности наблюдается быстрая утомляемость человека, ухудшение восприятия и памяти.
Влажность влияет не только непосредственно на самого человека, но на окружающий его мир. Хранение произведений искусства и книг требуют поддержания влажности воздуха на необходимом уровне. Поэтому на стенах   в музеях можно увидеть психрометры (приборы  для измерения влажности). Продукты питания, строительные материалы и даже многие электронные устройства допускается хранить в строго определённом диапазоне относительной влажности воздуха. Многие технологические процессы возможны только при строгом контроле содержания паров воды в воздухе производственного помещения. Хотя количество водяного пара в атмосфере сравнительно невелико, роль его в атмосферных явлениях значительна. Конденсация водяного пара приводит к образованию облаков и последующему выпадению осадков, что приводит к выравниванию климатических условий в достаточно удаленных друг от друга районах Земли. Известно, что большое значение имеет знание влажности в метеорологии для предсказания погоды. В сухом воздухе, имеющем малую относительную влажность, испарение (и связанное с ним охлаждение) происходит быстро. В воздухе с большой относительной влажностью испарение замедляется и охлаждение незначительно.
Влажность играет большую роль в жизни человека.  Поэтому очень важно следить за влажностью воздуха, уметь измерять её. Влажность воздуха является одним из основных параметров микроклимата помещения, и поэтому нас очень заинтересовала проблема определения влажности воздуха в помещении школы.

Соответствует ли относительная влажность воздуха, который нас окружает, санитарным нормам?

Но мы столкнулись с проблемой определения содержания водяного пара в школе и у себя дома. Гигрометр старый был разбит, а выписанный с доставкой новый прибор шёл очень долго. Мы предложили учителю физики самим изготовить приборы для определения влажности воздуха и за помощью обратились к учителю технологии.
В связи с поставленной проблемой, мы сформулировали тему: «Исследование влажности воздуха с помощью самодельных гигрометров».
Цель работы – исследовать влажность воздуха в различных помещениях школы, используя самодельные гигрометры.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

дать определение основным понятиям влажности воздуха;

выяснить, какое влияние оказывает влажность воздуха на организм человека, а также на различное оборудование, технику и другие предметы, находящиеся в помещении;

определить оптимальные значения влажности воздуха в различных условиях;

описать основные способы измерения влажности воздуха;

разобрать устройство и принцип действия приборов для определения влажности воздуха;

изготовить гигрометры и проверить их в работе, определив их технические характеристики;

измерить влажность воздуха в различных помещениях школы, соотнести её с санитарными нормами, сделать выводы.

Объект исследования – влажность воздуха кабинетов школы .

Предмет исследования – работа самодельных гигрометров.
Методы: сравнительный, статистический, логический, системного подхода и анализа.

Оборудование: три самодельных гигрометра, заводской гигрометр психрометрический.

 Гипотеза: одинаково точные получаются значения относительной влажности, измеряемые самодельными и заводскими гигрометрами.

Практическая значимость. Самодельные гигрометры используются для исследования влажности воздуха на ряду с заводскими. Результаты исследований могут использоваться в целях улучшения микроклимата школы, т.к. в школе ученики и учителя проводят большую часть своего времени.

Актуальность нашего исследования заключается в том, что в последние годы среди обучающихся школ высокий процент простудных заболеваний, а низкая влажность вызывает быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, гортани, легких, что приводит к простудным и другим заболеваниям. Высокая влажность также вызывает некоторые негативные явления в организме человека, например, нарушается теплообмен организма с окружающей средой, что приводит к перегреву тела.

Влажность воздуха

1.1 Сведения о воздухе

Воздух необходим для существования и жизнедеятельности всех живых организмов.

В 1754 году шотландский химик и физик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не простое вещество.

Воздух (атмосферный воздух) – это смесь газов, основными компонентами которого являются азот и кислород, которые в сумме составляют 98-99%.

Кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы).

1.2 Влажность воздуха 

Влажность воздуха — это мера содержания влаги (водяного пара) в воздухе. Чем больше водяного пара в объеме воздуха, тем больше его влажность. При низкой влажности, мера водяного пара в воздухе снижена, и воздух становится сухим. Влажность воздуха на улице и в помещении меняется в зависимости от погодных условий, процессов жизнедеятельности людей, работы технического оборудования, системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
      Степень сухости и влажности воздуха, находятся в прямой зависимости от того, насколько водяной пар близок к насыщению, иными словами, к 100-процентной влажности (т.е. такое состояние воздуха, при котором он полностью насыщен влагой). Если охладить влажный воздух, можно довести находящуюся в нем влагу до такого состояния, что она начинает конденсироваться, т.е. превращаться в воду. Данное явление можно наблюдать при охлаждении воздуха в обычном кондиционере, при охлаждении комнатного воздуха, в кондиционере начинает образовываться конденсат. В природе данное явление наблюдается при возникновении росы ранним утром, после конденсации охладившегося ночного воздуха.
      Сам процесс конденсации охлаждаемого воздуха проявляется в появлении капель сконденсировавшейся жидкости – росы. Температура, при которой происходит перенасыщение водяного пара, находящегося в воздухе, т.е. возникновение конденсата, называется точкой росы [1].

Абсолютная влажность воздуха — это весовое количество водяных паров, содержащихся в 1м3 воздуха. В состоянии насыщения (при максимально возможном содержании влаги) абсолютную влажность воздуха называют влагоёмкостью.

Несмотря на то, что абсолютную влажность можно представить, тем не менее, это не дает полного понятия о влажности или сухости воздуха. Для того чтобы определить степень сухости или влажности воздуха, введено такое понятие, как относительная влажность.

Относительная влажность дает другое абстрактное понятие содержания влаги в воздухе. Данная величина показывает долю в процентном отношении, т.е. как насыщен воздух водяным паром.

Другими словами, относительная влажность – это отношение массы влаги, находящейся в воздухе в данный момент, к максимальной массе влаге, которая вообще может находиться в этом объеме воздуха при данной температуре.

Когда говорят о влажности воздуха, например, в сводках метеопрогноза, всегда имеют в виду именно относительную влажность воздуха, выраженную в процентах.

Оптимальная влажность воздуха в жилых помещениях около 60%. Что касается комнат, где живут астматики и аллергики, лучше её выдерживать 70%.

Проветривать зимой комнаты, чтобы увеличить в них влажность, бесполезно. Потому что в холодном воздухе мало влаги. Попав внутрь дома, он нагревается, становясь сухим, что способствует снижению влажностного режима.

Самый большой враг влажности – отопительная система дома. Но на этот показатель также влияют все электрические бытовые приборы.

Способы определения влажности воздуха

Измерение влажности воздуха в домашних условиях

К простейшим бытовым методам измерения влажности можно отнести:

стакан с водой. Принцип работы прост: наполнив стакан водой, ставим в холодильник на несколько часов, чтобы жидкость остыла почти до нуля, но не замёрзла, затем вносим в интересующее нас помещение.

а) если воздух сухой — стенки стакана запотели, а после практически разу высохли;
б) воздух со средним показателем влажности: стакан запотел, а через 10-12 минут конденсат испарился;
в) высокая влажность воздуха — по стенкам стакана стекаю капли воды.
Кстати, с таким же успехом можно использовать и обычную пластиковую бутылку, наполненную холодной водой.

Термометр. По принципу действия метод довольно близок к профессиональным измерителям влажности. Измеряем обычным ртутным термометром температуру в помещении, записываем полученную величину, после чего оборачиваем головку градусника мокрой марлей (ватой), и по истечении 10-12 минут фиксируем новый показатель. Полученная разница температур будет средним показателем влажности воздуха в процентах.

Профессиональные устройства измерения влажности

Если говорить о профессиональных приборах для измерения влажности в помещении, то к ним относятся [3]: термогигометры, психрометры.

Гигрометры измеряют влажность, термогигрометры — более комплексный прибор, отмечающий также и температуру. Они бывают: волосяные: приборы измерения на основе синтетического «волоса», который меняет длину в зависимости от влажности. Такой прибор довольно точен и прост в использовании; плёночные: органическая плёнка изменяет физические свойства зависимости от влажности воздуха: сжимается при ее снижении, и растягивается при повышении. Значения выводятся на циферблат. Гигрометры используют в помещениях с низкими температурами.

Психрометры — наиболее точные устройства для измерения влажности. Состоят из двух термометров. Один сухой, фиксирует температуру воздуха. Второй погружён в резервуар с водой, чтобы показывать температуру влажной среды. Полученная разница и будет искомой влажностью воздуха в помещении.

При измерении влажности в квартире или доме следует учитывать, что работающие кондиционеры, приборы отопления, вентиляции, вытяжки снижают общий показатель, а повышают его наличие в помещении открытых аквариумов, декоративных фонтанов, большого количества растений или регулярное проведение влажной уборки [4].

Самодельные гигрометры

Изготовление и подготовка к работе

Мы решили самостоятельно изготовить волосяные гигрометры и протестировать их, оценив его точность, удобство и погрешность измерений.

Принцип действия волосяного гигрометра основан на небольшом увеличении длины волоса при увеличении влажности.

Устройства гигрометров, внешний вид, принцип действия приборов, точность измерений в Таблице №1.

Табл. №1 Устройства самодельных гигрометров, внешний вид, принцип действия приборов, точность измерений

 

Гигрометр №1

Гигрометр №2

Гигрометр №3

Внешний вид

     

Устройство

В качестве основы, на которой разместились детали гигрометра, был взят лист фанеры размером 40 см на 10 см.

Для эксперимента мы взяли жёсткий обезжиренный ацетоном волос длиной 50 см.

На листе фанеры закрепили ось шкива и один конец волоса привязали к вбитому в фанеру гвоздику.

В качестве шкива использовали деталь от детской игрушки, который легко вращается вокруг оси (ещё один вбитый в фанеру гвоздик).

Стрелка 15 см. изготовлена на 3D принтере, в которой сделано отверстие для шкива и насажена на горизонтально расположенный гвоздик таким образом, чтобы она могла свободно в ращаться [2].

Корпус этого гигрометра- полированные части полки.

Вместо волоса мы использовали шерстяную нить.

Ко второму концу нити подвесили грузик массой 50г из набора разновесов.

На толстый короткий конец стрелки в качестве противовеса приклеили кусочек ластика, подобрав массу так, чтобы стрелка находилась в безразличном состоянии. Стрелка вырезана из тонкого металлического л иста.

Два термометра с ценой деления 10С прикреплены для удобства к пластмассовой коробке, на дне которой помещена психрометрическая таблица, которая подходит для данной скорости аспирации. Правый термометр опущен в небольшой пластиковый резервуар, который заполняется водой.

Принцип действия

Принцип действия волосяного гигрометра основан на небольшом увеличении длины волоса при увеличении влажности.

Принцип действия- увеличение длины шерстяной нити при увеличении влажности.

Метод измерения относительной влажности основывается на зависимости между влажностью воздуха и психрометрической разницей показаний «сухого» и разницей показаний «сухого» и «влажного» термометров, что состоят в термодинамическом равновесии с окружающей средой. Влажность воздуха определяют по таблице.

Шкала

Изготовленный нами гигрометр проградуирован был с помощью гигрометра №3.

Изготовленный нами гигрометр проградуирован был с помощью гигрометра №3.

Заводская шкала на термометрах.

Точность измерений, причины погрешностей

Погрешность измерений (после доработки шкалы) составляет около 5%. Цену деления шкалы пришлось делать меньше, чтобы увеличить точность измерений.

Погрешность измерений до 10% причина- шерстяная нить очень сильно реагирует на изменения влажности.

Самые точные показания влажности воздуха, но таблица имеет большой «шаг» значения температур.

Для измерения влажности мы также решили использовать датчик DHT11. Фото 1. Такие датчики очень популярны в среде Ардуино и часто используются в проектах метеостанций и умного дома.

Датчик состоит из двух частей – емкостного датчика температуры и гигрометра, используется для измерения температуры, второй – для влажности воздуха. Находящийся внутри чип может выполнять аналого-цифровые преобразования и выдавать цифровой сигнал, который считывается посредством микроконтроллера [6].

Фото №1 Устройство для измерения влажности воздуха

Технические характеристики датчика DHT11. Питание: DC 3,5 – 5,5 В. Ток питания: в режиме измерения 0.3mA. Определение влажности 20–80 % с точностью 5 %- 7%. Размеры 15,5´12´5,5 мм [5].

3.2 Измерение влажности воздуха в школьных кабинетах

Самодельные гигрометры были протестированы измерениями влажности в квартире и учебных кабинетах. В Таблице №2 можно увидеть показания самодельных гигрометров и измерения, полученные с помощью школьного гигрометра психрометрического. Можно сделать вывод о том, что точность измерений у всех приборов разная.

Табл. №2 Показания гигрометров

Название прибора

Кабинет физики

Кабинет географии

Кабинет биологии

Кабинет истории

Оптимальные значения влажности

Относительная влажность, %

 

Гигрометр №1 самодельный

65

70

65

70

40- 60 %

Гигрометр №2 самодельный

70

75

70

75

Гигрометр №3 самодельный

63

67

65

64

Гигрометр№4 психрометрический школьный (заводской)

63

65

67

63

Гигрометр№5

цифровой датчик влажности

65,3

66,2

66,4

62,1

Диаграмма №1 Измерение влажности воздуха. По вертикали-влажность в %, по горизонтали- виды гигрометров, по цвету- название кабинетов

Выводы

Были изготовлены приборы, которыми измеряется влажность воздуха внутри помещений. В них использовались: в первом - обезжиренный волос, который натянут и связан со стрелкой, изготовленной на 3D принтере; во втором- шерстяная нить на круговой шкале. В данных гигрометрах принцип действия одинаков: при увеличении или уменьшении влажности нить/ волос меняют свою длину, поворачивая стрелку прибора в соответствующую сторону. Волосяной гигрометр достаточно точен, прост, удобен, но диапазон измерений ограничен.

Третий гигрометр изготовлен из термометров, закреплённых на пластмассовом основании с использованием психрометрической таблицы. Он, конечно, более точный, т.к. шкала у термометров - заводская.

Данные цифровых датчиков отличаются точностью, они просты в использовании. Датчики имеют высокую чувствительность.

Цель достигнута. Задачи решены. Гипотеза подтверждена не полностью: не все самодельные гигрометры конкурентные с заводским школьным оборудованием, но при усовершенствовании шкалы приборов, точность измерений увеличивается.

В школьных кабинетах показатели влажности чуть превышали оптимальные значения, это объясняется временем года, частыми проветриваниями (т.к. ученики занимаются в одном кабинете в период ограниченности из-за распространения коронавируса), поливом цветов.

Относительная влажность воздуха, который нас окружает в исследуемых кабинетах, санитарным нормам соответствует.

Во время работы над исследовательским проектом, мы приобрели колоссальный опыт: научились многому, а именно: работать с 3D принтером, выпиливать и шлифовать дерево, работать с металлом. Познакомились с электронным конструктором Arduino для проектирования электронных устройств и работой цифрового датчика температуры и влажности DTH11.

Литература и электронные источники:

Мякишев Г.Я., Бухонцев Б.Б., Сотский Н.Н. Классический курс. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций: базовый уровень/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Бухонцев, Н.Н. Сотский -Москва, 2018- 416с.

Генденштейн Л.Э, Булатова А.А., Корнильев И.Н, Кошкина А.В. Физика 10 класс, часть 2. Учебник для общеобразовательных организаций: углублённый уровень/ Л.Э. Генденштейн, А.А. Булатова, И.Н. Корнильев, А.В. Кошкина - Москва, 2019- 239с.

https://ventkam.ru/vozduh/vlazhnost/izmeritel-svoimi-rukami - дата обращения 11.04.21

https://m-strana.ru/articles/normalnaya-vlazhnost-vozdukha/?utm_source=copy&utm_medium=direct&utm_campaign=copy_from_site- дата обращения 20.04.21

https://3d-diy.ru/wiki/arduino-datchiki/datchik-vlazhnosti-i-temperatury-dht11/- дата обращения 31.10.21

https://arduinoplus.ru/arduino-datchik-vlazhnosti-temperaturi/- дата обращения 02.10.21

Просмотров работы: 489