Гигрометр — это прибор, который измеряет влажность воздуха или другого газа: то есть, сколько водяного пара он содержит. [1] Приборы для измерения влажности обычно полагаются на измерения некоторых других величин, таких как температура, давление, масса и механические или электрические изменения в веществе по мере поглощения влаги. С помощью калибровки и расчета эти измеренные величины могут использоваться для указания влажности. Современные электронные устройства используют температуру конденсации (называемую точкой росы ), или они обнаруживают изменения электрической емкости или сопротивления .
Максимальное количество водяного пара, которое может удерживаться в данном объеме воздуха ( насыщенность ), сильно зависит от температуры; холодный воздух может удерживать меньшую массу воды на единицу объема, чем горячий воздух. Таким образом, изменение температуры может изменить влажность.
Прототип гигрометра был изобретен Леонардо да Винчи в 1480 году. Основные усовершенствования произошли в 1600-х годах; Франческо Фолли изобрел более практичную версию устройства, а Роберт Гук усовершенствовал ряд метеорологических приборов, включая гигрометр. Более современная версия была создана швейцарским эрудитом Иоганном Генрихом Ламбертом в 1755 году. Позже, в 1783 году, швейцарский физик и геолог Орас Бенедикт де Соссюр изобрел гигрометр, который использует в качестве датчика растянутый человеческий волос.
В конце XVII века некоторые ученые называли приборы для измерения влажности гигроскопами ; это слово уже не используется, но слова «гигроскопический» и «гигроско́пия» , которые от него произошли, все еще используются.
Грубые гигрометры были изобретены и разработаны во времена династии Шан в Древнем Китае для изучения погоды. [2] Китайцы использовали брусок древесного угля и кусок земли: брался его сухой вес, затем сравнивался с его влажным весом после выдержки на воздухе. Различия в весе использовались для подсчета уровня влажности.
Другие методы применялись с использованием массы для измерения влажности, например, когда воздух был сухим, брусок угля был легким, а когда воздух был влажным, брусок угля был тяжелым. Подвешивая кусок земли на один конец палки и брусок угля на другой конец, и прикрепляя фиксированную подъемную нить к средней точке, чтобы сделать палку горизонтальной в сухом воздухе, был сделан древний гигрометр. [3] [2]
Гигрометр с металлической бумажной катушкой очень полезен для индикации изменения влажности на шкале. Чаще всего он встречается в недорогих устройствах, и его точность ограничена, с отклонениями в 10% и более. В этих устройствах водяной пар поглощается пропитанной солью бумажной полоской, прикрепленной к металлической катушке, заставляя катушку менять форму. Эти изменения (аналогичные изменениям в биметаллическом термометре ) вызывают индикацию на шкале. Обычно на передней части датчика есть металлическая стрелка, которая будет менять свое направление.
Эти устройства используют человеческий или животный волос под некоторым натяжением. (Вместо волоса могут использоваться китовый ус и другие материалы.) Волос гигроскопичен (имеет тенденцию удерживать влагу); его длина изменяется в зависимости от влажности, и изменение длины может быть увеличено механизмом и отображено на циферблате или шкале . Швейцарский физик и геолог Орас Бенедикт де Соссюр был первым, кто построил такой гигрометр в 1783 году. Традиционное народное устройство, известное как погодный домик, также работает по этому принципу.
Он состоит из человеческого волоса длиной восемь или десять дюймов [20 или 25 см], bc, рис. 37, прикрепленного одним концом к винту, a , а другим концом пропущенного через блок, c , туго натянутого шелковой нитью и грузом, d .
— Джон Уильям Дрейпер, Учебник по химии (1861)
Шкив соединен с указателем, который движется по градуированной шкале (e). Инструмент можно сделать более чувствительным, удалив масла с волос, например, предварительно замочив волосы в диэтиловом эфире . [4]
Психрометр, или влажный и сухой термометр, состоит из двух калиброванных термометров, один из которых сухой, а другой поддерживается влажным с дистиллированной водой на носке или фитиле. [5] При температурах выше точки замерзания воды испарение воды из фитиля снижает температуру , так что влажный термометр будет иметь более низкую температуру, чем сухой термометр. Однако, когда температура воздуха ниже точки замерзания, влажный термометр должен быть покрыт тонким слоем льда, чтобы быть точным. В результате тепла сублимации температура влажного термометра в конечном итоге будет ниже, чем температура сухого термометра, хотя это может занять много минут непрерывного использования психрометра.
Относительная влажность (RH) вычисляется из температуры окружающей среды, показанной сухим термометром, и разницы температур, показанной влажным и сухим термометрами. Относительную влажность также можно определить, найдя пересечение температур влажного и сухого термометров на психрометрической диаграмме . Сухой и влажный термометры совпадают, когда воздух полностью насыщен, и чем больше разница, тем суше воздух. Психрометры обычно используются в метеорологии , а также в отрасли отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) для правильной заправки хладагентом жилых и коммерческих систем кондиционирования воздуха.
Психрометр-слинг, использующий термометры, прикрепленные к ручке, вручную вращается в свободном потоке воздуха до тех пор, пока обе температуры не стабилизируются. Иногда это используется для полевых измерений, но заменяется более удобными электронными датчиками. Вращающийся психрометр использует тот же принцип, но два термометра вмонтированы в устройство, напоминающее храповик или футбольную трещотку.
Точка росы — это температура, при которой образец влажного воздуха (или любого другого водяного пара ) при постоянном давлении достигает насыщения водяным паром. При этой температуре насыщения дальнейшее охлаждение приводит к конденсации воды. Гигрометры точки росы с охлаждаемым зеркалом являются одними из самых точных приборов, которые обычно доступны. Они используют охлаждаемое зеркало и оптоэлектронный механизм для обнаружения конденсации на поверхности зеркала. Температура зеркала контролируется электронной обратной связью для поддержания динамического равновесия между испарением и конденсацией, таким образом, точно измеряя температуру точки росы. С помощью этих устройств достигается точность 0,2 °C, что коррелирует в типичных офисных условиях с относительной точностью влажности около ±1,2%. В старых охлаждаемых зеркалах использовалось металлическое зеркало, которое требовало очистки и квалифицированной рабочей силы. В более новых реализациях охлаждаемых зеркал используются высокополированные поверхности, которые не требуют обычной очистки.
Совсем недавно были введены спектроскопические охлаждаемые зеркала. Используя этот метод, точка росы определяется с помощью спектроскопического обнаружения света, которое устанавливает природу конденсации. Этот метод избегает многих ловушек предыдущих охлаждаемых зеркал и способен работать без дрейфа.
Охлажденные зеркала остаются эталонным измерением для калибровки других гигрометров. Это связано с их фундаментальной первопринципной природой, которая относится к ядру физики конденсации и измеряет температуру, которая является одной из основных величин Международной системы величин (длина, время, количество вещества, электрический ток, температура, сила света, масса). [6]
Когда важны стоимость, пространство или хрупкость, используются другие типы электронных датчиков, но за счет более низкой точности. Емкостные гигрометры измеряют влияние влажности на диэлектрическую проницаемость полимера или оксида металла . После калибровки их точность при относительной влажности от 5% до 95% составляет ±2% RH ; без калибровки эта точность в два-три раза хуже. Емкостные датчики устойчивы к таким эффектам, как конденсация и временные высокие температуры, [7], но подвержены загрязнению , дрейфу и старению. Однако они подходят для многих применений.
В резистивных гигрометрах измеряется изменение электрического сопротивления материала из-за влажности. [7] Типичными материалами являются соли и проводящие полимеры . Резистивные датчики менее чувствительны, чем емкостные датчики — изменение свойств материала меньше, поэтому они требуют более сложной схемы. Свойства материала также, как правило, зависят как от влажности, так и от температуры, что на практике означает, что датчик должен быть объединен с датчиком температуры. Точность и устойчивость к конденсации варьируются в зависимости от выбранного резистивного материала. Существуют прочные, устойчивые к конденсации датчики с точностью до ±3% RH ( относительной влажности ).
В термогигрометрах измеряется изменение теплопроводности воздуха из-за влажности. Эти датчики измеряют абсолютную влажность, а не относительную. [7]
Гравиметрический гигрометр извлекает воду из воздуха (или другого газа) и взвешивает ее отдельно, например, взвешивая осушитель до и после того, как он поглотил воду. Температура, давление и объем полученного сухого газа также измеряются, что дает достаточно информации для расчета количества воды на моль газа. [8] [9]
Это считается наиболее точным первичным методом измерения абсолютной влажности [ требуется ссылка ] , и национальные стандарты, основанные на нем, были разработаны в США, Великобритании, ЕС и Японии. Однако неудобство использования таких устройств означает, что они обычно используются только для калибровки менее точных приборов, называемых эталонами переноса.
Оптический гигрометр измеряет поглощение света водой в воздухе. [10] Светоизлучатель и светоприемник располагаются с объемом воздуха между ними. Ослабление света, наблюдаемое детектором, указывает на влажность , согласно закону Бера-Ламберта . Типы включают гигрометр Лаймана-альфа (использующий свет Лаймана-альфа, излучаемый водородом), гигрометр криптона (использующий свет 123,58 нм, излучаемый криптоном ) и гигрометр дифференциального поглощения (использующий свет, излучаемый двумя лазерами, работающими на разных длинах волн, один из которых поглощается влажностью, а другой нет).
Помимо теплиц и промышленных помещений, гигрометры также используются в некоторых инкубаторах , саунах , хьюмидорах и музеях . Они также используются для ухода за деревянными музыкальными инструментами, такими как пианино, гитары, скрипки и арфы, которые могут быть повреждены из-за ненадлежащих условий влажности. Гигрометры играют большую роль в тушении пожаров, поскольку чем ниже относительная влажность, тем сильнее может гореть топливо. [11] В жилых помещениях гигрометры используются для помощи в контроле влажности (слишком низкая влажность может повредить кожу и тело человека, в то время как слишком высокая влажность способствует росту плесени и пылевых клещей ). Гигрометры также используются в лакокрасочной промышленности , поскольку нанесение краски и других покрытий может быть очень чувствительным к влажности и точке росы .
Измерение влажности является одной из самых сложных проблем в базовой метрологии. Согласно Руководству ВМО , «достижимые точности [для определения влажности], перечисленные в таблице, относятся к приборам хорошего качества, которые хорошо эксплуатируются и обслуживаются. На практике этого нелегко достичь». Два термометра можно сравнить, погрузив их оба в изолированный сосуд с водой (или спиртом, для температур ниже точки замерзания воды) и энергично помешивая, чтобы минимизировать колебания температуры. Высококачественный стеклянный жидкостный термометр при осторожном обращении должен оставаться стабильным в течение нескольких лет. Гигрометры должны быть откалиброваны на воздухе, который является гораздо менее эффективной средой теплопередачи, чем вода, и многие типы подвержены дрейфу [12] , поэтому нуждаются в регулярной повторной калибровке. Еще одна трудность заключается в том, что большинство гигрометров измеряют относительную влажность, а не абсолютное количество присутствующей воды, но относительная влажность является функцией как температуры, так и абсолютного содержания влаги, поэтому небольшие колебания температуры в воздухе в испытательной камере будут транслироваться в колебания относительной влажности.
В холодной и влажной среде на головке датчика может произойти сублимация льда, будь то волос, ячейка росы, зеркало, емкостной чувствительный элемент или сухой термометр аспирационного психрометра. Лед на зонде соответствует показанию влажности насыщения относительно льда при этой температуре, т. е. точке замерзания. Однако обычный гигрометр не может правильно измерять ниже точки замерзания, и единственный способ обойти эту фундаментальную проблему — использовать подогреваемый датчик влажности. [13]
Точная калибровка используемых термометров имеет основополагающее значение для точного определения влажности методом «влажный-сухой». Термометры должны быть защищены от лучистого тепла и должны иметь достаточно высокий поток воздуха над влажным термометром для наиболее точных результатов. Один из самых точных типов психрометра с влажным-сухим термометром был изобретен в конце 19 века Адольфом Ричардом Ассманном (1845–1918); [14] в англоязычных источниках устройство обычно пишется как «психрометр Ассманна». В этом устройстве каждый термометр подвешен внутри вертикальной трубки из полированного металла, а эта трубка, в свою очередь, подвешена внутри второй металлической трубки немного большего диаметра; эти двойные трубки служат для изоляции термометров от лучистого нагрева. Воздух протягивается через трубки с помощью вентилятора, который приводится в действие часовым механизмом для обеспечения постоянной скорости (некоторые современные версии используют электрический вентилятор с электронным управлением скоростью). [15] По словам Миддлтона (1966), «важным моментом является то, что воздух втягивается между концентрическими трубками, а также через внутреннюю трубку». [16]
Очень сложно, особенно при низкой относительной влажности, получить максимальное теоретическое понижение температуры смоченного термометра; австралийское исследование, проведенное в конце 1990-х годов, показало, что стеклянные жидкостные термометры с смоченным термометром были теплее, чем предсказывала теория, даже при принятии значительных мер предосторожности; [17] это могло привести к показаниям относительной влажности, которые были на 2–5 процентных пунктов выше.
Одним из решений, иногда используемых для точного измерения влажности, когда температура воздуха ниже нуля, является использование термостатически управляемого электрического нагревателя для повышения температуры наружного воздуха до температуры выше нуля. В этом устройстве вентилятор втягивает наружный воздух мимо (1) термометра для измерения температуры окружающего воздуха по сухому термометру, (2) нагревательного элемента , (3) второго термометра для измерения температуры сухого термометра нагретого воздуха, затем, наконец, (4) влажного термометра. Согласно Руководству Всемирной метеорологической организации , «Принцип нагреваемого психрометра заключается в том, что содержание водяного пара в воздушной массе не изменяется при ее нагревании. Это свойство может быть использовано в интересах психрометра, избегая необходимости поддерживать ледяной термометр в условиях замерзания». [18] [19]
Поскольку влажность окружающего воздуха рассчитывается косвенно по трем измерениям температуры, в таком устройстве точная калибровка термометра еще важнее, чем в конфигурации с двумя шариками.
Различные исследователи [20] исследовали использование насыщенных солевых растворов для калибровки гигрометров. Густые смеси определенных чистых солей и дистиллированной воды обладают свойством поддерживать приблизительно постоянную влажность в закрытом контейнере. Насыщенная ванна с поваренной солью ( хлоридом натрия ) в конечном итоге даст показание приблизительно 75%. Другие соли имеют другие уровни равновесной влажности: хлорид лития ~11%; хлорид магния ~33%; карбонат калия ~43%; сульфат калия ~97%. Солевые растворы будут несколько отличаться по влажности в зависимости от температуры, и им может потребоваться относительно много времени, чтобы прийти к равновесию , но их простота использования в некоторой степени компенсирует эти недостатки в низкоточных приложениях, таких как проверка механических и электронных гигрометров.
Устаревшее издание этого руководства, впервые опубликованное в 1950 г.
Первое издание этого руководства было опубликовано в 1950 г.
