Гигрометр

Гигро́метр (от греч. ὑγρός «влажный» и греч. μετρέω «измеряю») — измерительный прибор, предназначенный для определения концентрации водяного пара в атмосферных газах и воздухе[1]. Современная гигрометрия представляет собой одну из наиболее сложных областей метрологии, требующую применения разнообразных физических принципов и высокоточных технологических решений.

Гигрометр СССР, 1987

Этимология и терминология

Термин «гигрометр» образован от древнегреческих слов ὑγρός (гигрос) — «влажный, жидкий» и μετρέω (метрео) — «измеряю»[2]. В научной литературе XVII века приборы для измерения влажности называли гигроскопами, однако это наименование вышло из употребления, хотя производные от него термины «гигроскопический» и «гигроскопия» сохранились в современном научном обиходе.

История развития

Древние методы

Первые попытки измерения влажности предпринимались в период династии Шан в Древнем Китае[2]. Древнекитайские учёные использовали естественные свойства органических материалов: угольные бруски и образцы земли взвешивались в сухом состоянии, а затем — после экспозиции во влажном воздухе. Более совершенная конструкция представляла собой балансир с угольным бруском на одном конце и куском земли на другом.

Эпоха научных открытий

Первый научный прототип гигрометра создал Леонардо да Винчи в 1480 году[2]. В XVII веке Франческо Фолли разработал более практичную версию устройства, а Роберт Гук усовершенствовал метеорологические приборы. Иоганн Генрих Ламберт в 1755 году создал модернизированную версию прибора.

Революционный шаг совершил швейцарский физик Орас Бенедикт де Соссюр, который в 1783 году изобрёл волосяной гигрометр[3]. Это изобретение заложило основы для создания механических измерительных систем, использующих деформационные свойства органических материалов.

Деформационные гигрометры

Волосяные гигрометры используют способность обезжиренного человеческого волоса изменять линейные размеры при колебаниях влажности. Рабочий диапазон таких приборов составляет от 30 до 100 % относительной влажности. Механизм передачи включает систему рычагов и стрелочный индикатор, позволяющий визуализировать изменения длины чувствительного элемента[4].

Плёночные конструкции функционируют по аналогичному принципу, используя органические мембраны, размеры которых варьируются в зависимости от влажности окружающей среды. При отрицательных температурах волосяные и плёночные системы становятся основными инструментами для определения влажности атмосферного воздуха.

Бытовая метеостанция производства СССР. Включает барометр, термометр и гигрометр (измеритель влажности)

Электрические методы

Электролитические гигрометры определяют влажность по изменению электрического сопротивления гигроскопических электролитов. В качестве чувствительного материала используется хлорид лития в комбинации со связующими веществами, нанесённый на диэлектрическую подложку. Основным недостатком таких систем является значительная температурная зависимость показаний.

Ёмкостные датчики измеряют изменения диэлектрической проницаемости полимерных или металлооксидных материалов под воздействием влаги. При надлежащей калибровке их точность в диапазоне 5‒95 % относительной влажности составляет ±2 %[5]. Эти системы демонстрируют высокую устойчивость к конденсации и кратковременным температурным воздействиям, однако подвержены загрязнению и эффектам старения.

Резистивные датчики характеризуются меньшей чувствительностью по сравнению с ёмкостными аналогами, что требует более сложных электронных схем. Современные устойчивые к конденсации резистивные системы обеспечивают точность до ±3 % относительной влажности.

Конденсационные системы

Конденсационные гигрометры определяют точку росы по температуре зеркальной поверхности в момент образования или исчезновения водяных капель. Современные конструкции используют полупроводниковые охлаждающие элементы на основе эффекта Пельтье, а температура контролируется встроенными термометрами сопротивления или полупроводниковыми терморезисторами.

Охлаждённые зеркальные системы обеспечивают точность ±0,2 °C, что соответствует погрешности по относительной влажности около ±1,2 %[6]. Эти приборы остаются эталонными для калибровки других типов гигрометров благодаря фундаментальному характеру измерений, основанному на базовых физических принципах конденсации.

Оптические методы

Оптические гигрометры основаны на измерении поглощения света водяным паром в соответствии с законом Бера‒Ламберта[7]. Лайман‒альфа системы используют характерное излучение водорода, криптоновые конструкции работают на длине волны 123,58 нм, а дифференциальные абсорбционные приборы применяют двухлазерную схему с различными длинами волн.

Спектроскопические зеркальные системы используют оптическое детектирование для определения природы конденсата, что позволяет избежать многих ограничений традиционных конструкций и обеспечивает бездрейфовую работу.

Психрометрические методы

Психрометрия основана на сравнении показаний сухого и влажного термометров. Принцип действия базируется на охлаждающем эффекте испарения воды с поверхности влажного датчика.

Наиболее точным психрометрическим прибором считается конструкция Адольфа Рихарда Ассмана (1845‒1918)[8]. В этой системе термометры размещаются в двойных металлических трубках для защиты от радиации, а постоянная скорость воздушного потока обеспечивается часовым механизмом.

Пращевые психрометры используют ручное вращение термометрической пары в воздушном потоке. Для работы при отрицательных температурах применяются нагретые психрометры, принцип которых основан на том, что содержание водяного пара не изменяется при подогреве воздуха[9].

Тепловые системы

Тепловые гигрометры регистрируют изменения теплопроводности воздуха, обусловленные присутствием водяного пара. Особенностью таких систем является измерение абсолютной, а не относительной влажности, что требует дополнительного температурного контроля для пересчёта в стандартные единицы[9].

Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические гигрометры используют изменение частоты механических колебаний кварцевого кристалла с нанесённой влагочувствительной плёнкой. При поглощении влаги масса плёнки увеличивается, что приводит к снижению резонансной частоты электромеханической системы, поддерживаемой электронным автогенератором[9].

Датчик гигрометра Данмора, 1938 год

Калибровка и стандартизация

Точная калибровка термометрических элементов имеет критическое значение для психрометрических измерений. Исследования показали, что даже при соблюдении строгих мер предосторожности жидкостные термометры влажного шарика могут давать показания на 2‒5 процентных пунктов выше теоретических значений[10].

Для калибровки гигрометрических систем широко используются насыщенные солевые растворы, которые поддерживают постоянную влажность в закрытых контейнерах. Хлорид натрия обеспечивает примерно 75 % относительной влажности, хлорид лития — около 11 %, хлорид магния — 33 %, карбонат калия — 43 %, сульфат калия — 97 %.

Национальные метрологические стандарты, основанные на гравиметрических принципах, разработаны в США, Великобритании, Европейском союзе и Японии. Эти эталоны используются преимущественно для калибровки передаточных стандартов из‒за сложности практического применения абсолютных методов.

Особенности эксплуатации

При работе в холодных и влажных условиях на поверхности датчиков может происходить сублимация льда[11]. Этот процесс приводит к искажению показаний, поскольку прибор регистрирует насыщенность по отношению к льду при данной температуре, то есть точку инея. Для решения этой проблемы применяются нагреваемые датчики влажности или специальные алгоритмы корректировки.

Литература

  1. Draper J. W. A Textbook on Chemistry. — New York: Harper & Bros, 1861.
  2. World Meteorological Organization. WMO Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. — 7th ed. — Geneva: WMO, 2008.
  3. Middleton W. E. K. Smithsonian Catalog of Meteorological Instruments in the Museum of History and Technology.

Примечания

  1. ↑ Hamblyn, Richard. The Invention of Clouds: How an Amateur Meteorologist Forged the Language of the Skies. — Pan Macmillan, 2010. — С. 16–17.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Selin, Helaine. Encyclopaedia of the History of Science, Technology, and Medicine in Non-Western Cultures. — 2nd ed. — Springer, 2008. — С. 736.
  3. ↑ Gorse, C.; Johnston, D.; Pritchard, M. A Dictionary of Construction, Surveying, and Civil Engineering. — OUP Oxford, 2012. — С. 960.
  4. ↑ Wexler, Arnold; Hyland, Richard W. The NBS standard hygrometer. — National Bureau of Standards, 1964.
  5. ↑ D.K. Roveti. Choosing a Humidity Sensor: A Review of Three Technologies, Sensors Magazine (2001).
  6. ↑ ГОСТ 8.558-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Влажность воздуха. Методика выполнения измерений.
  7. ↑ Spectral hygrometer — AMS Glossary.
  8. ↑ W. E. Knowles Middleton, Johns Hopkins. A History of the Thermometer. — Press, 1966.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 World Meteorological Organization (WMO) (2021). WMO Guide to Instruments and Methods of Observation. WMO-No. 8. (Eighth edition, 2021), Volume 1 — Measurement of meteorological variables, Chapter 4: Measurement of humidity, Section 4.3: The psychrometer (see p. 167 of the PDF). Geneva: World Meteorological Organization. p. 1389. Retrieved 21 October 2023. The first edition of this guide was published in 1950
  10. ↑ J. Warne. The Practical Impacts of RTD and Thermometer Design on Wet and Dry Bulb Relative Humidity Measurements. — Melbourne: Bureau of Meteorology, 1998.
  11. ↑ Makkonen, Lasse; Laakso, Timo. Humidity Measurements in Cold and Humid Environments // Boundary-Layer Meteorology : журнал. — 2005. — Январь (№ 116). — С. 131–147. — doi:10.1007/s10546-004-7955-y. — Bibcode: 2005BoLMe.116..131M.

Ссылки

Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Гигрометр&oldid=1947000