Введение

Гигрометр – это прибор для измерения влажности воздуха или другого газа, определяющий содержание в нём водяного пара. Приборы для измерения влажности обычно основаны на измерении других величин, таких как температура, давление, масса, а также механических или электрических изменений в веществе при поглощении влаги. Путем калибровки и вычислений эти измеренные величины позволяют определить влажность. Современные электронные устройства используют температуру точки росы или регистрируют изменения электрической ёмкости или сопротивления для измерения разницы в уровнях влажности. Первоначальный гигрометр был изобретён Леонардо да Винчи в 1480 году. Значительный прогресс был достигнут в 1600-х годах: Франческо Фолли создал более практичную версию прибора, а Роберт Гук усовершенствовал ряд метеорологических инструментов, включая гигрометр. Более современная модель была разработана швейцарским учёным-энциклопедистом Иоганном Генрихом Ламбертом в 1755 году. Позднее, в 1783 году, швейцарский физик и геолог Гораций Бенедикт де Соссюр изобрел первый гигрометр, использующий человеческий волос для измерения влажности. Максимальное количество водяного пара, которое может содержаться в определённом объёме воздуха (насыщение), существенно изменяется в зависимости от температуры: холодный воздух способен удерживать меньше воды на единицу объёма, чем тёплый. Температура влияет на влажность.

Древние гигрометры

Прототипы гигрометров были созданы и разработаны во времена династии Шан в Древнем Китае для изучения погоды. Китайцы использовали кусок древесного угля и ком земли: измеряли его сухой вес, а затем сравнивали с весом после воздействия воздуха. Разница в весе использовалась для определения уровня влажности. Другие методы измерения влажности основывались на изменении массы: когда воздух был сухим, кусок древесного угля был легким, а когда воздух был влажным – тяжелым. Древний гигрометр создавался путем подвешивания на концах шеста, раздельно, кома земли и куска древесного угля, а в средней точке – фиксированной подъемной веревки, чтобы шест оставался горизонтальным в сухом воздухе.

Психометр (термометр с влажным и сухим колпаком)

Психрометр, или термометр с влажной и сухой колбами, состоит из двух калиброванных термометров: один сухой, а другой – поддерживаемый влажным дистиллированной водой на фитиле или обернутый влажной тканью. При температурах выше точки замерзания воды испарение воды с фитиля понижает температуру, в результате чего показания термометра с влажной колбой будут ниже, чем у термометра с сухой колбой. Однако, при температуре воздуха ниже нуля, для обеспечения точности влажная колба должна быть покрыта тонким слоем льда. В результате теплоты сублимации температура влажной колбы в конечном итоге станет ниже температуры сухой колбы, хотя для этого может потребоваться несколько минут непрерывного использования психрометра. Относительная влажность (RH) вычисляется на основе температуры окружающей среды, показываемой термометром с сухой колбой, и разницы температур между термометрами с влажной и сухой колбами. Относительную влажность также можно определить, найдя точку пересечения показаний термометров с влажной и сухой колбами на психометрической диаграмме. Показания обоих термометров совпадают, когда воздух полностью насыщен, и чем больше разница, тем суше воздух. Психрометры широко используются в метеорологии, а также в сфере отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) для правильной дозаправки хладагентом бытовых и коммерческих систем кондиционирования.

Слинговый психометр

Психрометр слинга, использующий термометры, прикрепленные к ручке, вращается вручную в свободном потоке воздуха до стабилизации показаний обоих термометров. Он иногда применяется для полевых измерений, но постепенно заменяется более удобными электронными датчиками. Вращающийся психометр основан на том же принципе, но два термометра установлены в устройство, похожее на трещотку или погремушку.

Охлажденный зеркальный гигрометр точки росы

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. Зеркальные гигрометры с охлаждаемым зеркалом — одни из наиболее точных приборов, обычно доступных. 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, тем самым точно измеряя температуру точки росы. Эти приборы могут достигать точности 0,2 °C, что в типичных офисных условиях соответствует точности относительной влажности около ±1,2%. В более старых моделях использовалось металлическое зеркало, которое требовало очистки и квалифицированного обслуживания. В современных конструкциях охлаждаемых зеркал используются высокополированные поверхности, не требующие регулярной очистки. В последнее время были разработаны спектральные охлаждаемые зеркала. В этом методе точка росы определяется с помощью спектроскопического обнаружения света, который определяет природу конденсации. Этот метод позволяет избежать многих недостатков предыдущих охлаждаемых зеркал и способен работать без дрейфа показаний. Зеркальные гигрометры с охлаждаемым зеркалом остаются эталонным методом для калибровки других гигрометров. Это обусловлено их фундаментальным принципом действия, основанным на физике конденсации, и измерением температуры, которая является одной из основных физических величин (длина, время, количество вещества, сила тока, температура, сила света, масса).

Вместительные

Когда важны стоимость, габариты или хрупкость, используются другие типы электронных датчиков, но с меньшей точностью. Вместительные гигрометры измеряют влияние влажности на диэлектрическую проницаемость полимера или металлического оксида. После калибровки их точность при относительной влажности от 5% до 95% составляет ±2% RH; без калибровки она ухудшается в два-три раза. Вместительные датчики устойчивы к таким явлениям, как конденсация и кратковременное воздействие высоких температур, но подвержены загрязнению, дрейфу и старению. Тем не менее, они подходят для многих областей применения.

Резистивный

В резистивных гигрометрах измеряется изменение электрического сопротивления материала под воздействием влажности. Этот метод считается наиболее точным первичным методом измерения абсолютной влажности, и на его основе разработаны национальные эталоны в США, Великобритании, ЕС и Японии. Однако сложность использования таких приборов означает, что они обычно применяются только для калибровки менее точных инструментов, называемых эталонами передачи.

Оптические

Оптический гигрометр измеряет поглощение света водой в воздухе. Источник света и детектор света расположены на расстоянии друг от друга, между ними находится объем воздуха. Ослабление света, регистрируемое детектором, указывает на влажность в соответствии с законом Бера-Ламберта. К типам относятся гигрометр Лимана-альфа (использующий свет Лимана-альфа, излучаемый водородом), гигрометр криптоновый (использующий свет 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 влагой, а другой – нет).

Приложения

Помимо теплиц и промышленных помещений, гигрометры также используются в некоторых инкубаторах, саунах, хьюмидорах и музеях. Они также применяются при уходе за деревянными музыкальными инструментами, такими как пианино, гитары, скрипки и арфы, которые могут быть повреждены при неправильном уровне влажности. Гигрометры играют важную роль в пожаротушении, так как чем ниже относительная влажность, тем интенсивнее может гореть топливо. В жилых помещениях гигрометры помогают контролировать влажность (слишком низкая влажность может нанести вред коже и организму человека, а слишком высокая способствует росту плесени и пылевых клещей). Гигрометры также используются в лакокрасочной промышленности, поскольку нанесение красок и других покрытий может быть очень чувствительно к влажности и точке росы.

Трудности точного измерения влажности

Измерение влажности является одной из самых сложных задач в базовой метрологии. Согласно руководству ВМО, "достижимые точности [при определении влажности], указанные в таблице, относятся к приборам хорошего качества, которые правильно эксплуатируются и обслуживаются. На практике добиться этого нелегко". Два термометра можно сравнить, погрузив их в изолированный сосуд с водой (или спиртом, при температурах ниже точки замерзания воды) и интенсивно перемешивая для минимизации колебаний температуры. Высококачественный жидкостный стеклянный термометр при бережном обращении может оставаться стабильным в течение нескольких лет. Гигрометры необходимо калибровать в воздухе, который является гораздо менее эффективной средой для теплопередачи, чем вода, и многие типы подвержены смещению, поэтому требуют регулярной перекалибровки. Дополнительная сложность заключается в том, что большинство гигрометров измеряют относительную влажность, а не абсолютное количество воды, но относительная влажность является функцией как температуры, так и абсолютного содержания влаги, поэтому незначительные колебания температуры в воздухе в испытательной камере приведут к колебаниям относительной влажности. В холодной и влажной среде на чувствительном элементе может происходить сублимация льда, будь то волос, росистый элемент, зеркало, емкостной датчик или термометр сухого воздуха аспирационного психрометра. Лед на датчике приводит к показаниям, соответствующим влажности насыщения относительно льда при данной температуре, то есть точке инея. Однако обычный гигрометр не может правильно измерять при температурах ниже точки инея, и единственный способ обойти эту фундаментальную проблему – использовать нагреваемый датчик влажности.

Калибровка психорометра

Точная калибровка используемых термометров имеет основополагающее значение для точного определения влажности методом влажного термометра. Термометры должны быть защищены от теплового излучения и обеспечиваться достаточным потоком воздуха над влажной колбой для получения наиболее точных результатов. Один из самых точных типов психометра с влажным и сухим термометрами был изобретен в конце XIX века Адольфом Ричардом Асманом (1845–1918); в англоязычной литературе прибор обычно пишется как "психометр Асмана". В этом приборе 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 втягивается в трубки вентилятором, приводимым в действие часовым механизмом для обеспечения постоянной скорости (в некоторых современных версиях используется электрический вентилятор с электронным регулированием скорости). Согласно Миддлтону (1966), "важный момент заключается в том, что воздух втягивается между концентрическими трубками, а также через внутреннюю". Получить максимальное теоретическое понижение температуры влажной колбы, особенно при низкой относительной влажности, весьма сложно; австралийское исследование, проведенное в конце 1990-х годов, показало, что жидкость в стеклянных термометрах влажной колбы была теплее, чем предсказывала теория, даже при принятии значительных мер предосторожности; это может приводить к показаниям относительной влажности на 2–5 процентных пункта выше фактической. Одним из решений, иногда используемых для точного измерения влажности при температуре воздуха ниже нуля, является использование термостатически управляемого электрического нагревателя для повышения температуры наружного воздуха выше нуля. В такой конструкции вентилятор протягивает наружный воздух последовательно через (1) термометр для измерения температуры сухого термометра окружающей среды, (2) нагревательный элемент, (3) второй термометр для измерения температуры сухого термометра нагретого воздуха, и, наконец, (4) термометр влажной колбы. Согласно руководству Всемирной метеорологической организации, "принцип нагретого психометра заключается в том, что содержание водяного пара в воздушной массе не изменяется при нагревании. Это свойство может быть использовано для улучшения работы психометра, устраняя необходимость поддерживать ледяную колбу при отрицательных температурах". Поскольку влажность окружающего воздуха рассчитывается косвенно на основе трех измерений температуры, в таком приборе точная калибровка термометров еще более важна, чем в конфигурации с двумя колбами.

Калибровка насыщенных солей

Различные исследователи изучали использование насыщенных растворов солей для калибровки гигрометров. Пастообразные смеси определенных чистых солей и дистиллированной воды обладают свойством поддерживать приблизительно постоянную влажность в закрытом контейнере. Насыщенный раствор поваренной соли (хлорида натрия) в конечном итоге покажет значение приблизительно 75%. Другие соли имеют другие уровни равновесной влажности: хлорид лития ~11%; хлорид магния ~33%; карбонат калия ~43%; сульфат калия ~97%. Влажность солевых растворов несколько изменяется в зависимости от температуры, и для достижения равновесия может потребоваться относительно много времени, но простота их использования в некоторой степени компенсирует эти недостатки в приложениях, не требующих высокой точности, таких как проверка механических и электронных гигрометров.