Higrometr - Hygrometer

Higrometr napinający włosy z podziałką nieliniową.
Wilgotność i higrometria
Chmur las góra kinabalu-withHygrom.jpg
Koncepcje szczegółowe
Pojęcia ogólne
Miary i instrumenty

Higrometr jest przyrząd do pomiaru ilości pary wodnej w atmosferze powietrza, w glebie lub w zamkniętej przestrzeni. Przyrządy do pomiaru wilgotności zwykle polegają na pomiarach innych wielkości, takich jak temperatura, ciśnienie, masa, mechaniczne lub elektryczne zmiany w substancji podczas pochłaniania wilgoci. Poprzez kalibrację i obliczenia te zmierzone wielkości mogą prowadzić do pomiaru wilgotności. Nowoczesne urządzenia elektroniczne wykorzystują temperaturę kondensacji (tzw. punkt rosy ) lub zmiany pojemności elektrycznej lub rezystancji do pomiaru różnic wilgotności. W 1480 roku Leonardo da Vinci wynalazł prymitywny higrometr. W XVII wieku nastąpiły duże postępy; Francesco Folli wynalazł bardziej praktyczną wersję urządzenia, podczas gdy Robert Hooke ulepszył szereg urządzeń meteorologicznych, w tym higrometr. Bardziej nowoczesną wersję stworzył szwajcarski erudyta Johann Heinrich Lambert w 1755 roku. Później, w 1783 roku, szwajcarski fizyk i geolog Horace Bénédict de Saussure wynalazł pierwszy higrometr wykorzystujący ludzkie włosy do pomiaru wilgotności.

Maksymalna ilość pary wodnej, jaka może być zatrzymana w danej objętości powietrza ( nasycenie ), różni się znacznie w zależności od temperatury; zimne powietrze może pomieścić mniej masy wody na jednostkę objętości niż gorące powietrze. Temperatura może zmieniać wilgotność.

Higrometr klasyczny

Starożytne higrometry

Higrometry prototypowe zostały opracowane i opracowane podczas dynastii Shang w starożytnych Chinach do badania pogody. Chińczycy użyli kawałka węgla drzewnego i grudki ziemi: zmierzono jej suchą masę, a następnie porównano ją z jej wilgotną masą po wystawieniu na powietrze. Różnice masy wykorzystano do obliczenia poziomu wilgotności.

Do pomiaru wilgotności stosowano inne techniki wykorzystujące masę do pomiaru wilgotności, np. gdy powietrze było suche, sztabka węgla drzewnego byłaby lekka, a gdy powietrze było wilgotne, sztabka węgla drzewnego byłaby ciężka. Poprzez zawieszenie kawałka ziemi i pręta węgla drzewnego na obu końcach laski oddzielnie i dołożenie nieruchomego sznurka do podnoszenia w środkowym punkcie, aby laska była pozioma w suchym powietrzu, powstał starożytny higrometr.

Typ cewki metalowo-papierowej

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

Higrometry napięcia włosów

Higrometr napinający włosy firmy Deluc ( MHS Genewa )

Urządzenia te wykorzystują sierść ludzką lub zwierzęcą pod pewnym napięciem. Włosy są higroskopijne (z tendencją do zatrzymywania wilgoci); jego długość zmienia się wraz z wilgotnością, a zmiana długości może być powiększona za pomocą mechanizmu i wskazana na tarczy lub skali . Pod koniec XVII wieku takie urządzenia niektórzy naukowcy nazywali higroskopami ; to słowo już nie jest używane, ale higroskopijny i higroskopijny , które się z niego wywodzą, nadal istnieją. Na tej zasadzie działa tradycyjne urządzenie sztuki ludowej zwane domem pogodowym . Zamiast włosów można użyć kości wieloryba i innych materiałów.

W 1783 roku szwajcarski fizyk i geolog Horace Bénédict de Saussure zbudował pierwszy higrometr napinający włosy z wykorzystaniem ludzkich włosów.

Składa się z ludzkiego włosa o długości od ośmiu do dziesięciu cali, bc, ryc. 37, przymocowanego na jednym końcu do śruby, a, a na drugim przechodzącego przez koło pasowe, c, napiętego za pomocą jedwabnej nici i ciężarka, d .

—  John William Draper, Podręcznik chemii

Koło pasowe jest połączone ze wskaźnikiem, który porusza się po skali z podziałką (e). Instrument można uwrażliwić, usuwając olejki z włosów, np. przez namoczenie włosów w eterze dietylowym .

Psychrometr (termometr wilgotny i suchy)

Wnętrze ekranu Stevensona przedstawiającego zmotoryzowany psychrometr

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

Psychrometr prawdopodobnie wyprodukowany w Szwajcarii około 1850 roku przez Kappellera ( MHS Genewa )

Wilgotność względna (RH) jest obliczana na podstawie temperatury otoczenia, wskazywanej przez termometr z suchym termometrem oraz różnicy temperatur wskazywanej przez termometr z termometrem mokrym i termometrem suchym. Wilgotność względną można również określić, lokalizując przecięcie temperatur mokrego i suchego termometru na wykresie psychrometrycznym . Termometry suche i mokre pokrywają się, gdy powietrze jest w pełni nasycone, a im większa różnica, tym bardziej suche powietrze. Psychrometry są powszechnie stosowane w meteorologii oraz w branży HVAC do prawidłowego napełniania czynnikiem chłodniczym domowych i komercyjnych systemów klimatyzacji.

Psychrometr chusty

Psychrometr procy do użytku na zewnątrz

Psychrometr zawiesia, który wykorzystuje termometry przymocowane do uchwytu, jest ręcznie wirowany w swobodnym przepływie powietrza, aż obie temperatury się ustabilizują. Jest to czasami używane do pomiarów terenowych, 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.

Schłodzony higrometr lustrzany 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 kondensację wody. Higrometry chłodzone lustrzanym punktem rosy to jedne z najbardziej precyzyjnych przyrządów powszechnie dostępnych. Wykorzystują chłodzone lustro i mechanizm optoelektroniczny do wykrywania kondensacji na powierzchni lustra. Temperatura lustra jest kontrolowana przez elektroniczne sprzężenie zwrotne, aby utrzymać dynamiczną równowagę między parowaniem i kondensacją, a tym samym dokładnie mierzy temperaturę punktu rosy. Dzięki tym urządzeniom można osiągnąć dokładność 0,2°C, która w typowych środowiskach biurowych koreluje z dokładnością wilgotności względnej 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 lustra chłodzone. Stosując tę ​​metodę, punkt rosy określa się za pomocą spektroskopowej detekcji światła, która określa charakter kondensacji. Ta metoda pozwala uniknąć wielu pułapek poprzednich luster chłodzących i jest w stanie działać bez dryfu.

Nowoczesne higrometry

Pojemnościowy

W zastosowaniach, w których istotny jest koszt, przestrzeń lub kruchość, stosuje się inne typy czujników elektronicznych, za cenę mniejszej dokładności. W higrometrach pojemnościowych mierzony jest 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 mierzy się zmianę oporu elektrycznego 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 złożonych obwodów. Również właściwości materiału 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 oporowego. Istnieją wytrzymałe, odporne na kondensację czujniki z dokładnością do ±3% RH ( wilgotność względna ).

Termiczny

W higrometrach termicznych mierzy się zmianę przewodności cieplnej powietrza pod wpływem wilgoci. Czujniki te mierzą wilgotność bezwzględną, a nie wilgotność względną.

Grawimetryczny

Higrometr grawimetryczny mierzy masę próbki powietrza w porównaniu do równej objętości suchego powietrza. Jest to uważana za najdokładniejszą podstawową metodę określania zawartości wilgoci w powietrzu. Normy krajowe oparte na tego typu pomiarach zostały opracowane w USA, Wielkiej Brytanii, UE i Japonii. Niedogodność korzystania z tego urządzenia powoduje, że jest ono 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 z pewną ilością powietrza pomiędzy nimi. Osłabienie światła widziane przez detektor wskazuje wilgotność, zgodnie z prawem Beera-Lamberta . Typy obejmują higrometr Lyman-alfa (wykorzystujący światło Lyman-alfa emitowane przez wodór), higrometr kryptonowy (używający światła emitowanego przez krypton o długości 123,58 nm ) oraz higrometr absorpcji różnicowej (wykorzystujący światło emitowane przez dwa lasery pracujące na różnych długościach fal, z których jeden jest absorbowany). przez wilgotność, a inne nie).

Aplikacje

Oprócz szklarni i pomieszczeń przemysłowych, higrometry wykorzystywane są również w niektórych inkubatorach , saunach , humidorach i muzeach . Stosuje się je również do pielęgnacji drewnianych instrumentów muzycznych, takich jak fortepiany, gitary, skrzypce, harfy, które mogą ulec uszkodzeniu przez niewłaściwe warunki wilgotnościowe. Higrometry odgrywają dużą rolę w gaszeniu pożarów, ponieważ im niższa wilgotność względna, tym paliwo może spalać się intensywniej. W warunkach mieszkaniowych higrometry służą do kontrolowania wilgotności (zbyt niska wilgotność może uszkadzać ludzką skórę i ciało, natomiast zbyt wysoka sprzyja rozwojowi pleśni i roztoczy ). Higrometry są również używane w przemyśle powłokowym , ponieważ nakładanie farby i innych powłok może być bardzo wrażliwe na wilgotność i punkt rosy .

Trudność w dokładnym pomiarze wilgotności

Pomiar wilgotności jest jednym z trudniejszych problemów w podstawowej metrologii. Według Przewodnika WMO „Osiągalne dokładności [do oznaczania wilgotności] wymienione w tabeli odnoszą się do dobrej jakości przyrządów, które są dobrze obsługiwane i konserwowane. W praktyce nie jest to 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 termometr cieczowy w szkle, jeśli obchodzi się z nim ostrożnie, powinien pozostać stabilny przez kilka lat. Higrometry muszą być kalibrowane w powietrzu, które jest znacznie mniej efektywnym nośnikiem ciepła niż woda, a wiele typów podlega dryfowi, więc wymaga regularnej ponownej kalibracji. Kolejną trudnością jest to, że większość higrometrów wykrywa wilgotność względną, a nie bezwzględną ilość obecnej wody, ale wilgotność względna jest funkcją zarówno temperatury, jak i zawartości wilgoci bezwzględnej, więc niewielkie wahania 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, cela rosy, lustro, element pomiarowy pojemności, czy termometr z suchym termometrem psychrometru aspiracji. Lód na sondzie dopasowuje odczyt do wilgotności nasycenia w odniesieniu do lodu w tej temperaturze, tj. punktu szronu. Jednak konwencjonalny higrometr nie jest w stanie prawidłowo mierzyć w punkcie szronu, a jedynym sposobem na obejście tego podstawowego problemu jest użycie podgrzewanej sondy wilgotności.

Wzorce kalibracyjne

Kalibracja psychrometru

Dokładna kalibracja zastosowanych termometrów ma fundamentalne znaczenie dla precyzyjnego określenia wilgotności metodą sucho-mokro. Termometry muszą być chronione przed promieniowaniem cieplnym i muszą mieć wystarczająco duży przepływ powietrza nad termometrem wilgotnym, aby uzyskać najdokładniejsze wyniki. Jeden z najbardziej precyzyjnych typów psychrometrów wilgotno-suchych został wynaleziony pod koniec XIX wieku przez Adolpha Richarda Assmanna (1845-1918); w anglojęzycznych odniesieniach urządzenie jest zwykle pisane jako „psychrometr Assmanna”. W tym urządzeniu każdy termometr jest zawieszony w pionowej rurce z polerowanego metalu, a rurka ta jest z kolei zawieszona w drugiej metalowej rurce o nieco większej średnicy; te podwójne rurki służą do izolowania termometrów od promieniowania cieplnego. Powietrze jest wciągane przez rury za pomocą wentylatora napędzanego mechanizmem zegarowym, aby zapewnić stałą prędkość (niektóre nowoczesne wersje wykorzystują wentylator elektryczny z elektroniczną regulacją prędkości). Według Middleton, 1966, „istotnym punktem jest to, że powietrze jest wciągane między koncentryczne rurki, a także przez wewnętrzną”.

Uzyskanie maksymalnego teoretycznego obniżenia temperatury mokrego termometru jest bardzo trudne, szczególnie przy niskiej wilgotności względnej; australijskie badanie z późnych lat 90. wykazało, że termometry z mokrymi termometrami typu „płyn w szkle” były cieplejsze niż przewidywała teoria, nawet jeśli podjęto znaczne środki ostrożności; może to prowadzić do odczytów wartości RH o 2 do 5 punktów procentowych za wysokich.

Jednym z rozwiązań czasami stosowanych do dokładnego pomiaru wilgotności, gdy temperatura powietrza jest poniżej zera, jest zastosowanie grzejnika elektrycznego sterowanego termostatycznie w celu podniesienia temperatury powietrza na zewnątrz powyżej zera. W tym układzie wentylator wyciąga powietrze z zewnątrz obok (1) termometru do pomiaru temperatury termometru suchego otoczenia, (2) elementu grzejnego , (3) drugiego termometru do pomiaru temperatury termometru suchego ogrzanego powietrza, a następnie wreszcie (4) termometr z wilgotnym termometrem. Według Przewodnika Światowej Organizacji Meteorologicznej „Zasada podgrzewanego psychrometru polega na tym, że zawartość pary wodnej w masie powietrza nie zmienia się, gdy jest ono podgrzewane. Ta właściwość może być wykorzystana na korzyść psychrometru poprzez uniknięcie konieczności konserwacji bańka lodu w warunkach zamarzania.".

Ponieważ wilgotność powietrza otoczenia obliczana jest pośrednio z trzech pomiarów temperatury, w takim urządzeniu dokładna kalibracja termometru jest jeszcze ważniejsza niż w konfiguracji dwużarówkowej.

Kalibracja soli nasyconych

Różni badacze badali zastosowanie nasyconych roztworów soli do kalibracji higrometrów. Gęste mieszanki niektórych czystych soli i wody destylowanej mają tę właściwość, że utrzymują w przybliżeniu stałą wilgotność w zamkniętym pojemniku. Nasycona kąpiel w soli kuchennej (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 się nieco różnić pod względem wilgotności wraz z temperaturą, a ich osiągnięcie równowagi może zająć stosunkowo dużo czasu, ale ich łatwość użycia w pewnym stopniu rekompensuje te wady w zastosowaniach o niskiej precyzji, takich jak sprawdzanie higrometrów mechanicznych i elektronicznych.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki