МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА

И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

___________________им. Ф. Э. ДЗЕРЖИНСКОГО____________________

Кафедра охраны труда

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ

УСЛОВИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ

ПОМЕЩЕНИЯХ

Методические указания к лабораторной работе № 1

Москва 1989

Цель работы — ознакомить студентов с приборами, научить исследовать метеорологические условия в рабочих помеще­ниях и определять оптимальные параметры воздушной среды.

Теоретическая часть

В рабочей обстановке человек должен иметь нормальный тепловой обмен со средой, т. е. количество тепла, которое вы­рабатывает организм в единицу времени, должно быть равно количеству тепла, отведенного от него в среду за то же время. Только в этом случае комплекс метеорологических фактороз (температура, влажность, скорость движения и давление воз­духа) воспринимается человеком как приятное ощущение. Нарушение теплообмена ведет или к перегреву, или к переох­лаждению организма, что, в свою очередь, может отрицатель­но влиять на состояние здоровья человека и производитель­ность труда.

В связи с этим при подведении итогов исследования ком­плекса метеорологических факторов необходимо устанавли­вать соответствие всех параметров среды оптимальным. Если же имеются какие-либо отклонения, то надо найти пути из­менения тех или иных параметров с тем, чтобы комплекс их стал оптимальным.

1. Приборы для определения метеорологических параметров и методы измерений

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°. 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 оболочка 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 при 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 — 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 столбика спирта. Далее термометр следует положить горизонтально на новое место измерения.

Термограф — самопишущий прибор для непрерывной ре­гистрации изменений температуры.

Приемная часть прибора (датчик) выполняется в виде би­металлической пластинки или трубки Бурдона. Биметалли­ческая пластинка состоит из двух полос разнородных метал­лов, обладающих различными коэффициентами расширения. Трубка Бурдона представляет собой плоскую изогнутую ме­таллическую трубку эллиптического сечения, заполненную спиртом или толуолом. Так как коэффициенты расширения самой трубки и жидкости, наполняющей ее, различны, то труб­ка так же, как и биметаллическая пластинка, при повышении температуры распрямляется, а при понижении — загибается.

Один из концов приемной частя термографа закрепляется неподвижно, а другой, свободный конец, — испытывает пере­мещения при деформациях, связанных с изменением темпе­ратуры.

Посредством системы рычагов эти перемещения передают­ся в увеличенном масштабе перу со специальными чернила­ми, которое прикасается к бумажной ленте, укрепленной на барабане. Барабан вращается при помощи часового механиз­ма со скоростью один оборот в сутки (или неделю), в резуль­тате чего на ленте получается непрерывная запись динамики температуры (термограмма).

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;

— градуировочиый фактор прибора, определяемый на заводе-изготовителе;

— показание «черного» термометра, °С.

Электрические термометры обладают рядом важных преи­муществ по сравнению с жидкостными. В частности, электри­ческие термометры позволяют производить наблюдения на расстоянии и обладают высокой чувствительностью. Поэтому последнее время эти термометры все чаще стали внедряться в практику измерений температуры воздуха рабочих помеще­ний. Средствами автоматики они обычно соединены с установ­ками, кондиционирующими воздух.

Существуют различные конструкции электрических термо­метров, которые по принципу действия можно разделить на два типа: термометры сопротивления и термоэлектрические.

Устройство термометров сопротивления основано на ис­пользовании свойства металлов изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Действие термоэлектрических термометров основано на существовании контактной разности потенциалов между дву­мя соприкасающимися разнородными металлами.

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.

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».

По 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.

Абсолютная влажность — количество водяных паров, нахо­дящихся в момент исследования в единице объема воздуха (выражается в весовых единицах или мм рт. ст.).

Максимальная влажность — количество водяных паров, способных насытить единицу объема воздуха при данных ус­ловиях (выражается в весовых единицах или мм рт. ст.).

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

Аспирационный 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%.

Гигрограф — самопишущий прибор для непрерывной ре­гистрации относительной влажности воздуха.

Приемная часть гигрографа состоит из пучка обезжирен­ных человеческих волос или синтетической пленочной мембра­ны. Посредством системы передаточных рычагов изменения размеров пучка волос или мембраны передаются на перо регистрирующей части прибора. Перо записывает на бумажной ленте, надетой на вращающийся барабан, кривую изменения влажности во времени.

Недостаток этого прибора тот же, что и у гигрометра (точ­ность показаний не превышает 5%).

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 губчатых 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.

Начинают измерения с записи показаний всех грех цифер­блатов анемометра (четырехзначная цифра). Одновременно с включением рычажка анемометра включается секундомер. По истечении 100 с (для удобства расчетов) анемометр пык-лючается и снова записываются его показания. Разница ме­жду показаниями до и после опыта, деленная на время, дает скорость воздушного потока в делениях анемометра за секун­ду. Скорость (в м/с) определяется по специальному графику, отражающему индивидуальные качества данного прибора. Эти графики заполняются на заводах-изготовителях и при­кладываются к каждому прибору.

Пределы измерений: для чашечного анемометра — от 1 до 20 м/с и для крыльчатого — от 0,3 до 5 м/с. Замер скоростей выше указанных пределов недопустим, ибо в этих случаях могут деформироваться воспринимающие части приборов.

Индукционный анемометр — прибор, дающий возможность измерять мгновенные скорости движения воздушного потока. Индукционный анемометр относится к категории электричес­ких анемометров.

Действие анемометра основано на принципе измерения уг­ловой скорости вращения трехчашечной метеорологической вертушки методом электрического индукционного тахометра.

Пределы измерения скорости движения воздушного пото­ка — от 2 до 30 м/с.

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 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 ).

Особую группу представляют аэродинамические анемомет­ры, действующие по принципу трубки Пито (подробное опи­сание см. в пособии к лабораторной работе № 8 «Исследова­ние промышленной вентиляции»).

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.

Наиболее 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%. Барограф — самопишущий прибор, непрерывно регистри­рующий давление воздуха. Приемная часть барографа состо­ит из нескольких анероидных коробок, навинченных друг на друга в виде столбика. Схема передаточного и записывающе­го устройств мало чем отличается от подобного рода устройств термографа или гигрографа.