جهاز قياس الرطوبة

تم تصميم وتطوير مقاييس الرطوبة النموذجية خلالعهد أسرة شانغ في الصين القديمة لدراسة الطقس. [3]ستخدم الصينيون قطعة من الفحم وكتلة من الأرض: تم أخذ وزنها الجاف، ثم مقارنتها بوزنها الرطب بعد تعرضها في الهواء. تم استخدام الفروق في الوزن لحساب مستوى الرطوبة.

تم تطبيق تقنيات أخرى باستخدام الكتلة لقياس الرطوبة، مثل عندما يكون الهواء جافًا، يكون شريط الفحم خفيفًا، بينما عندما يكون الهواء رطبًا، يكون شريط الفحم ثقيلًا. من خلال تعليق كتلة من الأرض وقضيب من الفحم على طرفي العصا بشكل منفصل وإضافة حبل رفع ثابت في النقطة الوسطى لجعل العصا أفقية في الهواء الجاف، تم صنع مقياس رطوبة قديم.[4]

يعد مقياس الرطوبة ذو الملف المعدني الورقي مفيدًا لإعطاء مؤشر قرص لتغيرات الرطوبة. غالبًا ما يظهر في أجهزة رخيصة الثمن، ودقته محدودة، مع تباينات تصل إلى 10٪ أو أكثر. في هذه الأجهزة، يُمتص بخار الماء بواسطة شريط ورقي مشبع بالملح متصل بملف معدني، مما يتسبب في تغيير شكل الملف. تسبب هذه التغييرات (المشابهة لتلك الموجودة في ميزان الحرارة ثنائي المعدن) إشارة على القرص. عادة ما تكون هناك إبرة معدنية في مقدمة المقياس والتي ستتغير من حيث تشير إليها.

تستخدم هذه الأجهزة شعر بشري أو حيوان تحت بعض التوتر. الشعراسترطابي (يميل نحو الاحتفاظ بالرطوبة) ؛ يتغير طوله مع الرطوبة، ويمكن تكبير تغيير الطول بآلية ويشار إليه على قرص أو مقياس . في أواخر القرن السابع عشر، أطلق بعض العلماء على هذه الأجهزة اسم hygroscopes ؛ هذه الكلمة لم تعد في الاستخدام الحالي، ولكن استرطابي واسترطاب ، التي تستمد من ذلك، لا يزال هناك. يعمل جهاز الفن الشعبي التقليدي المعروف باسم بيت الطقس على هذا المبدأ. يمكن استخدام عظام الحوت وغيرها من المواد بدلاً من الشعر.

في عام 1783 ، صنع الفيزيائي والجيولوجي السويسريهوراس بنديكت دي سوسور أول مقياس رطوبة لشد الشعر باستخدام شعر الإنسان.

يتكون من شعر بشري يبلغ طوله ثماني إلى عشر بوصات، قبل الميلاد، الشكل 37 ، ومثبت عند أحد الأطراف ببراغي، أ، وفي الطرف الآخر يمر فوق بكرة، ج، مشدود بخيط حريري والوزن، د.ويليام دريبر، كتاب مدرسي عن الكيمياء

البكرة متصلة بمؤشر يتحرك على مقياس متدرج (هـ).يمكن جعل الأداة أكثر حساسية عن طريق إزالة [5]الزيوت من الشعر، مثل نقع الشعر أولاً في ثنائي إيثيل إيثر .

يظهر الجزء الداخلي من شاشة Stevensonمقياس رطوبة آلي

يتكون مقياس الضغط النفسي، أو مقياس الحرارة الرطب والجاف، من ميزانين حرارة معاير، أحدهما جاف والآخر رطب بالماء المقطر على جورب أو فتيل.[6]عند درجات حرارة أعلى من نقطة تجمد الماء، يؤدي تبخر الماء من الفتيل إلى خفض درجة الحرارة، بحيث يكون مقياس الحرارة ذو البصيلة الرطبة عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة ترمومتر البصيلة الجافة. عندما تكون درجة حرارة الهواء أقل من درجة التجمد، يجب تغطية البصلة الرطبة بطبقة رقيقة من الجليد، حتى تكون دقيقة. نتيجة لحرارة التسامي، ستكون درجة حرارة المصباح الرطب في النهاية أقل من البصيلة الجافة، على الرغم من أن هذا قد يستغرق عدة دقائق من الاستخدام المستمر للمقياس الرطب.

من المحتمل أن يكون مقياس الضغط النفسي صنع في سويسرا حوالي عام 1850 بواسطة Kappeller ( MHS Geneva )

يتم حساب الرطوبة النسبية (RH) من درجة الحرارة المحيطة، كما هو موضح بواسطة مقياس الحرارة ذو البصيلة الجافة والاختلاف في درجات الحرارة كما هو موضح بواسطة موازين الحرارة ذات البصيلة الرطبة والبصيلة الجافة. يمكن أيضًا تحديد الرطوبة النسبية من خلال تحديد موقع تقاطع درجات الحرارة الرطبة والجافة على مخطط القياس النفسي .تتزامن موازين الحرارة الجافة والرطبة عندما يكون الهواء مشبعًا بالكامل، وكلما زاد الاختلاف زاد جفاف الهواء. تُستخدم أجهزة القياس النفسي بشكل شائع فيعلم الأرصاد الجوية، وفي صناعة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) لشحن غاز التبريد المناسب لأنظمة تكييف الهواء السكنية والتجارية.

مقياس رطوبة حبال للاستخدام في الهواء الطلق

يتم تدوير مقياس رطوبة الحبال، الذي يستخدم موازين حرارة متصلة بمقبض، يدويًا في تدفق هواء حر حتى تستقر كلتا درجتي الحرارة.يستخدم هذا أحيانًا للقياسات الميدانية، ولكن يتم استبداله بأجهزة استشعار إلكترونية أكثر ملاءمة.يستخدم مقياس رطوبة الدوران نفس المبدأ، ولكن يتم تركيب مقياسين للحرارة في جهاز يشبه السقاطة أو خشخشة كرة القدم.

نقطة الندى هي درجة الحرارة التي تكون عندها عينة من الهواء الرطب (أو أي بخار ماء آخر) عند ضغط ثابت يصل إلى تشبع بخار الماء. عند درجة حرارة التشبع هذه، يؤدي المزيد من التبريد إلى تكثيف الماء. تعد أجهزة قياس الرطوبة ذات درجة التكثف ذات المرايا المبردة من أكثر الأدوات المتوفرة بشكل شائع دقة. يستخدمون مرآة مبردة وآلية إلكترونية ضوئية للكشف عن التكثيف على سطح المرآة. يتم التحكم في درجة حرارة المرآة عن طريق التغذية المرتدة الإلكترونية للحفاظ على توازن ديناميكي بين التبخر والتكثيف، وبالتالي قياس درجة حرارة نقطة الندى عن كثب. يمكن تحقيق دقة تبلغ 0.2 درجة مئوية باستخدام هذه الأجهزة، والتي ترتبط في بيئات المكاتب النموذجية بدقة رطوبة نسبية تبلغ حوالي ± 1.2٪. تحتاج هذه الأجهزة إلى التنظيف المتكرر والمشغل الماهر والمعايرة الدورية للوصول إلى هذه المستويات من الدقة. وحتى مع ذلك،

في الآونة الأخيرة، تم إدخال المرايا المبردة الطيفية.باستخدام هذه الطريقة، يتم تحديد نقطة الندى من خلال الكشف عن الضوء الطيفي الذي يتأكد من طبيعة التكثيف. تتجنب هذه الطريقة العديد من عيوب المرايا المبردة السابقة وهي قادرة على العمل بدون انجراف.

بالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها التكلفة أو المساحة أو الهشاشة ذات صلة، يتم استخدام أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار الإلكترونية، بسعر أقل دقة. في مقياس درجة الرطوبة بالسعة، وتأثير الرطوبة على ثابت العزل الكهربائي من البوليمر يقاس أو أكسيد المواد المعدنية. مع المعايرة، تتمتع هذه المستشعرات بدقة ± 2٪ رطوبة نسبية في النطاق من 5 إلى 95٪ رطوبة نسبية. بدون معايرة، تكون الدقة أسوأ بمرتين إلى ثلاث مرات. أجهزة الاستشعار السعوية قوية ضد التأثيرات مثل التكثيف ودرجات الحرارة المرتفعة المؤقتة.[7]أجهزة الاستشعار السعوية عرضة للتلوث، وتأثيرات الانجراف والشيخوخة، ولكنها مناسبة للعديد من التطبيقات.

في مقاييس الرطوبة المقاومة، يتم قياس التغير فيالمقاومة الكهربائية للمادة بسبب الرطوبة.[7]  المواد النموذجية هي أملاح والبوليمرات الموصلة .المستشعرات المقاومة أقل حساسية من المستشعرات السعوية - التغيير في خصائص المواد أقل، لذا فهي تتطلب دوائر أكثر تعقيدًا. تميل خصائص المواد أيضًا إلى الاعتماد على كل من الرطوبة ودرجة الحرارة، مما يعني عمليًا أنه يجب دمج المستشعر مع مستشعر درجة الحرارة. تختلف الدقة والمتانة ضد التكثيف اعتمادًا على المادة المقاومة المختارة. توجد مستشعرات قوية ومقاومة للتكثيف بدقة تصل إلى ± 3٪ رطوبة نسبية (رطوبة نسبية ).

في أجهزة قياس الرطوبة الحرارية، يتم قياس التغير في التوصيل الحراري للهواء بسبب الرطوبة. تقيس هذه المستشعرات الرطوبة المطلقة بدلاً من الرطوبة النسبية.[7]

يقيس مقياس الرطوبة بالقياس الوزني كتلة عينة الهواء مقارنة بحجم متساوٍ من الهواء الجاف. تعتبر هذه الطريقة الأولية الأكثر دقة لتحديد محتوى الرطوبة في الهواء. [8] تم تطوير المعايير الوطنية بناءً على هذا النوع من القياس في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي واليابان. يعني الإزعاج الناتج عن استخدام هذا الجهاز أنه عادةً ما يستخدم فقط لمعايرة الأجهزة الأقل دقة، والتي تسمى معايير التحويل.

يقيس مقياس الرطوبة البصري امتصاص الضوء بواسطة الماء في الهواء.  يتم ترتيب باعث الضوء وكاشف الضوء مع حجم هواء بينهما. يشير توهين الضوء، كما يراه الكاشف، إلى الرطوبة، وفقًا لقانون بير-لامبرت . تشمل الأنواع مقياس رطوبة Lyman-alpha (باستخدام ضوء Lyman-alpha المنبعث من الهيدروجين) ، ومقياس الرطوبة الكريبتون (باستخدام 123.58 نانومتر من الضوء المنبعث من الكريبتون ) ،ومقياس الامتصاص التفاضلي (باستخدام الضوء المنبعث من ليزرين يعملان بأطوال موجية مختلفة، أحدهما ممتص بالرطوبة والآخر لا).

تعد المعايرة الدقيقة لمقاييس الحرارة المستخدمة أمرًا أساسيًا لتحديد الرطوبة بدقة بواسطة طريقة الجفاف الرطب. يجب حماية موازين الحرارة من الحرارة المشعة ويجب أن يكون لها تدفق هواء مرتفع بدرجة كافية فوق المصباح المبلل للحصول على أكثر النتائج دقة. اخترعأدولف ريتشارد أسمان (1845-1918) أحد أكثر أنواع أجهزة قياس الضغط الرطب والجاف دقةً في أواخر القرن التاسع عشر .[10]في مراجع اللغة الإنجليزية، عادة ما يتم تهجئة الجهاز "Assmann Psychrometer". في هذا الجهاز، يتم تعليق كل مقياس حرارة داخل أنبوب عمودي من المعدن المصقول، ويتم تعليق هذا الأنبوب بدوره داخل أنبوب معدني ثان بقطر أكبر قليلاً ؛ تعمل هذه الأنابيب المزدوجة على عزل موازين الحرارة عن التسخين المشع. يتم سحب الهواء عبر الأنابيب بواسطة مروحة يتم تشغيلها بواسطة آلية آلية لضمان سرعة ثابتة (تستخدم بعض الإصدارات الحديثة مروحة كهربائية مع تحكم إلكتروني في السرعة). وفقًا لميدلتون، 1966 ، "النقطة الأساسية هي أن الهواء يسحب بين الأنابيب متحدة المركز، [11]وكذلك من خلال الأنبوب الداخلي."

من الصعب للغاية، لا سيما في الرطوبة النسبية المنخفضة، الحصول على أقصى انخفاض نظري لدرجة حرارة المصباح الرطب ؛ وجدت دراسة أسترالية في أواخر التسعينيات أن موازين الحرارة ذات اللمبة المبللة السائلة في الزجاج كانت أكثر دفئًا مما تنبأت به النظرية حتى عند اتخاذ احتياطات كبيرة ؛ يمكن أن تؤدي إلى قراءات قيمة الرطوبة النسبية التي تكون 2 إلى 5 في المائة عالية جدًا.

أحد الحلول المستخدمة أحيانًا لقياس الرطوبة بدقة عندما تكون درجة حرارة الهواء أقل من درجة التجمد هو استخدام سخان كهربائي يتم التحكم فيه حراريًا لرفع درجة حرارة الهواء الخارجي إلى ما فوق درجة التجمد. في هذا الترتيب، تقوم مروحة بسحب الهواء الخارجي عبر (1) مقياس حرارة لقياس درجة حرارة اللمبة الجافة المحيطة، (2) عنصر التسخين ، (3) مقياس حرارة ثانٍ لقياس درجة حرارة المصباح الجاف للهواء الساخن ، ثم أخيرًا (4) مقياس حرارة بصيلة مبللة. بحسب المنظمة العالمية للأرصاد الجوية دليل ، "مبدأ مقياس رطوبة الهواء الساخن هو أن محتوى بخار الماء لكتلة هوائية لا يتغير إذا تم تسخينها. يمكن استغلال هذه الخاصية لصالح مقياس رطوبة الجو من خلال تجنب الحاجة إلى الحفاظ على مصباح جليدي تحت ظروف التجميد .[12]".

نظرًا لأن رطوبة الهواء المحيط يتم حسابها بشكل غير مباشر من ثلاثة قياسات لدرجة الحرارة ، فإن المعايرة الدقيقة لميزان الحرارة في مثل هذا الجهاز أكثر أهمية من التكوين ثنائي المصباح.

قام العديد من الباحثين بالتحقيق في استخدام المحاليل الملحية المشبعة لمعايرة مقياس الرطوبة.تتميز الخلائط الطرية لبعض الأملاح النقية والماء المقطر بخاصية الحفاظ على رطوبة ثابتة تقريبًا في حاوية مغلقة. حمام ملح الطعام المشبع (كلوريد الصوديوم) سيعطي في النهاية قراءة تقارب 75٪. أملاح أخرى لها مستويات رطوبة توازن أخرى: كلوريد الليثيوم ~ 11٪ ؛ كلوريد المغنيسيوم ~ 33٪ ؛ كربونات البوتاسيوم ~ 43٪ ؛ كبريتات البوتاسيوم ~ 97٪. سوف تختلف حلول الملح إلى حد ما في الرطوبة مع درجة الحرارة ويمكن أن تستغرق أوقاتًا طويلة نسبيًا للوصول إلى التوازن ، لكن سهولة استخدامها تعوض إلى حد ما عن هذه العيوب في التطبيقات منخفضة الدقة ، مثل فحص أجهزة قياس الرطوبة الميكانيكية والإلكترونية.