XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование влажности воздуха с помощью самодельных гигрометров

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Воробьёва В.С. 1Музюков К.О. 1

---

1МОУ СШ №6

Анкудинова О.В. 1Глазов С.Ю. 2

---

1МОУ СШ №6

2ФГБОУ ВО "ВГСПУ"

Работа в формате PDF

441.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

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

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

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