Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с ареометром .
Гигрометр с шкалой натяжения волос с нелинейной шкалой.
Влажность и гигрометрия
Конкретные концепции
Общие понятия
Меры и инструменты

Гигрометра является прибор , используемый для измерения количества водяного пара в воздухе, в почве, или в замкнутом пространстве. Приборы для измерения влажности обычно полагаются на измерения некоторых других величин, таких как температура, давление, масса, 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 (называемую точкой росы ) или изменения электрической емкости или сопротивления для измерения разницы влажности. Первый грубый гигрометр был изобретен итальянским эрудитом эпохи Возрождения Леонардо да Винчи.в 1480 году. Значительный скачок вперед произошел в 1600-х годах; Франческо Фолли изобрел более практичную версию устройства, а Роберт Гук усовершенствовал ряд метеорологических устройств, включая гигрометр. Более современная версия была создана швейцарским эрудитом Иоганном Генрихом Ламбертом в 1755 году. Позже, 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 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 изменять влажность. Большинство приборов реагируют (или откалиброваны для считывания) относительной влажности (RH), которая представляет собой количество воды относительно максимума при определенной температуре, выраженное в процентах.

Классический гигрометр [ править ]

Древние гигрометры [ править ]

Прототипы гигрометров были изобретены и разработаны во времена династии Шан в Древнем Китае для изучения погоды. [1] Китайцы использовали кусок древесного угля и кусок земли: измеряли его сухой вес, а затем сравнивали с его влажным весом после воздействия на воздух. Разницу в весе использовали для подсчета уровня влажности.

Другие методы применялись с использованием массы для измерения влажности, например, когда воздух был сухим, полоса древесного угля была легкой, а когда воздух был влажным, полоса древесного угля была тяжелой. Подвесив кусок земли и полоску древесного угля по отдельности на два конца посоха и добавив неподвижную подъемную веревку в средней точке, чтобы сделать посох горизонтальным в сухом воздухе, был создан древний гигрометр. [2] [1]

Металло-бумажная катушка [ править ]

Гигрометр с металлической бумажной спиралью используется для индикации изменений влажности на шкале. Чаще всего он появляется в недорогих устройствах, и его точность ограничена с отклонениями в 10% и более. В этих устройствах водяной пар поглощается пропитанной солью бумажной полосой, прикрепленной к металлической катушке, в результате чего спираль меняет форму. Эти изменения (аналогичные изменениям в биметаллическом термометре) вызывают индикацию на циферблате. Обычно на передней панели датчика есть металлическая игла, которая меняет направление.

Гигрометры натяжения волос [ править ]

Гигрометр с китовым усом для натяжения волос Deluc ( MHS, Женева )

Эти устройства используют человеческий или животный волос под некоторым напряжением. Волосы гигроскопичны (склонны удерживать влагу); его длина изменяется в зависимости от влажности, и изменение длины может быть увеличено с помощью механизма и указано на циферблате или шкале . В конце 17 века такие устройства некоторые ученые называли гигроскопами ; это слово больше не используется, но гигроскопичность и гигроскопичность , которые от него происходят, все еще существуют. По этому принципу работает традиционный народный художественный прибор, известный как погодный домик . Вместо волос можно использовать китовые кости и другие материалы.

В 1783 году швейцарский физик и геолог Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый гигрометр для измерения натяжения волос с использованием человеческого волоса.

Он состоит из человеческого волоса длиной от восьми до десяти дюймов [3] , bc, рис. 37, прикрепленного на одном конце к винту, a, а другим, проходящего через шкив, c, натянутого шелковой нитью и вес, д.

-  Джон Уильям Дрейпер, Учебник по химии

Шкив соединен с указателем, который перемещается по градуированной шкале (е). Инструмент можно сделать более чувствительным, удалив жир с волос, например, предварительно погрузив волосы в диэтиловый эфир . [4]

Психрометр (термометр с влажным и сухим термометром) [ править ]

Внутри экрана Стивенсона показан моторизованный психрометр

Психрометр, или термометр с влажным и сухим термометром, состоит из двух калиброванных термометров, один из которых является сухим, а другой поддерживается влажным с помощью дистиллированной воды на носке или фитиле. [5] При температурах выше точки замерзания воды испарение воды из фитиля снижает температуру , так что термометр по влажному термометру будет иметь более низкую температуру, чем термометр с сухим термометром. Однако, когда температура воздуха ниже точки замерзания, влажный термометр должен быть покрыт тонким слоем льда, чтобы быть точным. В результате высокой температуры сублимации температура по влажному термометру в конечном итоге будет ниже, чем по сухому термометру, хотя непрерывное использование психрометра может занять много минут.

Психрометр, вероятно, изготовлен в Швейцарии около 1850 года компанией Kappeller ( MHS, Женева ).

Относительная влажность (RH) рассчитывается на основе температуры окружающей среды, показываемой термометром с сухим термометром, и разницы температур, показываемой термометрами по мокрому и сухому термометрам. Относительную влажность также можно определить, определив точку пересечения 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 и в индустрии отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для правильной заправки хладагентом бытовых и коммерческих систем кондиционирования воздуха.

Слинг-психрометр [ править ]

Стропный психрометр для наружного применения

Стропный психрометр, в котором используются термометры, прикрепленные к рукоятке, вручную вращается в свободном потоке воздуха, пока обе температуры не стабилизируются. Иногда это используется для полевых измерений, но на смену им приходят более удобные электронные датчики. Вращающийся психрометр использует тот же принцип, но два термометра встроены в устройство, напоминающее трещотку или футбольную погремушку.

Гигрометр точки росы с охлажденным зеркалом [ править ]

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 охлаждающим зеркалом являются одними из наиболее точных общедоступных инструментов. Они используют охлаждаемое зеркало и оптоэлектронный механизм для обнаружения конденсата на поверхности зеркала. Температура зеркала регулируется электронной обратной связью для поддержания динамического равновесия между испарением и конденсацией, что позволяет точно измерять температуру точки росы. С помощью этих устройств достигается точность 0,2 ° C, что в типичных офисных условиях соответствует точности относительной влажности около ± 1,2%. Эти устройства требуют частой очистки, квалифицированного оператора и периодической калибровки для достижения такого уровня точности. Несмотря на это,они склонны к сильному заносу в среде, где может присутствовать дым или иным образом загрязненный воздух.

Совсем недавно были представлены спектроскопические охлаждаемые зеркала. Используя этот метод, точка росы определяется с помощью спектроскопической регистрации света, которая определяет природу конденсации. Этот метод позволяет избежать многих ошибок предыдущих охлаждаемых зеркал и работать без дрейфа.

Современные гигрометры [ править ]

Емкостный [ править ]

Для приложений, где важны стоимость, пространство или хрупкость, используются другие типы электронных датчиков по цене более низкой точности. В емкостных гигрометрах, эффект влажности на диэлектрической проницаемости в виде полимерного материала или оксида металла измеряются. С калибровкой эти датчики имеют точность ± 2% относительной влажности в диапазоне 5–95% относительной влажности. Без калибровки точность в 2–3 раза хуже. Емкостные датчики устойчивы к таким воздействиям, как конденсация и временные высокие температуры. [6] Емкостные датчики подвержены эффектам загрязнения, дрейфа и старения, но они подходят для многих приложений.

Резистивный [ править ]

В резистивных гигрометрах измеряется изменение электрического сопротивления материала из-за влажности. [6] 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 зависят от выбранного резистивного материала. Существуют прочные, устойчивые к конденсации датчики с точностью до ± 3% RH ( относительной влажности ).

Термальный [ править ]

В термогигрометрах измеряется изменение теплопроводности воздуха из-за влажности. Эти датчики измеряют абсолютную влажность, а не относительную влажность. [6]

Гравиметрический [ править ]

Гравиметрический гигрометр измеряет массу пробы воздуха по сравнению с равным объемом сухого воздуха. Это считается наиболее точным первичным методом определения влажности воздуха. [7] Национальные стандарты, основанные на этом типе измерения, были разработаны в США, Великобритании, ЕС и Японии. Неудобство использования этого устройства означает, что оно обычно используется только для калибровки менее точных инструментов, называемых эталонами переноса.

Оптический [ править ]

Оптический гигрометр измеряет поглощение света водой в воздухе. [8] Излучатель света и детектор света расположены между собой с объемом воздуха. Ослабление света, видимое детектором, указывает на влажность в соответствии с законом Бера-Ламберта . Типы включают гигрометр Lyman-alpha (использующий свет Lyman-alpha, излучаемый водородом), гигрометр криптона (использующий свет 123,58 нм, излучаемый криптоном ) и гигрометр дифференциального поглощения (использующий свет, излучаемый двумя лазерами, работающими на разных длинах волн, один поглощает по влажности, а другой нет).

Приложения [ править ]

Помимо теплиц и промышленных помещений, гигрометры также используются в некоторых инкубаторах , саунах , хьюмидорах и музеях . Они также используются для ухода за деревянными музыкальными инструментами, такими как пианино, гитары, скрипки и арфы, которые могут быть повреждены из-за неправильной влажности. Гигрометры играют большую роль в тушении пожаров, так как чем ниже относительная влажность, тем сильнее может гореть топливо. [9] В жилых помещениях гигрометры используются для контроля влажности (слишком низкая влажность может повредить кожу и тело человека, а слишком высокая влажность способствует росту плесени и пылевого клеща ). Гигрометры также используются в лакокрасочной промышленности.потому что нанесение краски и других покрытий может быть очень чувствительным к влажности и точке росы .

Сложность точного измерения влажности [ править ]

Измерение влажности - одна из наиболее сложных проблем базовой метрологии. Согласно Руководству ВМО , «Достижимая точность [определения влажности], указанная в таблице, относится к приборам хорошего качества, которые хорошо эксплуатируются и обслуживаются. На практике это 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 жидкостный стеклянный термометр при осторожном 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 [10]так что нужна регулярная перекалибровка. 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 колебания температуры в воздухе в испытательной камере будут преобразовываться в колебания относительной влажности. .

В холодной и влажной среде на головке датчика может происходить сублимация льда, будь то волосы, ячейка росы, зеркало, емкостной чувствительный элемент или термометр с сухим термометром аспирационного психрометра. Лед на датчике соответствует показаниям влажности насыщения по отношению ко льду при этой температуре, то есть точке замерзания. Однако обычный гигрометр не может правильно измерять температуру ниже точки замерзания, и единственный способ обойти эту фундаментальную проблему - использовать подогреваемый датчик влажности. [11]

Стандарты калибровки [ править ]

Калибровка психрометра [ править ]

Точная калибровка используемых термометров является основой точного определения влажности методом «влажный-сухой». Термометры должны быть защищены от теплового излучения и должны иметь достаточно сильный поток воздуха над влажным термометром для получения наиболее точных результатов. Один из самых точных типов психрометров с влажно-сухим термометром был изобретен в конце 19 века Адольфом Ричардом Ассманном (1845–1918); [12]в англоязычных справочниках это устройство обычно пишется как «психрометр Ассмана». В этом устройстве каждый термометр подвешен в вертикальной трубке из полированного металла, а эта трубка, в свою очередь, подвешена во второй металлической трубке немного большего диаметра; эти двойные трубки служат для изоляции термометров от теплового излучения. Воздух проходит через трубки с помощью вентилятора, который приводится в действие часовым механизмом для обеспечения постоянной скорости (в некоторых современных версиях используется электрический вентилятор с электронным управлением скоростью). [13] Согласно Миддлтону, 1966, «существенным моментом является то, что воздух проходит между концентрическими трубками, а также через внутреннюю». [14]

Очень сложно, особенно при низкой относительной влажности, получить максимальное теоретическое понижение 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; [15] это может привести к тому, что значения относительной влажности будут на 2–5% выше.

Одним из решений, которое иногда используется для точного измерения влажности при температуре воздуха ниже нуля, является использование электрического нагревателя с термостатическим управлением для повышения температуры наружного воздуха до температуры выше нуля. В этой схеме вентилятор протягивает наружный воздух мимо (1) термометра для измерения температуры окружающей среды по сухому термометру, (2) нагревательного элемента , (3) второго термометра для измерения температуры нагретого воздуха по сухому термометру, затем наконец (4) термометр с мокрым термометром. По данным Всемирной метеорологической организацииПутеводитель: «Принцип подогреваемого психрометра заключается в том, что содержание водяного пара в воздушной массе не изменяется при нагревании. Это свойство может быть использовано в пользу психрометра, поскольку позволяет избежать необходимости поддерживать ледяной шарик в условиях замерзания. . ". [16]

Поскольку влажность окружающего воздуха рассчитывается косвенно по трем измерениям температуры, в таком устройстве точная калибровка термометра даже более важна, чем для конфигурации с двумя лампами.

Калибровка насыщенной соли [ править ]

Различные исследователи [17] исследовали использование насыщенных солевых растворов для калибровки гигрометров. Густые смеси определенных чистых солей и дистиллированной воды обладают тем свойством, что они поддерживают приблизительно постоянную влажность в закрытом контейнере. Ванна с насыщенной поваренной солью (хлоридом натрия) в конечном итоге даст показание примерно 75%. Другие соли имеют другие уровни равновесной влажности: хлорид лития ~ 11%; Хлорид магния ~ 33%; Карбонат калия ~ 43%; Сульфат калия ~ 97%. Влажность солевых растворов будет несколько меняться в зависимости от температуры, и им может потребоваться относительно много времени для достижения равновесия, но их простота использования в некоторой степени компенсирует эти недостатки в приложениях с низкой точностью, таких как проверка механических и электронных гигрометров.

См. Также [ править ]

  • Автоматизированная метеостанция аэропорта
  • Dewcell
  • Гигростат
  • Анализ влажности
  • Датчик влажности почвы

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Хэмблин, Ричард (2010). Изобретение облаков: как метеоролог-любитель придумал язык небес . Пан Макмиллан (опубликовано 4 июня 2010 г.). С. 16–17. ISBN 978-0-330-39195-5.
  2. ^ Селин, Helaine (2008). Энциклопедия истории науки, техники и медицины в незападных культурах (2-е изд.). Springer (опубликовано 16 апреля 2008 г.). п. 736 . ISBN 978-1-4020-4559-2.
  3. ^ От 8 до 10 дюймов (от 20 до 25 см)
  4. ^ Дрейпер, Джон Уильям (1861). Учебник по химии . Harper & Bros., стр. 55 .
  5. ^ Gorse, C .; Johnston, D .; Притчард, М. (2012). Словарь по строительству, геодезии и гражданскому строительству . Оксфордский краткий справочник. ОУП Оксфорд. п. 960. ISBN 978-0-19-104494-6. Проверено 13 сентября 2018 года .
  6. ^ а б в Д.К. Ровети. Выбор датчика влажности: обзор трех технологий . Журнал "Сенсоры" (2001).
  7. ^ Векслер, Арнольд; Хайленд, Ричард У. (1 мая 1964 г.). «Стандартный гигрометр NBS» . www.nist.gov . Национальное бюро стандартов . Проверено 21 июля 2017 года .
  8. ^ «Спектральный гигрометр - Глоссарий AMS» . glossary.ametsoc.org . Проверено 16 января 2019 .
  9. ^ Как влажность влияет на пожаротушение? [1]
  10. ^ поймать дрейф. Архивировано 9 мая 2008 г., на Wayback Machine.
  11. ^ Макконен, Л., Лааксо, Т. (2005) Измерения влажности в холодной и влажной среде. Метеорология пограничного слоя, 116: 131–147, doi 10.1007 / s10546-004-7955-y
  12. ^ « Aßmann, Адольф Ричард архивации 2011-06-16 в Wayback Machine » Гвидо Heinrich
  13. ^ " Смитсоновский каталог метеорологических приборов в Историко-технологическом музее ", подготовленный У. Э. Ноулз Миддлтон
  14. ^ История ISBN термометра 0-8018-7153-0 , WE Ноулз Миддлтон, Johns Hopkins Press 1966 
  15. ^ Дж. Варн, Практическое влияние конструкции RTD и термометра на измерения относительной влажности с влажным и сухим термометром . Бюро метеорологии, Мельбурн (1998 г.).
  16. ^ "URL = "архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) от 3 февраля 2013 года . Проверен Февраль +3, +2013 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )«Архивная копия» (PDF) . Проверено 3 февраля 2013 года . archiveurl = Руководство ВМО по метеорологическим приборам и методам наблюдений (седьмое издание, 2008 г.), глава 4: Влажность, раздел 4.2.5: Психрометр с подогревом ». Всемирная метеорологическая организация
  17. ^ Калибровка гигрометров по соли

Внешние ссылки [ править ]

  • Учебный сайт IMA по измерению влажности
  • USATODAY.com: Как работает слинг-психрометр
  • Страница NIST по калибровке влажности
  • Статья о сложности калибровки влажности
  • Статья о датчиках относительной влажности
  • Домашняя страница NOAA для криогенных гигрометров с охлаждаемым зеркалом