Гигрометр — это прибор, который измеряет влажность воздуха или другого газа, то есть количество содержащегося в нем водяного пара . [1] Приборы для измерения влажности обычно полагаются на измерения некоторых других величин, таких как температура, давление, масса, а также механические или электрические изменения в веществе по мере поглощения влаги. Путем калибровки и расчета эти измеренные величины могут привести к измерению влажности. Современные электронные устройства используют температуру конденсации (так называемую точку росы ) или определяют изменения электрической емкости или сопротивления для измерения разницы влажности. Грубый гигрометр был изобретен Леонардо да Винчи в 1480 году. Крупные достижения 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 первый гигрометр, использующий человеческие волосы для измерения влажности.
Максимальное количество водяного пара, которое может удерживаться в данном объеме воздуха ( насыщение ), сильно зависит от температуры; Холодный воздух может удерживать меньшую массу воды на единицу объема, чем горячий воздух. Температура может изменить влажность.
Прототипы гигрометров были изобретены и разработаны во времена династии Шан в Древнем Китае для изучения погоды. [2] Китайцы использовали брусок древесного угля и ком земли: измеряли его сухой вес, а затем сравнивали с его сырым весом после воздействия воздуха. Разница в весе использовалась для подсчета уровня влажности.
Другие методы применялись с использованием массы для измерения влажности: например, когда воздух был сухим, брусок древесного угля был легким, а когда воздух был влажным, брусок древесного угля был тяжелым. Подвесив кусок земли и брусок древесного угля на два конца посоха по отдельности и добавив фиксированную подъемную веревку в средней точке, чтобы сделать посох горизонтальным в сухом воздухе, был изготовлен древний гигрометр. [3] [2]
Металлобумажный спиральный гигрометр очень полезен для индикации изменений влажности. Чаще всего он появляется в недорогих устройствах, а точность его ограничена, с отклонениями в 10% и более. В этих устройствах водяной пар поглощается пропитанной солью бумажной полоской, прикрепленной к металлической катушке, в результате чего катушка меняет форму. Эти изменения (аналогичные изменениям в биметаллическом термометре ) вызывают индикацию на циферблате. Обычно на передней части манометра имеется металлическая стрелка, которая меняет свое положение.
В этих устройствах используется волос человека или животного, находящийся под некоторым натяжением. Волосы гигроскопичны (склонны к удержанию влаги); его длина меняется в зависимости от влажности, а изменение длины может быть увеличено с помощью механизма и указано на циферблате или шкале . В конце 17 века такие устройства некоторые учёные называли гигроскопами ; это слово больше не используется, но гигроскопичность и гигроскопия , происходящие от него, все еще используются. По такому принципу работает традиционное устройство народного творчества, известное как метеодом . Вместо волос можно использовать китовую кость и другие материалы.
В 1783 году швейцарский физик и геолог Орас Бенедикт де Соссюр построил первый гигрометр натяжения волос, используя человеческие волосы.
Он состоит из человеческого волоса длиной восемь или десять дюймов [20 или 25 см], bc, рис. 37, прикрепленного на одном конце к винту a , а на другом конце, проходящего через блок c , туго натянутого шелковая нить и груз, d .
- Джон Уильям Дрейпер, Учебник по химии (1861 г.)
Шкив соединен с индексом, который перемещается по градуированной шкале (е). Инструмент можно сделать более чувствительным, удалив жир с волос, например, предварительно замочив волосы в диэтиловом эфире . [4]
Психрометр, или термометр с влажной и сухой колбой, состоит из двух калиброванных термометров: одного сухого, а другого увлажненного дистиллированной водой на носке или фитиле. [5] При температурах выше точки замерзания воды испарение воды из фитиля снижает температуру , так что термометр с мокрым термометром будет иметь более низкую температуру, чем термометр с сухим термометром. Однако, когда температура воздуха ниже нуля, для обеспечения точности смоченный термометр должен быть покрыт тонким слоем льда. В результате тепла сублимации температура по влажному термометру в конечном итоге будет ниже, чем по сухому термометру, хотя это может занять много минут непрерывного использования психрометра.
Относительная влажность (RH) рассчитывается на основе температуры окружающей среды, показанной по сухому термометру, и разницы температур, показанной по влажному и сухому термометрам. Относительную влажность также можно определить, найдя пересечение температур по влажному и сухому термометрам 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 промышленности отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) для правильной заправки хладагентом жилых и коммерческих систем кондиционирования воздуха.
Психрометр на праще, в котором используются термометры, прикрепленные к ручке, вручную вращается в свободном потоке воздуха до тех пор, пока обе температуры не стабилизируются. Иногда его используют для полевых измерений, но сейчас его заменяют более удобные электронные датчики. Вращающийся психрометр использует тот же принцип, но два термометра помещены в устройство, напоминающее трещотку или футбольную погремушку.
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 наиболее точных приборов, которые обычно доступны. Они используют охлаждаемое зеркало и оптоэлектронный механизм для обнаружения конденсата на поверхности зеркала. Температура зеркала контролируется электронной обратной связью для поддержания динамического равновесия между испарением и конденсацией, что позволяет точно измерять температуру точки росы. Эти устройства обеспечивают точность 0,2 °C, что в типичных офисных условиях соответствует точности относительной влажности около ±1,2%. В более старых охлаждаемых зеркалах использовалось металлическое зеркало, которое требовало чистки и квалифицированной работы. В новых реализациях охлаждаемых зеркал используются тщательно отполированные поверхности, которые не требуют регулярной очистки.
Совсем недавно были представлены спектроскопические охлаждаемые зеркала. Используя этот метод, точка росы определяется с помощью спектроскопического обнаружения света, что позволяет установить природу конденсации. Этот метод позволяет избежать многих ошибок предыдущих охлаждаемых зеркал и позволяет работать без дрейфа.
Охлаждаемые зеркала остаются эталонным средством калибровки других гигрометров. Это связано с их фундаментальной первопринципной природой, которая относится к ядру физики конденсации и измеряет температуру, которая является одной из фундаментальных единиц (длина, время, количество вещества, электрический ток, температура, сила света, масса). [6]
Когда важны стоимость, пространство или хрупкость, используются другие типы электронных датчиков ценой более низкой точности. Емкостные гигрометры измеряют влияние влажности на диэлектрическую проницаемость полимера или оксида металла . При калибровке их точность при относительной влажности от 5% до 95% составляет ±2% относительной влажности; некалиброванный, это в два-три раза хуже. Емкостные датчики устойчивы к таким воздействиям, как конденсация и временные высокие температуры [7] , но подвержены загрязнениям , дрейфу и старению. Однако они подходят для многих применений.
В резистивных гигрометрах измеряется изменение электрического сопротивления материала под действием влажности. [7] Типичными материалами являются соли и проводящие полимеры . Резистивные датчики менее чувствительны, чем емкостные — изменение свойств материала меньше, поэтому они требуют более сложной схемы. Свойства материала также имеют тенденцию зависеть как от влажности, так и от температуры, что на практике означает, что датчик необходимо комбинировать с датчиком температуры. Точность и устойчивость к конденсации варьируются в зависимости от выбранного резистивного материала. Существуют надежные, устойчивые к конденсации датчики с точностью до ± 3% относительной влажности ( относительной влажности ).
В термогигрометрах измеряют изменение теплопроводности воздуха под действием влажности. Эти датчики измеряют абсолютную, а не относительную влажность. [7]
Гравиметрический гигрометр извлекает воду из воздуха (или другого газа) и взвешивает ее отдельно, например, взвешивая влагопоглотитель до и после того, как он поглотил воду. Также измеряются температура, давление и объем образующегося сухого газа, что дает достаточно информации для расчета количества воды на моль газа. [8] [9]
Это считается наиболее точным основным методом измерения абсолютной влажности, и на его основе разработаны национальные стандарты в США, Великобритании, ЕС и Японии. Однако неудобство использования таких устройств означает, что они обычно используются только для калибровки менее точных инструментов, называемых эталонами передачи.
Оптический гигрометр измеряет поглощение света водой в воздухе. [10] Излучатель света и детектор света расположены с объемом воздуха между ними. Ослабление света, видимое детектором, указывает на влажность в соответствии с законом Бера-Ламберта . Типы включают гигрометр Лайман-альфа (использующий свет Лайман-альфа, излучаемый водородом), криптоновый гигрометр (использующий свет с длиной волны 123,58 нм, излучаемый криптоном ) и гигрометр дифференциального поглощения (использующий свет, излучаемый двумя лазерами, работающими на разных длинах волн, один из которых поглощается). по влажности, а другое нет).
Помимо теплиц и промышленных помещений, гигрометры также используются в некоторых инкубаторах , саунах , хьюмидорах и музеях . Их также используют для ухода за деревянными музыкальными инструментами, такими как фортепиано, гитары, скрипки и арфы, которые могут быть повреждены из-за неправильных условий влажности. Гигрометры играют большую роль в тушении пожаров, поскольку чем ниже относительная влажность, тем сильнее может гореть топливо. [11] В жилых помещениях для контроля влажности используются гигрометры (слишком низкая влажность может повредить кожу и тело человека, а слишком высокая влажность способствует росту плесени и пылевых клещей ). Гигрометры также используются в лакокрасочной промышленности , поскольку нанесение красок и других покрытий может быть очень чувствительным к влажности и точке росы .
Измерение влажности является одной из наиболее сложных задач базовой метрологии. Согласно Руководству ВМО : «Достижимая точность [для определения влажности], указанная в таблице, относится к приборам хорошего качества, которые хорошо эксплуатируются и обслуживаются. На практике добиться этого непросто». Два термометра можно сравнить, погрузив их оба в изолированный сосуд с водой (или спиртом, если температура ниже точки замерзания воды) и энергично перемешивая, чтобы минимизировать колебания температуры. Высококачественный стеклянный жидкостный термометр при бережном обращении должен оставаться стабильным в течение нескольких лет. Гигрометры необходимо калибровать на воздухе, который является гораздо менее эффективным теплоносителем, 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 изменения температуры воздуха в испытательной камере приведут к изменениям относительной влажности. .
В холодной и влажной среде на головке датчика может возникнуть сублимация льда, будь то волос, ячейка росы, зеркало, емкостный чувствительный элемент или сухой термометр аспирационного психрометра. Лед на зонде соответствует показаниям влажности насыщения по отношению к льду при этой температуре, т. е. точке замерзания. Однако обычный гигрометр не может правильно измерять температуру ниже точки замерзания, и единственный способ обойти эту фундаментальную проблему — использовать датчик влажности с подогревом. [13]
Точная калибровка используемых термометров имеет основополагающее значение для точного определения влажности влажно-сухим методом. Термометры должны быть защищены от теплового излучения и иметь достаточно сильный поток воздуха над смоченным термометром для получения наиболее точных результатов. Один из наиболее точных типов психрометра с влажно-сухой колбой был изобретен в конце 19 века Адольфом Рихардом Ассманном (1845–1918); [14] в англоязычных справочниках устройство обычно пишется как «психрометр Ассмана». 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 прогоняется через трубки с помощью вентилятора, который приводится в движение часовым механизмом для обеспечения постоянной скорости (в некоторых современных версиях используется электрический вентилятор с электронной регулировкой скорости). [15] Согласно Миддлтону, 1966, «существенным моментом является то, что воздух всасывается между концентрическими трубками, а также через внутреннюю трубку». [16]
Очень сложно, особенно при низкой относительной влажности, получить максимальную теоретическую депрессию температуры по влажному термометру; Австралийское исследование, проведенное в конце 1990-х годов, показало, что жидкостные стеклянные термометры с мокрым термометром были теплее, чем предсказывала теория, даже если были приняты значительные меры предосторожности; [17] это может привести к завышению значений относительной влажности на 2–5 процентов.
Одним из решений, которое иногда используется для точного измерения влажности, когда температура воздуха ниже нуля, является использование электрического нагревателя с термостатическим управлением для повышения температуры наружного воздуха выше нуля. В этой схеме вентилятор втягивает наружный воздух мимо (1) термометра для измерения температуры окружающей среды по сухому термометру, (2) нагревательного элемента , (3) второго термометра для измерения температуры по сухому термометру нагретого воздуха, затем наконец (4) термометр с мокрым термометром. Согласно Руководству Всемирной метеорологической организации : «Принцип работы психрометра с подогревом заключается в том, что содержание водяного пара в воздушной массе не меняется при ее нагревании. Это свойство можно использовать в интересах психрометра, избегая необходимости поддерживать ледяная колба в условиях замерзания». [18] [19]
Поскольку влажность окружающего воздуха рассчитывается косвенно по трем измерениям температуры, в таком устройстве точная калибровка термометра даже важнее, чем для двухламповой конфигурации.
Различные исследователи [20] исследовали возможность использования насыщенных растворов солей для калибровки гигрометров. Густые смеси некоторых чистых солей и дистиллированной воды обладают тем свойством, что поддерживают в закрытой таре примерно постоянную влажность. Ванна с насыщенной поваренной солью ( хлоридом натрия ) в конечном итоге даст показание примерно 75%. Остальные соли имеют иной равновесный уровень влажности: хлорид лития ~11%; Хлорид магния ~33%; Карбонат калия ~43%; Сульфат калия ~97%. Влажность солевых растворов несколько варьируется в зависимости от температуры, и для достижения равновесия им может потребоваться относительно много времени , но их простота использования в некоторой степени компенсирует эти недостатки в приложениях с низкой точностью, таких как проверка механических и электронных гигрометров.
Устаревшее издание этого руководства, впервые опубликованное в 1950 году.
Первое издание этого руководства вышло в 1950 году.
