Кіріспе

Ылғалдылықты өлшейтін құрал – гигрометр, ауаның немесе басқа газдың ылғалдылығын, яғни оның құрамындағы су буының мөлшерін өлшейтін құрал. Ылғалдылықты өлшейтін құралдар көбінесе температура, қысым, масса және ылғалды сіңіретін заттағы механикалық немесе электрлік өзгерістер сияқты басқа шамаларды өлшеуге негізделеді. Калибралау және есептеу арқылы осы өлшенген шамалар ылғалдылықты өлшеуге мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы электрондық құрылғылар ылғалдылықтың айырмашылығын өлшеу үшін конденсация температурасын (шық нүктесі деп аталады) немесе электр сыйымдылығы мен кедергісінің өзгеруін пайдаланады. Гигрометрді алғаш 1480 жылы Леонардо да Винчи ойлап тапқан. 1600 жылдары маңызды жетістіктерге қол жеткізілді; Франческо Фолли құрылғының тиімдірек нұсқасын жасады, ал Роберт Гук гигрометрді қоса алғанда, бірқатар метеорологиялық құралдарды жетілдірді. Оның жаңартылған нұсқасын 1755 жылы швейцар ғалымы Иоганн Генрих Ламберт құрастырды. Кейін, 1783 жылы швейцариялық физик және геолог Хорас Бенедикт де Соссюр ылғалдылықты өлшеу үшін адам шашын қолданатын алғашқы гигрометрді ойлап тапты. Белгілі бір көлемдегі ауада (қанығу) ұстала алатын су буының максималды мөлшері температураға байланысты күрт өзгереді; суық ауа ыстық ауаға қарағанда бірлік көлемге аз су массасын ұстай алады. Температура ылғалдылықты өзгерте алады.

Ежелгі гигрометрлер

Гигрометрлердің прототиптері ежелгі Қытайдағы Шан әулеті кезінде ауа райын зерттеу мақсатымен жасалды және дамытылды. Қытайлар көмірдің бір тақтасы мен топырақтың бір кесегін пайдаланды: оның құрғақ салмағы өлшеніп, содан кейін ауада қалғаннан кейін ылғал салмағымен салыстырылды. Салмақ арасындағы айырмашылық ылғалдылық деңгейін анықтау үшін қолданылды. Ылғалдылықты өлшеу үшін массаны пайдаланатын басқа да әдістер қолданылды, мысалы, ауа құрғақ болғанда көмір тақтасы жеңіл, ал ауа ылғалды болғанда ауыр болатын. Құрғақ ауада таяқтың екі басына топырақ пен көмір тақтасын жеке-жеке іліп, орта тұсына белгілі бір көтергіш арқанды бекітіп, таяқтың көлденең болуын қамтамасыз ету арқылы ежелгі гигрометр жасалды.

Психометр (сулы және құрғақ лампалы термометр)

Психометр немесе ылғал және құрғақ шамды термометр екі калибрленген термометрден тұрады, біреуі құрғақ, екіншісі шұлық немесе фитильмен дистилленген сумен ылғалдандырылады. Судың қату нүктесінен жоғары температурада, фитильден судың булануы температураны төмендетеді, сондықтан ылғал шамды термометр құрғақ шамды термометрден төмен температураны көрсетеді. Бірақ ауа температурасы қату нүктесінен төмен болғанда, ылғал шамды мұздың жұқа қабатымен жабу қажет, дәлдікті сақтау үшін. Сублимацияның салдарынан ылғал шамның температурасы құрғақ шамнан төмен болады, бірақ психометрді үздіксіз пайдаланғанда бұл бірнеше минутқа созылуы мүмкін. Салыстырмалы ылғалдылық (RH) қоршаған ортаның температурасы (құрғақ шамды термометр көрсеткендей) және ылғал және құрғақ шамдардың температурасы арасындағы айырмашылық бойынша есептеледі. Салыстырмалы ылғалдылықты психометриялық кестеде ылғал және құрғақ шамдар температурасының қиылысуын тауып анықтауға болады. Ауа толығымен қаныққан кезде құрғақ және ылғал термометрлер мәндері сәйкес келеді, ал айырмашылық неғұрлым үлкен болса, ауа соғұрлым құрғақ болады. Психометрлер көбінесе метеорологияда, сондай-ақ жылыту, желдету және кондиционерлеу (ЖЖК) саласында тұрғын және коммерциялық кондиционерлерді дұрыс толықтыру үшін қолданылады.

Слинг психорометрі

Термометрлер тұтқаға бекітілген психометрді екі температура бірдей тұрақталғанша еркін ауа ағынында қолмен айналдырады. Бұл кейде далалық өлшеулер үшін қолданылады, бірақ оны ыңғайлырақ электрондық сенсорлармен алмастыру үрдісі жүріп жатыр. Айналмалы психометрде де осы принцип қолданылады, бірақ екі термометр де тісті дөңгелек немесе футболға ұқсас құрылғыға орнатылған.

Салқындатылған айна шөл нүктесі гигрометрі

Шөл нүктесі – тұрақты қысымдағы ылғалды ауаның (немесе кез келген басқа су буының) үлгісі су буының тою деңгейіне жететін температура. Осы тою температурасында одан әрі салқындату нәтижесінде су конденсацияланады. Мұздатылған айналы шөл нүктесі гигрометрлері – қолданыстағы ең дәл құралдардың бірі. Олар айна бетіндегі конденсацияны анықтау үшін салқындатылған айна мен оптоэлектрондық механизмді пайдаланады. Айнаның температурасы электрондық кері байланыс арқылы реттеледі, осылайша булану мен конденсация арасындағы динамикалық тепе-теңдікті сақтап, шөл нүктесінің температурасын дәл өлшейді. Бұл құрылғылармен 0,2 °C дәлдікке қол жеткізуге болады, бұл кеңсе ортасындағы салыстырмалы ылғалдылықтың шамамен ±1,2% дәлдігіне сәйкес келеді. Ескі мұздатылған айналар металлдан жасалған, сондықтан оларды тазалау және күту үшін білікті мамандар қажет болатын. Мұздатылған айналардың жаңа үлгілері әдетте тазалауды қажет етпейтін жоғары жылтыратылған беттерді қолданады. Соңғы уақытта спектроскопиялық мұздатылған айналар енгізілді. Бұл әдіспен шөл нүктесі конденсацияның сипатын анықтайтын спектроскопиялық жарық арқылы анықталады. Бұл әдіс бұрынғы мұздатылған айналардың көптеген кемшіліктерінен сақталады және дрейфсіз жұмыс істей алады. Мұздатылған айналар басқа гигрометрлерді калибрлеу үшін эталондық өлшем болып табылады. Бұл олардың конденсация физикасының негізгі қағидаларына сүйенетін және ұзындық, уақыт, заттың мөлшері, электр тогы, температура, жарық интенсивтілігі, масса сияқты негізгі бірліктердің бірі – температураны өлшейтін негізгі принциптік табиғатына байланысты.

Қуаттылығы

Құны, көлем немесе қажетсіздік маңызды болғанда, төмен дәлдікпен басқа электронды сенсорлар қолданылады. Капацитивті гигрометрлер ылғалдың полимердің немесе металл оксидінің диэлектрлік тұрақтысына тигізетін әсерін өлшейді. Калибрленген кезде, олардың салыстырмалы ылғалдылығы 5%-дан 95%-ға дейін ±2% RH дәлдікпен өлшенеді; калибрленбеген жағдайда бұл көрсеткіш екі-үш есе нашарлайды. Капацитивті сенсорлар конденсация және уақытша жоғары температура сияқты факторларға төзімді, бірақ ластану, қате дерек беру және тозу әсерлеріне ұшырауы мүмкін. Дегенмен, олар көптеген қолданулар үшін қолайлы.

Резистивті

Резистивті гигрометрлерде материалдың ылғалға байланысты электр кедергісінің өзгеруі өлшенеді. Бұл абсолютті ылғалдылықты өлшеудің ең дәл негізгі әдісі саналады және АҚШ, Ұлыбритания, Еуроодақ және Жапонияда оған негізделген ұлттық стандарттар жасалған. Дегенмен, мұндай құрылғыларды қолданудың қиындығы оларды көбінесе тек дәлдігі төмен аспаптарды калибрлеу үшін пайдалануға алып келеді, олар Transfer Standards деп аталады.

Оптикалық

Оптикалық гигрометр ауадағы судың жарықты сіңіру деңгейін өлшейді. Жарық шығарушы және жарық детекторлары арасында белгілі бір көлемде ауа орналастырылады. Детектор тіркеген жарықтың әлсіреуі, Beer-Lambert заңына сәйкес, ылғалдылықты көрсетеді. Оның түрлеріне: сутек шығаратын Лайман-альфа сәулесін пайдаланатын Лайман-альфа гигрометрі, криптон шығаратын 123,58 нм сәулесін пайдаланатын криптон гигрометрі және әртүрлі толқын ұзындығында жұмыс істейтін екі лазердің сәулесін пайдаланатын (біреуі ылғалды сіңіретін, екіншісі сіңірмейтін) дифференциалды сіңіру гигрометрі жатады.

Қолданбалар

Жылыжайлар мен өнеркәсіптік кеңістіктерден басқа, гигрометрлер кейбір инкубаторларда, сауналарда, ылғалдандырғыштарда және мұражайларда да қолданылады. Олар пианино, гитара, скрипка және арфа сияқты ағаштан жасалған музыкалық аспаптарды күтуде де қолданылады, себебі дұрыс емес ылғалдық жағдайлар оларды зақымдауы мүмкін. Гигрометрлер өрт сөндіру ісінде маңызды рөл атқарады, өйткені салыстырмалы ылғалдылық төмен болған сайын, жанар майлармен от күштірек тұтанады. Тұрғын үйлерде гигрометрлер ылғалдылықты реттеуге көмектеседі (тыныш ылғалдылық адам терісі мен денесіне зиян келтіруі мүмкін, ал тым жоғары ылғалдылық көң мен шаң жәндіктерінің өсуіне жағдай жасайды). Гигрометрлер бояу және басқа жабындарды қолдану ылғалдық пен шық нүктесіне өте сезімтал болғандықтан, бояу өнеркәсібінде де қолданылады.

Ылғалдылықты дәл өлшеудің қиындығы

Ылғалдылықты өлшеу – негізгі метрологиядағы ең қиын мәселелердің бірі. Дүниежүзлік метеорологиялық ұйымның (WMO) нұсқаулығына сәйкес: «Кестеде көрсетілген [ылғалдылықты анықтауға арналған] қол жетімді дәлдіктер жақсы жұмыс істейтін және дұрыс күтілген, сапалы құралдарға қатысты. Іс жүзінде, мұндай нәтижелерге қол жеткізу оңай емес». Екі термометрді судың (немесе судың қату температурасынан төмен температурада спирттің) жылу оқшауланған ыдысына батырып, температураның өзгеруін азайту үшін мұқият араластыру арқылы салыстыруға болады. Жоғары сапалы сұйықтықтың барланған термометрін сақтап пайдаланса, ол бірнеше жыл бойы тұрақты болып қалуы мүмкін. Гигрометрлерді ауада калибрлеу қажет, ал ауа суға қарағанда жылуды нашар өткізеді, сонымен қатар көптеген түрлері дрейфке ұшырайды, сондықтан оларды үнемі қайта калибрлеу қажет. Тағы бір қиындық – көптеген гигрометрлер судың абсолютті мөлшерін емес, салыстырмалы ылғалдылықты анықтайды, бірақ салыстырмалы ылғалдылық температура мен абсолютті ылғалға байланысты, сондықтан сынақ камерасындағы ауа температурасының шағын өзгеруі салыстырмалы ылғалдылықтың өзгеруіне әкеледі. Суық және ылғалды ортада сенсордың бетінде мұздың сублимациясы жүруі мүмкін, ол шаш, роса ұяшығы, айна, сыйымдылық сенсорлық элементі немесе аспирациялық психометрдің құрғақ термометрі болуы мүмкін. Зондтағы мұз осы температурадағы мұзға қатысты, яғни мұздық нүктесіне қатысты толыққанды ылғалдылыққа сәйкес келеді. Дегенмен, дәстүрлі гигрометр мұздық нүктесінен төменгі температураны дұрыс өлшемейді, сондықтан осы мәселені шешудің жалғыз жолы – қыздырылған ылғалдылық зондын пайдалану.

Психометрді калибрлеу

Дәл термометрлерді калибрлеу, ылғалды-құрғақ әдіс арқылы ылғалдылықты дәл анықтау үшін өте маңызды. Термометрлер сәулелі жылудан қорғалуы керек, ал ең дәл нәтижелер алу үшін ылғалды шамның үстінен ауа ағыны жеткілікті болуы тиіс. 19-ғасырдың соңында Адольф Ричард Ассман (1845–1918) ылғалды-құрғақ шам психорометрінің ең дәл түрлерінің бірін ойлап тапты; ағылшын тіліндегі сілтемелерде бұл құрылғы әдетте "Ассман психорометрі" деп аталады. Бұл құрылғыда әрбір термометр жылтыратылған металл түтікшесіне орналастырылған, ал бұл түтікше өз кезегінде сәл үлкен диаметрлі екінші металл түтікшесіне орналастырылған; осы екі түтікше термометрлерді сәулелі жылудан оқшаулауға қызмет етеді. Ауа тұрақты жылдамдықпен қамтамасыз ету үшін сағат механизмімен итермеленетін желдеткіш арқылы түтікшелерге сорылады (кейбір заманауи үлгілерде жылдамдығы электрондық түрде басқарылатын электр желдеткіші қолданылады). Миддлтонның 1966 жылғы зерттеуіне сәйкес, "маңызды жайт – ауа концентрлі түтікшелердің арасынан да, ішкі түтікше арқылы да сорылуы керек". Ылғалды шам температурасының теориялық ең жоғары төмендеуін алу, әсіресе төмен салыстырмалы ылғалдылық жағдайында қиынға соғады; 1990 жылдардың соңында Австралияда жүргізілген зерттеуде шыны ылғалды шам термометрлеріндегі сұйықтық теориялық болжамдардан жоғары температура көрсеткені анықталды, тіпті қажетті сақтық шаралары қолданылған кезде де. Бұл жағдай RH мәнінің 2-ден 5 пайызға дейін жоғарылауына әкелуі мүмкін. Ауа температурасы нөлден төмен болған кезде ылғалдылықты дәл өлшеу үшін кейде қолданылатын шешім – термостаттық басқарылатын электр жылытқышты пайдалану арқылы сыртқы ауаның температурасын нөлден жоғары көтеру. Бұл құрылымда желдеткіш (1) термометр арқылы сыртқы ауаны тартып, қоршаған ортаның құрғақ температурасын өлшейді, (2) жылыту элементінен, (3) екінші термометр арқылы жылытылған ауаның құрғақ температурасын өлшейді, содан кейін (4) ылғалды шамға жібереді. Дүниежүзілік метеорологиялық ұйымның нұсқаулығында айтылғандай, "жылытылған психорометрдің принципі – ауа массасының су буының мөлшері қыздырылғанда өзгермейді. Бұл қасиет мұзды шамды мұздату қажеттілігін болдырмау арқылы психорометрдің тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді". Қоршаған ауаның ылғалдылығы үш температураны өлшеу арқылы есептелетіндіктен, мұндай құрылғыда термометрдің дәл калибрленуі екі шамды конфигурацияға қарағанда одан да маңызды.

Қаныққан тұзды калибрлеу

Әр түрлі зерттеушілер гигрометрлерді калибрлеу үшін қаныққан тұз ерітінділерін пайдалануды зерттеді. Кейбір таза тұздар мен дистилленген судың қалың қоспалары жабық ыдыста шамамен тұрақты ылғалдылықты сақтайды. Қаныққан ас тұзы (натрий хлориді) ваннасы әдетте шамамен 75% көрсеткіш береді. Басқа тұздардың басқа тепе-теңдік ылғалдылық деңгейлері бар: литий хлориді ~11%; магний хлориді ~33%; калий карбонаты ~43%; калий сульфаты ~97%. Тұз ерітінділерінің ылғалдылығы температураға байланысты сәл өзгеруі мүмкін және олар тепе-теңдікке жетуі үшін салыстырмалы түрде көп уақыт қажет болуы мүмкін, бірақ оларды қолданудың қарапайымдылығы, механикалық және электрондық гигрометрлерді тексеру сияқты төмен дәлдікті қолдануларда осы кемшіліктерді толықтай жабатын емес, бірақ өтеуге көмектеседі.