Posts Tagged ‘arduino’

ventus001

У меня имеется цифровая метеостанция с беспроводным датчиком, расположенным вне помещения. На фотографии: в верхнем правом квадранте отображается температура и относительная влажность вне помещения (6,2°C/94%) и в помещении (21,6°C/55%).

Я считаю, что эта разница (в помещении и вне) очень важна для определенных целей. Давайте посмотрим на цифры. Когда я смотрю на показания, то всегда задаюсь вопросом о том, различается ли количество водяного пара в воздухе внутри и вне помещения? Простой вопрос, а ответ потребует некоторых рассуждений. За основание возьмем уравнение идеального газа; для вычисления абсолютной влажности по температуре и относительной влажности необходим еще специальный алгоритм расчета давления насыщенного пара как функции от температуры. А это не очень простая вещь.

Формула для вычисления абсолютной влажности

В формуле ниже, температура (Т) измерена в градусах Цельсия, относительная влажность (rh) — в %, а е — это основание натурального логарифма 2,71828 [возведенное в степень, указанную в скобках]:

Абсолютная влажность (г/м3) =
6,112 x e^[(17,67 x T)/(T+243,5)] x rh x 18,02
(273,15+T) x 100 x 0,08314

что упрощается до

Абсолютная влажность (г/м3) =
6,112 x e^[(17,67 x T)/(T+243,5)] x rh x 2,1674
(273,15+T)

Точность этой формулы в пределах 0,1% на диапазоне температур от –30°C до +35°C

– – – –

формат gif

ah3a

формат jpg

ah1a

– – – –

Дополнительные примечания для студентов

Стратегия вычисления абсолютной влажности, определяемой как плотность водяного пара (г/м3) по температуре (Т) и относительной влажности (rh):

1. Водяной пар — это газ, поведение которого при обычной температуре атмосферы приближено к поведению идеального газа.

2. Применимо уравнение идеального газа PV = nRT. Газовая постоянная R и переменные T и V в этом случае известны (Т измерена, V = 1 m3). Для вычисления n необходимо рассчитать Р.

3. Чтобы получить значение Р можно применить следующий вариант формулы [см. eq.10] Магнуса-Тетенса, которая дает давление насыщенного пара Psat (гектопаскали) как функцию от температуры Т (в градусах Цельсия):

Psat = 6,112 x e^[(17,67 x T)/(T+243,5)]

4. Psat — это давление при относительной влажности 100%. Для вычисления давления P при любом значении относительной влажности, выраженном в %, мы умножаем выражение для Psat на коэффициент (rh/100):

P = 6,112 x e^[(17,67 x T)/(T+243,5)] x (rh/100)

5. Теперь мы знаем P, V, R, T и можем вычислить n, а это и есть количество водяного пара в молях. Значение затем умножается на 18,02 — это молекулярный вес воды. Ответ получается в граммах.

6. Обобщение:
Формула абсолютной влажности получена из уравнения идеального газа. Она выражает n всего через две переменные: температуру (Т) и относительную влажность (rh). Давление вычисляется как функция от обеих этих переменных; объем указан (1 m3), а газовая постоянная R известна.

– – – –

ОБНОВЛЕНИЯ

– – – –

Комментарий автора: Производителям метеостанции следует рассмотреть возможность использования дисплея с переключением RH/AH

ventus2

Январь 2017: Понятие относительной влажности (RH) хорошо знакомо тем, кто имеет образование в науках об атмосфере, а вот обычный человек у которого тоже может быть термометр-гигрометр с секциями вне/внутри помещений при работе с RH легко может ошибиться.

Рассмотрим данные на рисунке. Я не удивлюсь, если кто-то решит, что вне помещения в воздухе пара больше, поскольку внешняя RH (58%) в два с половиной раза больше, чем внутренняя RH (21%).

Данные коварны. Подставьте числа в мою формулу, которая вычисляет абсолютную влажность (AH) как плотность водяного пара г/м3. Вы увидите, что AH внутри помещения в два раза выше, чем AH снаружи. Можно ли было предсказать такой результат глядя только на значения T и RH? И я бы не смог.

Поэтому я и думаю, что добавление отображения AH могло бы быть отличной идеей для производителей этих приборов. Люди хорошо понимают концепцию «масса на объем» гораздо лучше, чем проценты от максимального значения переменной, зависимой от температуры.

Для производителя вывести AH на экран труда не составит. Моя формула вычисляет AH прямо от Т и RH, поэтому можно просто переключаться между отображением RH и AH. Возможно, что посетители блога, работающие в проектах с микропроцессорами, могли бы собрать прототип?

– – – –

Игорь пользуется моей формулой, чтобы поддерживать ячейку погреба сухой.

igor01

Октябрь 2016: Я впечатлился системой управления влажностью основания здания, разработанной Игорем, и даже опубликовал отчет на форуме Amperka.ru.

Внутри короткой трубки установлен вентилятор с круговым уплотнением, распечатанным на 3D-принтере. Вентилятор замещает воздух, находящийся в основании, на воздух снаружи. Он включается, если абсолютная влажность в ячейке выше, чем на улице на 0,5 г/м3. Предполагается, что температура снаружи ниже. Это как раз и гарантирует, что вода в ячейке превращается в пар и вытягивается, а обратный процесс не может произойти.

igor02

Полное описание с набором отличных фотографий → здесь

– – – –

Формула позволяет измерять AH по данным от высокоточного датчика RH и T

sht75

Датчик SHT75 RH и T от SENSIRION

Апрель 2016: Проф. Антониетта Франи (Prof. Antonietta Frani) на основе моей формулы создала миниатюрный прибор для измерения абсолютной влажности. Миниатюрный микроконтроллер Arduino Uno оборудован датчиком SHT75 RH и T и подключается к компьютеру по кабелю USB. Системный интегратор Роберто Валголио (Roberto Valgolio) разработал интерфейс для передачи данных в листы Excel и отображения графиков.

– – – –

Формула позволила создать калькулятор RH←→AH

reckoner

Март 2016: Немецкий веб-сайт rechneronline.de использует мою формулу для своего онлайн-калькулятора RH/AH

– – – –

Формулу процитировали в академической исследовательской публикации

ahcitat

Январь 2016: Исследовательская публикация в Landscape Ecology (октябрь 2015) посвящена микроклиматическим образцам в городской среде США. Там для вычисления абсолютной влажности по температуре и относительной влажности использована моя формула.

– – – –

Формула нашла применение и в блоках управления влажностью

Август 2015: ПО с открытым исходным кодом (проект Arduino) также использует в микроконтроллере управления влажностью основания здания мою формулу для расчета абсолютной влажности:

arduino

«Вся идея состоит в том чтобы измерить температуру и относительную влажность в подвале и на улице, на основании температуры и относительной влажности рассчитать абсолютную влажность и принять решение о включении вытяжного вентилятора в подвале. Теория для расчета изложена здесь – carnotcycle.wordpress.com/2012/08/04/how-to-convert-relative-humidity-to-absolute-humidity/.»

Дополнительные фотографии по ссылке http://arduino.ru/forum/proekty/kontrol-vlazhnosti-podvala-arduino-pro-mini

– – – –

Процедура вычисления AH применена в калибровке спутника погоды Американского Национального Космического Агентства (NASA)

Июнь 2015: Моя общая процедура расчета AH по RH и T применена для абсолютной калибровки Глобальной Спутниковой Системы Навигации Циклона (CYGNSS), причем именно в отношении данных RH, предоставленных Системой Непрерывного Анализа и Прогноза Климата (CFSR). Единственное изменение в моей формуле Psat состоит в том, что используется выражение Августа-Роше-Мангуса, а не Болтона.

Система CYGNSS имеет сеть из восьми спутников. Она предназначена для улучшенного прогноза силы ураганов. Запущена 15 декабря 2016 г.

Ссылка http://ddchen.net/publications (Технический отчет “An Antenna Temperature Model for CYGNSS”, июнь 2015)

– – – –

ventus001

I have a digital weather station with a wireless outdoor sensor. In the photo, the top right quadrant of the display shows temperature and relative humidity for outdoors (6.2°C/94%) and indoors (21.6°C/55%).

I find this indoor-outdoor thing fascinating for some reason and revel in looking at the numbers. But when I do, I always end up asking myself if the air outside has more or less water vapor in it than the air inside. Simple question, which is more than can be said for the answer. Using the ideal gas law, the calculation of absolute humidity from temperature and relative humidity requires an added algorithm that generates saturated vapor pressure as a function of temperature, which complicates things a bit.

Formula for calculating absolute humidity

In the formula below, temperature (T) is expressed in degrees Celsius, relative humidity (rh) is expressed in %, and e is the base of natural logarithms 2.71828 [raised to the power of the contents of the square brackets]:

Absolute Humidity (grams/m3) = 6.112 x e^[(17.67 x T)/(T+243.5)] x rh x 18.02
                                                                            (273.15+T) x 100 x 0.08314

which simplifies to

Absolute Humidity (grams/m3) = 6.112 x e^[(17.67 x T)/(T+243.5)] x rh x 2.1674
                                                                                        (273.15+T)

This formula is accurate to within 0.1% over the temperature range –30°C to +35°C

– – – –

gif format (decimal separator = .)

ah3

gif format (decimal separator = ,)

ah3a

jpg format (decimal separator = .)

ah1

jpg format (decimal separator = ,)

ah1a

– – – –

Additional notes for students

Strategy for computing absolute humidity, defined as density in g/m^3 of water vapor, from temperature (T) and relative humidity (rh):

1. Water vapor is a gas whose behavior approximates that of an ideal gas at normally encountered atmospheric temperatures.

2. We can apply the ideal gas equation PV = nRT. The gas constant R and the variables T and V are known in this case (T is measured, V = 1 m3), but we need to calculate P before we can solve for n.

3. To obtain a value for P, we can use the following variant[REF, eq.10] of the Magnus-Tetens formula which generates saturated vapor pressure Psat (hectopascals) as a function of temperature T (Celsius):

Psat = 6.112 x e^[(17.67 x T)/(T+243.5)]

4. Psat is the pressure when the relative humidity is 100%. To compute the pressure P for any value of relative humidity expressed in %, we multiply the expression for Psat by the factor (rh/100):

P = 6.112 x e^[(17.67 x T)/(T+243.5)] x (rh/100)

5. We now know P, V, R, T and can solve for n, which is the amount of water vapor in moles. This value is then multiplied by 18.02 – the molecular weight of water ­– to give the answer in grams.

6. Summary:
The formula for absolute humidity is derived from the ideal gas equation. It gives a statement of n solely in terms of the variables temperature (T)  and relative humidity (rh). Pressure is computed as a function of both these variables; the volume is specified (1 m3) and the gas constant R is known.

– – – –

UPDATES

– – – –

Author comment: Weather station manufacturers should consider a toggled RH/AH display

ventus2

January 2017: Relative humidity (RH) is well understood by people trained in atmospheric science, but for ordinary folk who have an indoor-outdoor thermometer-hygrometer like the device pictured above, RH values can easily be misunderstood.

Consider the data illustrated. I would not blame anyone for thinking there is more water vapor in the air outside, since the RH outside (58%) is more than two-and-a-half times the RH inside (21%).

But the data is deceptive. Plug the numbers into my formula, which computes absolute humidity (AH) as water vapor density in g/m^3, and you will find that the AH inside is twice the AH outside. Could you have predicted that result from looking at the T and RH numbers? Nor could I.

Which is why I think that adding AH as an extra feature could be something for manufacturers of these devices to consider. People understand concepts like mass per unit volume much more easily than percentages of variable temperature-dependent maxima.

For manufacturers, adding AH to the display is a no-brainer. My formula computes AH directly from T and RH, so the RH displays could simply be toggled to show AH. Maybe visitors to this blogpost who are actively involved in microprocessor projects could consider pioneering a prototype?

– – – –

Igor uses my formula to keep his cellar dry

igor01

October 2016: I am impressed by this basement humidity control system developed by Igor and reported on Amperka.ru forum.

Inside the short pipe is a fan equipped with a 3D-printed circumferential seal. The fan replaces basement air with outdoor air, and is activated when absolute humidity in the cellar is 0.5 g/m^3 higher than in the street, subject to the condition that the temperature of the outdoor air is lower. This ensures that water in the cellar walls is drawn into the vapor phase and pumped out; the reverse process cannot occur.

igor02

Full details (text in Russian) with lots of excellent photos → here

– – – –

Formula powers AH measurements from high-precision RH&T sensor

sht75

The SHT75 RH&T sensor from SENSIRION

April 2016: Prof. Antonietta Frani has made a miniature device for measuring absolute humidity, using my formula to power an Arduino Uno microcontroller board equipped with an SHT75 RH&T sensor which connects to a computer via a USB cable. Systems Integrator Roberto Valgolio has developed an interface to transfer the data to Excel spreadsheets with their associated graphical display functions.

– – – –

Formula powers online RH←→AH calculator

reckoner

March 2016: German website rechneronline.de is using my formula to power an online RH/AH conversion calculator.

– – – –

Formula cited in academic research paper

ahcitat

January 2016: A research article in Landscape Ecology (October 2015) exploring microclimatic patterns in urban environments across the United States has used my formula to compute absolute humidity from temperature and relative humidity data.

– – – –

Formula finds use in humidity control unit

August 2015: Open source software/hardware project Arduino is using my absolute humidity formula in a microcontroller designed to control humidity in basements:

arduino

“The whole idea is to measure the temperature and relative humidity in the basement and on the street, on the basis of temperature and relative humidity to calculate the absolute humidity and make a decision on the inclusion of the exhaust fan in the basement. The theory for the calculation is set forth here – carnotcycle.wordpress.com/2012/08/04/how-to-convert-relative-humidity-to-absolute-humidity.” [на русском → здесь]

More photos on this link (text in Russian):http://arduino.ru/forum/proekty/kontrol-vlazhnosti-podvala-arduino-pro-mini

– – – –

AH computation procedure applied in calibration of NASA weather satellite

June 2015: My general procedure for computing AH from RH and T has been applied in the absolute calibration of NASA’s Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS), specifically in relation to the RH data provided by Climate Forecast System Reanalysis (CFSR). The only change to my formula is that Psat is calculated using the August-Roche-Magnus expression rather than the Bolton expression.

The CYGNSS system, comprising a network of eight satellites, is designed to improve hurricane intensity forecasts and was launched on 15 December 2016.

Reference: http://ddchen.net/publications (Technical report “An Antenna Temperature Model for CYGNSS” June 2015)

– – – –

Formula cited in draft paper on air quality monitoring

May 2015: Metal oxide (MO) sensors are used for the measurement of air pollutants including nitrogen dioxide, carbon monoxide and ozone. A draft paper concerning the Air Quality Egg (AQE) which cites my formula in relation to MO sensors can be seen on this link:

MONITORING AIR QUALITY IN THE GRAND VALLEY: ASSESSING THE USEFULNESS OF THE AIR QUALITY EGG

– – – –

Formula used by US Department of Energy in Radiological Risk Assessment

June 2014: In its report on disused uranium mines, Legacy Management at DoE used my formula for computing absolute humidity as one of the meteorological parameters involved in modeling radiological risk assessment.

– – – –