Higrometr

Higrometr z tarczą naprężającą włosy ze skalą nieliniową.

Higrometr to przyrząd, który mierzy wilgotność powietrza lub innego gazu , czyli ile zawiera pary wodnej . Przyrządy do pomiaru wilgotności zwykle opierają się na pomiarach innych wielkości, takich jak temperatura, ciśnienie, masa, mechaniczne lub elektryczne zmiany w substancji podczas wchłaniania wilgoci. Dzięki kalibracji i obliczeniom te zmierzone wielkości mogą prowadzić do pomiaru wilgotności. Nowoczesne urządzenia elektroniczne wykorzystują temperaturę skraplania (zwaną punktem rosy ) lub wykrywają zmiany pojemności elektrycznej lub odporność na pomiar różnic wilgotności. Prymitywny higrometr został wynaleziony przez Leonarda da Vinci w 1480 roku. Główne skoki nastąpiły w XVII wieku; Francesco Folli wynalazł bardziej praktyczną wersję urządzenia, a Robert Hooke udoskonalił szereg urządzeń meteorologicznych, w tym higrometr. Bardziej nowoczesną wersję stworzył szwajcarski matematyk Johann Heinrich Lambert w 1755 roku. Później, w roku 1783, szwajcarski fizyk i geolog Horace Bénédict de Saussure wynalazł pierwszy higrometr wykorzystujący ludzki włos do pomiaru wilgotności.

Maksymalna ilość pary wodnej, którą można zatrzymać w danej objętości powietrza ( nasycenie ), różni się znacznie w zależności od temperatury; zimne powietrze może pomieścić mniejszą masę wody na jednostkę objętości niż gorące powietrze. Temperatura może zmienić wilgotność.

Klasyczny higrometr

Starożytne higrometry

Prototypowe higrometry zostały opracowane i opracowane w czasach dynastii Shang w starożytnych Chinach do badania pogody. Chińczycy użyli sztabki węgla drzewnego i kawałka ziemi: pobrano jej suchą masę, a następnie porównano z masą wilgotną po wystawieniu na działanie powietrza. Różnice w masie wykorzystano do zliczenia poziomu wilgotności.

Inne techniki stosowano przy użyciu masy do pomiaru wilgotności, na przykład gdy powietrze było suche, słupek węgla drzewnego byłby lekki, a gdy powietrze było wilgotne, słupek węgla drzewnego byłby ciężki. Zawieszając osobno kawałek ziemi i węgiel drzewny na dwóch końcach laski i dodając stały sznurek do podnoszenia na środkowym punkcie, aby laska była pozioma w suchym powietrzu, powstał starożytny higrometr.

Cewka metalowo-papierowa

Higrometr z cewką metalowo-papierową jest bardzo przydatny do wskazywania zmian wilgotności na tarczy. Pojawia się najczęściej w niedrogich urządzeniach, a jego dokładność jest ograniczona, z odchyleniami rzędu 10% lub więcej. W tych urządzeniach para wodna jest pochłaniana przez nasączony solą papierowy pasek przymocowany do metalowej cewki, co powoduje zmianę kształtu cewki. Zmiany te (analogicznie jak w termometrze bimetalicznym ) powodują wskazanie na tarczy. Zwykle z przodu miernika znajduje się metalowa igła, która zmienia się tam, gdzie wskazuje.

Higrometry napięcia włosów

Fiszbinowy higrometr do napinania włosów Deluc ( MHS Genewa )

Urządzenia te wykorzystują włosy ludzkie lub zwierzęce pod pewnym napięciem. Włosy są higroskopijne (z tendencją do zatrzymywania wilgoci); jego długość zmienia się wraz z wilgotnością, a zmianę długości można powiększyć za pomocą mechanizmu i wskazać na tarczy lub skali . Pod koniec XVII wieku niektórzy naukowcy nazywali takie urządzenia higroskopami ; to słowo nie jest już w użyciu, ale higroskopijność i higroskopijność , które się od niego wywodzą, nadal są. Tradycyjne urządzenie sztuki ludowej znane jako dom pogody działa na tej zasadzie. Zamiast włosów można użyć kości wieloryba i innych materiałów.

W 1783 roku szwajcarski fizyk i geolog Horace Bénédict de Saussure zbudował pierwszy higrometr do pomiaru napięcia włosów przy użyciu ludzkich włosów.

Składa się z ludzkiego włosa o długości od ośmiu do dziesięciu cali, bc, ryc. 37, przymocowanego jednym końcem do śruby, a, a drugim przechodzącym przez krążek, c, napiętym jedwabną nicią i ciężarem, d .

— John William Draper, Podręcznik chemii

Koło pasowe jest połączone z indeksem, który porusza się po stopniowanej skali (e). Instrument można uczynić bardziej czułym, usuwając olejki z włosów, na przykład najpierw mocząc włosy w eterze dietylowym .

Psychrometr (termometr z termometrem mokrym i suchym)

Wnętrze ekranu Stevensona przedstawiające zmotoryzowany psychrometr

Psychrometr lub termometr z termometrem mokrym i suchym składa się z dwóch skalibrowanych termometrów, jednego suchego i drugiego utrzymywanego w stanie wilgotnym wodą destylowaną na skarpecie lub knotu. W temperaturach powyżej punktu zamarzania wody odparowanie wody z knota obniża temperaturę , tak że termometr mokry będzie miał niższą temperaturę niż termometr suchy. Jednak gdy temperatura powietrza spada poniżej zera, mokra bańka musi być pokryta cienką warstwą lodu, aby była dokładna. W wyniku ciepła sublimacji temperatura mokrego termometru ostatecznie będzie niższa niż termometru suchego, chociaż może to zająć wiele minut ciągłego używania psychrometru.

Psychrometr wykonany prawdopodobnie w Szwajcarii około 1850 roku przez firmę Kappeller ( MHS Genewa )

Wilgotność względna (RH) jest obliczana na podstawie temperatury otoczenia wskazywanej przez termometr suchy oraz różnicy temperatur wskazywanej przez termometr mokry i suchy. Wilgotność względną można również określić, umieszczając punkt przecięcia temperatury termometru mokrego i suchego na wykresie psychrometrycznym . Suchy i mokry termometr pokrywają się, gdy powietrze jest w pełni nasycone, a im większa różnica, tym bardziej suche powietrze. Psychrometry są powszechnie stosowane w meteorologii oraz w przemyśle HVAC do prawidłowego ładowania czynnika chłodniczego w domowych i komercyjnych systemach klimatyzacyjnych.

Psychrometr zawiesia

Psychrometr do noszenia na zewnątrz

Psychrometr zawiesia, który wykorzystuje termometry przymocowane do uchwytu, jest ręcznie obracany w swobodnym przepływie powietrza, aż do ustabilizowania się obu temperatur. Jest to czasami używane do pomiarów w terenie, ale jest zastępowane wygodniejszymi czujnikami elektronicznymi. Wirujący psychrometr działa na tej samej zasadzie, ale dwa termometry są zamontowane w urządzeniu przypominającym grzechotkę lub grzechotkę piłkarską.

Chłodzony lustrzany higrometr punktu rosy

Punkt rosy to temperatura, w której próbka wilgotnego powietrza (lub innej pary wodnej ) pod stałym ciśnieniem osiąga nasycenie parą wodną. W tej temperaturze nasycenia dalsze chłodzenie powoduje skraplanie się wody. Higrometry punktu rosy z chłodzonym lustrem to jedne z najbardziej precyzyjnych powszechnie dostępnych przyrządów. Używają schłodzonego lustra i mechanizmu optoelektronicznego do wykrywania kondensacji na powierzchni lustra. Temperatura lustra jest kontrolowana przez elektroniczne sprzężenie zwrotne w celu utrzymania dynamicznej równowagi między parowaniem a skraplaniem, co umożliwia dokładny pomiar temperatury punktu rosy. Dzięki tym urządzeniom osiągalna jest dokładność 0,2°C, co w typowym środowisku biurowym odpowiada dokładności wilgotności względnej wynoszącej około ±1,2%. Urządzenia te wymagają częstego czyszczenia, wykwalifikowanego operatora i okresowej kalibracji, aby osiągnąć ten poziom dokładności. Mimo to są podatne na silne dryfowanie w środowiskach, w których może występować dym lub w inny sposób zanieczyszczone powietrze.

Niedawno wprowadzono spektroskopowe chłodzone lustra. Za pomocą tej metody punkt rosy jest określany za pomocą spektroskopowej detekcji światła, która określa charakter kondensacji. Ta metoda pozwala uniknąć wielu pułapek poprzednich luster z chłodzeniem i jest w stanie działać bez dryfu.

Nowoczesne higrometry

Pojemnościowy

W zastosowaniach, w których istotny jest koszt, miejsce lub kruchość, stosuje się inne typy czujników elektronicznych, za cenę niższej dokładności. W higrometrach pojemnościowych mierzy się wpływ wilgotności na stałą dielektryczną materiału polimerowego lub tlenku metalu . Po kalibracji czujniki te mają dokładność ±2% RH w zakresie 5–95% RH. Bez kalibracji dokładność jest 2 do 3 razy gorsza. Czujniki pojemnościowe są odporne na skutki takie jak kondensacja i chwilowe wysokie temperatury. Czujniki pojemnościowe są narażone na zanieczyszczenia , dryf i efekty starzenia, ale nadają się do wielu zastosowań.

Rezystancyjny

W higrometrach rezystancyjnych mierzona jest zmiana oporności elektrycznej materiału pod wpływem wilgoci. Typowymi materiałami są sole i polimery przewodzące . Czujniki rezystancyjne są mniej czułe niż czujniki pojemnościowe – zmiana właściwości materiału jest mniejsza, dlatego wymagają bardziej skomplikowanych obwodów. Właściwości materiału również zależą zarówno od wilgotności, jak i temperatury, co w praktyce oznacza, że czujnik musi być połączony z czujnikiem temperatury. Dokładność i odporność na kondensację różnią się w zależności od wybranego materiału rezystancyjnego. Dostępne są solidne, odporne na kondensację czujniki o dokładności do ±3% RH ( wilgotność względna ).

Termiczny

W higrometrach termicznych mierzona jest zmiana przewodności cieplnej powietrza pod wpływem wilgoci. Czujniki te mierzą wilgotność bezwzględną, a nie wilgotność względną.

Grawimetryczny

Higrometr grawimetryczny pobiera wodę z powietrza (lub innego gazu) i waży ją oddzielnie, na przykład ważąc środek osuszający przed i po wchłonięciu wody. Mierzona jest również temperatura, ciśnienie i objętość powstałego suchego gazu, dostarczając informacji wystarczających do obliczenia ilości wody na mol gazu.

Jest to uważane za najdokładniejszą podstawową metodę pomiaru wilgotności bezwzględnej, a oparte na niej normy krajowe zostały opracowane w USA, Wielkiej Brytanii, UE i Japonii. Jednak niedogodności związane z używaniem takich urządzeń powodują, że są one zwykle używane tylko do kalibracji mniej dokładnych instrumentów, zwanych wzorcami transferowymi.

Optyczny

Higrometr optyczny mierzy absorpcję światła przez wodę w powietrzu. Emiter światła i detektor światła są rozmieszczone w pewnej objętości powietrza między nimi. Tłumienie światła widziane przez detektor wskazuje na wilgotność zgodnie z prawem Beera-Lamberta . Typy obejmują higrometr Lyman-alfa (wykorzystujący światło Lyman-alfa emitowane przez wodór), higrometr kryptonowy (wykorzystujący światło o długości fali 123,58 nm emitowane przez krypton ) oraz higrometr absorpcji różnicowej (wykorzystujący światło emitowane przez dwa lasery działające na różnych długościach fal, jeden pochłaniany przez wilgoć, a drugi nie).

Aplikacje

Oprócz szklarni i pomieszczeń przemysłowych, higrometry są również stosowane w niektórych inkubatorach , saunach , humidorach i muzeach . Stosowane są również do pielęgnacji drewnianych instrumentów muzycznych, takich jak pianina, gitary, skrzypce, harfy, które mogą ulec uszkodzeniu w wyniku nieodpowiednich warunków wilgotnościowych. Higrometry odgrywają dużą rolę w gaszeniu pożarów, ponieważ im niższa wilgotność względna, tym energiczniej może spalać się paliwo. W warunkach mieszkaniowych higrometry pomagają kontrolować wilgotność (zbyt niska wilgotność może uszkodzić ludzką skórę i ciało, podczas gdy zbyt wysoka wilgotność sprzyja rozwojowi pleśni i roztocza ). Higrometry są również używane w przemyśle powłokowym, ponieważ nakładanie farb i innych powłok może być bardzo wrażliwe na wilgotność i punkt rosy .

Trudność dokładnego pomiaru wilgotności

Pomiar wilgotności należy do trudniejszych zagadnień w podstawowej metrologii. Według WMO : „Osiągalne dokładności [do oznaczania wilgotności] wymienione w tabeli odnoszą się do przyrządów dobrej jakości, które są dobrze obsługiwane i konserwowane. W praktyce nie są one łatwe do osiągnięcia”. Dwa termometry można porównać, zanurzając je w izolowanym naczyniu z wodą (lub alkoholem, w przypadku temperatur poniżej punktu zamarzania wody) i energicznie mieszając, aby zminimalizować wahania temperatury. Wysokiej jakości szklany termometr cieczowy, jeśli jest używany ostrożnie, powinien pozostać stabilny przez kilka lat. Higrometry muszą być kalibrowane w powietrzu, które jest znacznie mniej skutecznym nośnikiem ciepła niż woda, a wiele typów podlega dryfowaniu, dlatego wymaga regularnej ponownej kalibracji. Kolejną trudnością jest to, że większość higrometrów wykrywa raczej wilgotność względną niż bezwzględną ilość obecnej wody, ale wilgotność względna jest funkcją zarówno temperatury, jak i wilgotności bezwzględnej, więc niewielkie zmiany temperatury w powietrzu w komorze testowej przełożą się na zmiany wilgotności względnej .

W zimnym i wilgotnym środowisku na głowicy czujnika może wystąpić sublimacja lodu, niezależnie od tego, czy jest to włos, kuweta rosy, lustro, element wykrywający pojemność czy termometr suchy w psychrometrze aspiracyjnym. Lód na sondzie dopasowuje odczyt do wilgotności nasycenia w odniesieniu do lodu w tej temperaturze, tj. punkcie zamarzania. Jednak konwencjonalny higrometr nie jest w stanie prawidłowo mierzyć poniżej punktu zamarzania, a jedynym sposobem na obejście tego podstawowego problemu jest użycie podgrzewanej sondy wilgotności.

Standardy kalibracji

Kalibracja psychrometru

Dokładna kalibracja stosowanych termometrów jest podstawą precyzyjnego oznaczania wilgotności metodą mokro-sucho. Aby uzyskać jak najdokładniejsze wyniki, termometry muszą być chronione przed promieniowaniem cieplnym i muszą mieć wystarczająco duży przepływ powietrza nad mokrym termometrem. Jeden z najdokładniejszych typów psychrometru mokrej i suchej żarówki został wynaleziony pod koniec XIX wieku przez Adolpha Richarda Assmanna (1845–1918); w odniesieniach anglojęzycznych urządzenie jest zwykle zapisywane jako „psychrometr Assmanna”. W tym urządzeniu każdy termometr jest zawieszony w pionowej rurce z polerowanego metalu, a ta z kolei jest zawieszona w drugiej metalowej rurce o nieco większej średnicy; te podwójne rurki służą do odizolowania termometrów od ogrzewania promiennikowego. Powietrze jest zasysane przez rury za pomocą wentylatora napędzanego mechanizmem zegarowym, aby zapewnić stałą prędkość (niektóre nowoczesne wersje wykorzystują wentylator elektryczny z elektroniczną regulacją prędkości). Według Middletona z 1966 r. „istotną kwestią jest to, że powietrze jest zasysane między koncentrycznymi rurkami, a także przez rurkę wewnętrzną”.

Uzyskanie maksymalnego teoretycznego obniżenia temperatury mokrego termometru jest bardzo trudne, szczególnie przy niskiej wilgotności względnej; australijskie badanie przeprowadzone pod koniec lat 90. wykazało, że termometry mokre ze szklaną cieczą były cieplejsze niż przewidywała teoria, nawet przy zachowaniu znacznych środków ostrożności; może to prowadzić do odczytów wartości RH, które są o 2 do 5 punktów procentowych za wysokie.

Jednym z rozwiązań stosowanych czasami do dokładnego pomiaru wilgotności, gdy temperatura powietrza jest poniżej zera, jest użycie sterowanej termostatem nagrzewnicy elektrycznej w celu podniesienia temperatury powietrza zewnętrznego powyżej zera. W tym układzie wentylator zasysa powietrze zewnętrzne przez (1) termometr do pomiaru temperatury termometru suchego otoczenia, (2) element grzejny , (3) drugi termometr do pomiaru temperatury termometru suchego ogrzanego powietrza, a następnie wreszcie (4) termometr mokry. Według Światowej Organizacji Meteorologicznej Przewodnik: „Zasada działania podgrzewanego psychrometru polega na tym, że zawartość pary wodnej w masie powietrza nie zmienia się, gdy jest ona podgrzewana. Właściwość tę można wykorzystać na korzyść psychrometru, unikając konieczności utrzymywania bańki lodowej w warunkach zamarzania .”.

Ponieważ wilgotność powietrza otoczenia jest obliczana pośrednio na podstawie trzech pomiarów temperatury, w takim urządzeniu dokładna kalibracja termometru jest jeszcze ważniejsza niż w przypadku konfiguracji z dwoma termometrami.

Kalibracja soli nasyconej

Różni badacze badali zastosowanie nasyconych roztworów soli do kalibracji higrometrów. Gęste mieszaniny niektórych czystych soli i wody destylowanej mają tę właściwość, że utrzymują w przybliżeniu stałą wilgotność w zamkniętym pojemniku. Kąpiel nasycona solą kuchenną (chlorek sodu) ostatecznie da odczyt około 75%. Inne sole mają inne równowagowe poziomy wilgotności: chlorek litu ~ 11%; chlorek magnezu ~33%; węglan potasu ~43%; Siarczan Potasu ~97%. Roztwory soli będą różnić się nieco wilgotnością wraz z temperaturą i dojście do równowagi może zająć stosunkowo dużo czasu, ale łatwość ich użycia rekompensuje w pewnym stopniu te wady w zastosowaniach o niskiej precyzji, takich jak sprawdzanie higrometrów mechanicznych i elektronicznych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne