Ємнісний гігрометр

Основу приладу становить гігроскопічна полімерна плівка, з обох боків якої розташовані пористі металеві електроди, що утворюють конденсатор ємністю близько 500 пФ (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Ємнісний гігрометр: а – гігроскопічна полімерна плівка з металевими електродами; б – конструкція гігрометра

При поглинанні плівкою молекул води об’єм плівки збільшується, відстань між електродами також збільшується, що призводить до зміни ємності конденсатора ( . де діелектрична проникність середовища між обкладками конденсатора; – електрична стала ( Кл2/Н•м2); S – площа обкладки, м , d– відстань між обкладками, м).

Ємнісний гігрометр застосовується для вимірювання відносної вологості. Перевагою приладу є його компактність (розміри приладу становлять 6 мм2), слабка залежність результатів вимірювань від зовнішньої температури, лінійність шкали в області 0-80 % відносної вологості, швидкодія, малі значення гістерезису.

Недоліком приладу є вплив зовнішніх забруднень на результати вимірювань. Гігрометри цього типу використовують у засобах автоматизованого контролю вологості повітря.

Конденсаційний гігрометр

Один із методів оцінки абсолютної вологості заснований на вимірюванні точки роси. Якщо пласку гладеньку поверхню охолоджувати, можна спостерігати конденсацію вологи на ній. Температура поверхні в цей момент дуже близька до тієї, при якій повітря стає насиченою водяною парою, тобто до точки роси.

Залишається тільки точно виміряти цю температуру. На рис. 6.5 видно, що конденсаційний гігрометр складається з маленького дзеркала, на яке нанесено тонкий антикорозійний шар золота.

Дзеркало охолоджується напівпровідниковим елементом, що працює на основі ефекту Пельтьє, та опромінюється фотодіодом. Коли поверхня дзеркала вкривається росою, вона починає розсіювати оптичне випромінювання; вертикальна компонента розсіяного випромінювання реєструється фотодетектором, електричний сигнал з виходу якого підсилюється й подається на систему підігрівання дзеркала.

Рис. 6.5. Конденсаційний гігрометр

Нагріте дзеркало знову може бути охолоджено і процес вимірювань триває. Визначення температури дзеркала за допомогою термодетектора дає можливість оцінити абсолютну вологість повітря. Перевагою приладу є його висока чутливість, можливість вимірювання абсолютної вологості в широкому інтервалі температур (від –80 до +100 °С) з точністю близько 1 °С. Недоліком приладу є спотворення результатів вимірювання при низьких температурах, необхідність контролювання якості поверхні дзеркала, складність конструкції, висока ціна.

Сорбційний гігрометр

В основу приладу покладено вимірювання залежності електропровідності вологосорбуючої плівки від вологості середовища, яке аналізується. Для цього використовується сіль LiCl

Електролітичний гігрометр

Прилад цього типу містить трубку, покриту тонким шаром п’ятиокису фосфору (Р2О5), що заповнює простір між двома спіралеподібними паралельними провідниками (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема сенсора електролітичного гігрометра

Якщо газ проходить через трубку, волога в газі поглинається цим шаром. Електричний струм, який пропускають через провідники, розкладає воду на водень та кисень завдяки електролізу. Струм, необхідний для електролізу, пропорційний об’ємній концентрації води в газі.

Інфрачервоний газовий аналізатор

Для більш точного та чутливого вимірювання вологості повітря застосовують гігрометри поглинання випромінювання або газові аналізатори. Принцип дії газового аналізатора полягає в оцінюванні інтенсивності поглинання водяною парою інфрачервоного (1,0; 1,38; 1,87; 2,7; 6,3 мкм) випромінювання. Схему приладу наведено на рис. 6.7. Монохроматичний промінь світла, довжина хвилі якого збігається з максимумом поглинання води, пропускають через модулятор інтенсивності та дві кювети, одна з яких заповнена сухим повітрям, а друга – газом, що аналізується.

Рис. 6.7. Двопроменева схема газового аналізатора: 1,2 – джерела інфрачервоного випромінювання; 3 – модулятор; 4 – кювета з газом, що аналізується; 5 – опорна кювета; б – оптичні фільтри; 7 – фотодегектори; 8 – підсилювач; 9 – система реєстрації; 10 – вимірювач

Якщо ці потоки випромінювання дорівнюють один одному, то система перебуває у рівновазі. Із зміною концентрації газу в вимірювальній кюветі рівновага порушується, сигнал розбалансування посилюється та реєструється. Така двопроменева система здатна виключити зміни інтенсивності джерела випромінювання за рахунок старіння або коливань напруги живлення.

Відкрита система вимірювання вологості повітря

Для запобігання впливу забруднень кювет на результати вимірювань застосовують відкриті системи оцінювання вологості повітря (рис. 6.8).

Такі гігроскопічні системи містять джерело модульованого оптичного випромінювання, що дає можливість знехтувати впливом оточуючого освітлення.

Рис. 6.8. Схема гігрометра відкритого типу: 1 – джерело оптичного випромінювання; 2 – колесо з фільтрами; 3 – коліматор; 4,5 – поліетиленові вікна; 6 – інтерференційний фільтр; 7 – детектор

Гігрометр відкритого типу містить диск з інтерференційними фільтрами, пропускання яких відповідає довжинам хвиль 2,7 мкм (поглинання води) та 1,61 нм (де поглинання води відсутнє).

Дистанційне вимірювання вологості

Вологість можна оцінювати у глобальних масштабах за допомогою радіозондів та супутників.

В основі вимірювань є детектування концентрації водяної пари у тропосфері на висотах 4-10 км за допомогою радіозондів та у стратосфері на висотах 10-32 км через супутники. На цих дистанційних засобах розташовані сенсори, чутливі до інфрачервоного випромінювання, яке здатна поглинати водяна пара (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Вертикальний профіль абсолютиої вологості повітря, одержаний за допомогою радіозондів (4-10 км) та супутників (10-32 км)

Такі дистанційні системи застосовують для моніторингу кліматичних ситуацій та прогнозу погоди.

История гигрометра

Используется для измерения содержания влаги в воздухе и других газах

Гигрометр — это прибор, используемый для измерения содержания влаги, то есть влажности воздуха или любого другого газа. Гигрометр – это прибор, который имел множество воплощений. Леонардо да Винчи построил первый грубый гигрометр в 1400-х годах. Франческо Фолли изобрел более практичный гигрометр в 1664 году.
В 1783 году швейцарский физик и геолог Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый гигрометр, использующий человеческий волос для измерения влажности.

Они называются механическими гигрометрами, основанными на принципе, согласно которому органические вещества (человеческие волосы) сжимаются и расширяются в зависимости от относительной влажности. Сжатие и расширение перемещают игольчатый датчик.

Сухой и влажный психрометр

Самый известный тип гигрометра – это «психрометр с сухим и влажным термометром», который лучше всего описывается как два ртутных термометра, один со смоченным основанием, а другой с сухим основанием. Вода с влажного основания испаряется и поглощает тепло, в результате чего показания термометра падают. Используя расчетную таблицу, показания сухого термометра и падение показаний влажного термометра используются для определения относительной влажности. В то время как термин «психрометр» был придуман немцем Эрнстом Фердинандом Августом, физику XIX века сэру Джону Лесли (1776–1832) часто приписывают фактическое изобретение устройства.

Некоторые гигрометры используют измерения изменения электрического сопротивления, используя тонкий кусочек хлорида лития или другого полупроводникового материала и измеряя сопротивление, на которое влияет влажность.

Другие изобретатели гигрометров

Роберт Гук . Современник сэра Исаака Ньютона в 17 веке изобрел или усовершенствовал ряд метеорологических приборов, таких как барометр и анемометр . В его гигрометре, считавшемся первым механическим гигрометром, использовалась шелуха овсяных зерен, которую он замечал скручивающейся и раскручивающейся в зависимости от влажности воздуха. Другие изобретения Гука включают универсальный шарнир, ранний прототип респиратора, анкерный спуск и пружину баланса, которые сделали возможными более точные часы. Однако наиболее известно то, что он был первым, кто открыл клетки.

Джон Фредерик Дэниел: В 1820 году британский химик и метеоролог Джон Фредерик изобрел гигрометр точки росы , который получил широкое распространение для измерения температуры, при которой влажный воздух достигает точки насыщения. Дэниел наиболее известен тем, что изобрел элемент Даниэля, улучшенный по сравнению с гальваническим элементом, который использовался в ранней истории разработки батарей.