Фактори та параметри навколишнього середовища

Газові термометри досить складні в експлуатації через необхідність враховувати не ідеальність газу, зміну об’єму з температурою, наявність у газі домішок, взаємодію газу зі стінками балона, залежність показань приладу від початкового та атмосферного тисків. Прилади такого типу використовуються рідко.

 

 

Рідинний термометр - прилад для вимірювання температури, заснований на тепловому розширенні рідини.

Рідина в термометрі підіймається завдяки тому, що коефіцієнти об’ємного розширення рідини та скла значно відрізняються.

Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, сполученого з скляним капіляром; для вимірювання температури термометр обладнаний шкалою. Частина простору в капілярі, не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом, що запобігає розриву рідини. Зовнішній вигляд рідинного термометра зображено на рис. 2.6.

 

 

Процес вимірювання температури полягає в зануренні термометра у рідину. Це занурення може бути частковим, повним або абсолютним (рис. 2.7). Більшість термометрів використовуються у режимі повного занурення, коли одна частина термометра знаходиться в рідині, а інша - в повітрі.

 

 

Робочою рідиною в термометрах такого типу є ртуть, спирт або толуен. Ртуть використовують найчастіше, оскільки вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Діапазон температур, в межах якого можливе застосування ртуті, становить від мінус 38,8 до +356,9оС. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (мінус 117,3...+78,5оС), або толуен (мінус 95,1...+110,5оС). Проте останні речовини не такі стійкі, як ртуть, і можуть повільно розкладатися на сонці.

Біметалевий термометр ґрунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури. Оскільки метали мають різні значення коефіцієнтів об’ємного розширення, пластина при зміні температури деформується.

Термометри опору - прилади, принцип дії яких ґрунтується на властивості матеріалів змінювати електричний опір під впливом температури. Провідники в таких вимірюваннях називаються терморезисторами, а напівпровідники - термісторами.

Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, що виявляються у взаємозв’язку теплових та електричних процесів у твердих тілах. Одним з таких термоелектричних явищ є ефект Зеєбека -виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру (рис. 2.8.).

Оптична пірометрія ґрунтується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання.

Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання. Принцип дії оптичного пірометра зображено на рис. 2.9., а конструкцію - на рис. 2.10.

 

Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Вимірювання проводять на довжині хвилі 655 нм. За допомогою регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла та лампи.

Оскільки для не абсолютно чорних тіл температура, що реєструється оптичним пірометром, завжди менша, ніж справжня температура, необхідно вводити поправки.

 

Радіотермометри використовуються для вимірювання температури природних поверхонь.

Отже, вимірювання енергетичної яскравості природної поверхні дає змогу оцінити її температуру. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль в інтервалі 8...13 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Радіометри складаються з оптичної системи (лінзи, дзеркала, фільтри), що фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор - термістор або термобатарею.

Кварцовий п’єзоелектричний термометр - це цифровий прилад, в основі дії якого лежить вимірювання резо¬нансної частоти п’єзокристалу. Кожний кристал має свою власну резонансну частоту, що залежить від температури. Прилади такого типу характеризуються високою чутливістю та роздільною здатністю (10-4 оС). Діапазон температур, що вимірюються, становить від мінус 40 до +230оС. До недоліків можна віднести складність електронної системи та високу вартість приладів.

 

 

2.3. Вимірювання температури

 

Вимірювання температури повітря

Для вимірювання температури повітря необхідно забезпечити стан рівноваги між детектором і повітрям.

Різниця між температурою, що показує термометр, та температурою повітря є похибкою вимірювання.

Зменшити цю різницю можна практично за допомогою екрану, який не заважає циркуляції повітря поблизу сенсора, але запобігає проникненню прямого та розсіяного випромінювання до сенсора. Крім того, можна збільшити величину коефіцієнта С за вимушеної конвекції, тобто вентиляції.

 

Вимірювання температури ґрунту

Для вимірювання температури ґрунту термометри розміщують на глибині 0,1; 0,2; 0,5 та 1,0 м. На глибині 0,1 м використовують горизонтально розташований термометр, головка якого знаходиться в боксі з кришкою (рис. 2.11.).

  

1. Вологість повітря

 

Вода може існувати в атмосфері в трьох фазах - рідкій, газоподібній і твердій. Газоподібна фаза води називається парою. Пара, яка знаходиться в термодинамічній рівновазі з рідиною (тобто стані, коли число молекул, що переходить із рідини в пару, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину за одиницю часу), називається насиченою.

Під вологістю повітря розуміють наявність у ньому водяної пари. Повітря, що містить водяну пару, називають вологим, а те, що не містить - сухим.

Абсолютна вологість повітря (а) - кількість водяної пари у грамах, що знаходиться в 1 м3 повітря (г/м3).

 

1.1. Методи вимірювання вологості  повітря

Аспіраційний психрометр. Прилад містить два термометри - сухий і зволожений; ціна поділки термометрів становить 0,2оС. Термометри розташовані у металевих трубках, з’єднаних далі в одну (рис. 3.1).

 

Резервуар одного з термометрів обмотаний батистом, що зволожується. При вимірюванні вологості психрометр встановлюють горизонтально і обдувають повітрям обидва термометри за допомогою вентилятора. З поверхні резервуару зволоженого термометра випаровується вода, що залежить від вологості навколишнього повітря.

Максимальну пружність водяної пари Ер що відповідає температурі зволоженого термометра, та максимальну насиченість водяної пари Е, яка відповідає температурі сухого термометра, визначають у мм рт. ст. або паскалях за відповідними таблицями або за допомогою номограми (рис. 3.2).

 

Недоліком аспіраційного психрометра є те, що вентилятор захоплює повітря тільки на відстані кількох сантиметрів, що не дає змоги точно визначити вологість на певних ділянках. Крім того, величина психрометричного коефіцієнта А залежить від швидкості вентиляції, температури та типу психрометра.

Залежність абсолютної похибки вимірювань вологості аспіраційним психрометром з ціною поділки 0,1оС від температури, згідно проведених досліджень, свідчить, що похибками можна знехтувати при температурах, що перевищують 10оС, тоді як зниження температури викликає істотне збільшення похибок.

Волосяний гігрометр Дія приладу ґрунтується на здатності знежиреної волосини змінювати свою довжину зі зміною вологості.

Водяна пара здатна конденсуватися в капілярних порах людської волосини. Збільшення вологості призводить до зменшення угнутості менісків води в порах, завдяки чому волосина видовжується. Видовження волосини відбувається пропорційно логарифму відносної вологості.

Пучок таких волосин використовують в гігрографі - приладі для безперервного запису відносної вологості повітря (рис. 3.3).

 

Інші матеріали, що можуть бути застосовані як сенсори в гігрометрах - нейлон, бавовна, кишкова мембрана корови або свині. Перевагою волосяних гігрометрів є незалежність результатів вимірювань від температури - при зміні температури від мінус 30оС до +40оС величина похибки вимірювань знаходиться в інтервалі 1...3%. Волосяні гігрометри мають просту конструкцію та невисоку ціну. Недоліком волосяних гігрометрів є збільшення часового проміжку до реакції залежно від температури.

Ще одним недоліком гігрометрів є явище гістерезису - якщо гігрометр зберігають протягом кількох днів у сухому приміщенні, результати вимірювання вологості можуть значно (до 15%) відрізнятися від тих, що отримані за допомогою гігрометра, який тримали в вологому приміщенні. Через це гігрометри такого типу потребують постійного калібрування.

Ємнісний гігрометр. Основу приладу становить гігроскопічна полімерна плівка, з обох боків якої розташовані пористі металеві електроди (рис. 3.4 - а), що утворюють конденсатор ємністю близько 500 пФ. За поглинання плівкою молекул води об'єм плівки збільшується, відстань між електродами також збільшується, що приводить до зміни ємності конденсатора. Зовнішній вигляд ємнісного гігрометра зображено на рис. 3.4 - б.

 

Ємнісний гігрометр застосовується для вимірювання відносної вологості. Перевагою приладу є його компактність (розміри приладу становлять 6 мм2), слабка залежність результатів вимірювань від зовнішньої температури, лінійність шкали в інтервалі 0...80% відносної вологості, швидкодія, малі значення гістерезису. Недоліком приладу є вплив зовнішніх забруднень на результати вимірювань. Гігрометри цього типу використовують в засобах автоматизованого контролю вологості повітря.

Конденсаційний гігрометр. Один з методів оцінки абсолютної вологості ґрунтується на вимірюванні точки роси. Якщо пласку гладеньку поверхню охолоджувати, можна спостерігати конденсацію вологи на ній. Температура поверхні в цей момент дуже близька до тієї, при якій повітря стає насиченою водяною парою, тобто до точки роси. Залишається тільки точно виміряти цю температуру. Конденсаційний гігрометр складається з маленького дзеркала, на яке нанесено тонкий антикорозійний шар золота. Дзеркало охолоджується напівпровідниковим елементом і опромінюється фотодіодом. Коли поверхня дзеркала вкривається росою, вона починає розсіювати оптичне випромінювання. Вертикальна компонента розсіяного випромінювання реєструється фотодетектором, електричний сигнал з виходу якого підсилюється й подається на систему підігрівання дзеркала. Нагріте дзеркало знову може бути охолоджене, і процес вимірювань триває. Визначення температури дзеркала за допомогою термодетектора дає змогу оцінити абсолютну вологість повітря. Перевагою приладу є його висока чутливість, можливість вимірювання абсолютної вологості в широкому інтервалі температур (від мінус 80 до +100оС) з точністю близько 1оС. Недоліком приладу є викривлення результатів вимірювання при низьких температурах, необхідність контролювання якості поверхні дзеркала, складність конструкції, висока ціна.

 

2. Вологість ґрунту

 

Ґрунт складається з твердих частинок, пори між якими заповнені повітрям (сухий ґрунт) або водою (ґрунтовий розчин). Але ці дві ситуації - екстремальні. Взагалі в порах є і повітря, і вода.

Вологість щодо сухої маси - це відношення маси води до сухої маси:

 

Вологість у процентах сухої маси визначається за виразом:

          Pm=qm • 100%       (3.2)

 

2.1 Методи вимірювання вологості ґрунту

Гравіметричний метод ґрунтується на визначенні маси води та маси сухого ґрунту. Зразок ґрунту нагрівають до 105оС до отримання сталої ваги. Процес триває 10...12 год. Вологість ґрунту визначають як відношення маси втраченої води до маси сухого ґрунту. Перевагою методу є можливість брати зразки безпосередньо з ґрунту за допомогою бура, простота процесу обчислень, невисока вартість обладнання. До недоліків слід віднести складність визначення води в ґрунті з неоднорідним профілем, потреба у багатьох зразках при дослідженнях залежності вмісту води від часу та простору, довготривалість методу.

Нейтронний метод використовує оцінку послаблення потоку швидких нейтронів атомами водню, що містяться в ґрунтовій воді. Металевий зонд діаметром близько 40 мм, що містить джерело швидких нейтронів і детектор повільних нейтронів, занурюють у грунт. Швидкі нейтрони поширюються радіально в ґрунті. Внаслідок пружних зіткнень з ядрами речовини ґрунту вони втрачають свою кінетичну енергію. При цьому, рівень послаблення швидких нейтронів пропорційний кількості атомів водню, істотним джерелом яких є ґрунтова вода. Повільні нейтрони оточують зонд, деякі з них потрапляють на детектор. Сигнал з виходу детектора через кабель подається на систему реєстрації.

Переваги методу - можливість оцінки води в великих ґрунтових об’ємах, можливість оцінки об’ємної вологості ґрунту, швидкість, здатність вимірювати вологість ґрунту протягом тривалого періоду часу.

Недоліками є необхідність роботи з радіоактивними джерелами, потреба у калібруванні приладу, висока вартість обладнання, неточність вимірювань поблизу ґрунтової поверхні.

Вимірювання поглинання гамма-випромінювання. Метод передбачає визначення вологості ґрунту у шарах товщиною 1...2 см. Принцип методу полягає в оцінці залежності рівня поглинання гамма-випромінювання від вмісту ґрунтової води за умови постійності густини ґрунту. Потік випромінювання діаметром близько 4,8 мм формується коліматором. Об’ємну вологість ґрунту визначають розрахунковим методом.