Higrometr - historia pomiaru wilgotności względnej powietrza

Przyrządy do pomiaru wilgotności powietrza noszą nazwę higrometrów (z greckiego hygros - wilgotny, mokry). Wyjątkiem jest psychrometr (psychros - zimny, chłodny) czyli przyrząd oparty na termometrze suchym i wilgotnym.

Zmieniającą się zawartość pary wodnej w powietrzu próbowano określać na przełomie XV i XVI wieku. W 1500 roku Leonardo da Vinci zbudował pierwszy higrometr. Była to kula bawełniana lub wełniana, która zmieniała swoją masę absorbując wilgoć z atmosfery. Kule tę powieszono na wadze, której wychylenia wskazywały wilgotność otoczenia. Były to pomiary mało dokładne, ale przyczyniły się do rozwoju dalszych badań z tej dziedziny.

Zaczęto poszukiwać innych materiałów higroskopijnych, zmieniających swoje właściwości pod wpływem wilgotnego powietrza. Wkrótce odnaleziono wiele takich materiałów pochodzenia organicznego (tkanki zwierząt, roślin, włosy ludzkie) i nieorganicznego (minerały i substancje chemiczne). Większość z nich reagowała na zmiany wilgotności w sposób mało powtarzalny, z wyraźną tendencją do zaniku właściwości higroskopijnych w miarę starzenia związanego z naturalnym wysychaniem. Zbudowane na ich bazie higrometry były zawodne. Warto jednak przypomnieć kilka ciekawszych pomysłów i konstrukcji, świadczących o dużej inwencji twórczej dawnych uczonych zajmujących się tym problemem.

Konstrukcja higrometrów wykorzystujących nieorganiczne substancje higroskopijne była podobna do przyrządu skonstruowanego przez Leonardo da Vinci. Na odpowiednio czułej i wyskalowanej wadze znajdował się materiał higroskopijny. Często wykorzystywano naturalną gąbkę nasączoną wodnym roztworem salmiaku. Do innych odkrytych i używanych w higrometrach związków o właściwościach higroskopijnych należały: sól kuchenna z domieszką tlenku glinu, siarczan potasowy, węgla potasu, smalta (niebieski pigment kobaltowy), hydrofan (opal wodnisty), kwas siarkowy (Górski, Matejak 1998).

Wykorzystanie tej ostatniej substancji zaproponował De la Rive (Traugott 1829). Małą banieczkę termometru z cieczą termometryczną na chwilę zanurzano w stężonym kwasie siarkowym, przez co tworzyła się na niej cienka warstewka kwasu. Warstewka ta wychwytywała zawartą w powietrzu wilgoć, co powodowało jej rozgrzewanie i wzrost temperatury wskazywanej przez termometr. Większej wilgotności powietrza odpowiadał większy przyrost temperatury. Zasada pomiaru była bardzo prosta jednak nie gwarantowała powtarzalności wyników z uwagi choćby na nieznajomość stężenia kwasu.

Konstrukcje higrometrów wykorzystujących organiczne substancje higroskopijne były jeszcze bogatsze. Dalans (1688) zbudował prosty higrometr wykorzystujący higroskopijne właściwości papieru. Rozpiął w tym celu poziomo usytuowany pasek, w środku obciążając go lekkim obciążnikiem z wskazówką. Wydłużający się, wraz ze wzrastającą wilgotnością papier powodował obniżanie się obciążnika, a kurczący się w wyniku jej obniżenia podnosił go do góry. Odpowiednio dobrana skala umożliwiała ilościową ocenę tego zjawiska. Na podobnej zasadzie działały higrometry wykorzystujące sznury lniane, deseczki jodłowe i mahoniowe, trawę morską, konopie indyjskie, ości z kłosów owsa oraz końce pelargonii i geranium (Górski, Matejak 1998).

Nieco odmiennym rozwiązaniem okazało się zastosowanie jelit owcy przez Molineuxa (1686). Zbudowany przez tego badacza higrometr zawierał odpowiednio przygotowaną strunę z jelit o długości 152 mm, która pod wpływem wilgoci ulegała silnemu skręcaniu. Zamocowana w stojaku struna skręcając się wokół własnej osi w jedną lub drugą stronę pod wpływem zmieniającej się wilgotności otaczającego powietrza, powodowała jednoczesny obrót kulki z podziałką, a nieruchoma wskazówka ułatwiała odczyt. Mimo dużej niedokładności tych przyrządów zyskały dużą popularność. Jedna z jego odmian tzw. higrometr holenderski posiadał tekturową tarczę z dwiema lalkami: kobieta z wachlarzem i mężczyzna z parasolem. Całość była obudowana kolorowym tekturowym domkiem. Lalki były tak rozmieszczone, że przy dużej wilgotności powietrza przed domostwem ukazywał się mężczyzna z parasolem co miało zwiastować złą pogodę, a przy małej pojawiała się kobieta wróżąc słoneczne dni.

Rys. 1. Higrometr włosowy: 1 - napięte włosy, 2 - układ dźwigniowy, 3 - wskazówka, 4 - skala wilgotności.

Poszukiwania nowych i coraz lepszych materiałów higroskopijnych doprowadzały do bardzo oryginalnych rozwiązań chociażby zastosowania piór gęsich, żabiej skóry czy pęcherza moczowego szczura aż wreszcie włosów ludzkich. W końcu XVIII wieku De Sassure zbudował pierwszy udoskonalony higrometr włosowy. Pomysł zastosowania włosa ludzkiego okazał się na tyle dobry, że nadal znajduje zastosowanie we współczesnych higrometrach. Schemat takiego higrometru przedstawiony jest na rys.1. Przyrząd ten może być także przystosowany do rejestracji mierzonej wilgotności.

Nie wszyscy badacze i wynalazcy wiązali swe nadzieje z wykryciem idealnej substancji higroskopijnej co dało początek innej grupie przyrządów zwanych higrometrami kondensacyjnymi i psychrometrami.

Już w 1731 r. Fontana próbował wnioskować o zawartości pary wodnej w powietrzu na podstawie szybkości skraplania się jej na schłodzonym szkle. Badacz ten określał wilgotność na podstawie zmian masy płytek szklanych. Inne kryterium związane ze skraplaniem się pary wodnej, przyjął w 1751 Le Roy. Naczynie szklane z wodą o temperaturze pokojowej i zanurzonym w niej termometrem schładzał dolewając wody zimnej tak długo aż na zewnętrznej powierzchni naczynia pojawiała się wilgoć ze skroplonej pary wodnej zawartej w powietrzu. Notował wtedy temperaturę wody w naczyniu i na tej  podstawie wnioskował o ilości pary wodnej w powietrzu (Górski, Matejak 1998).

Daniel (1823) kontynuując ten kierunek badań skonstruował higrometr kondensacyjny.  Miarą wilgotności była tu różnica temperatury otoczenia i temperatura punktu rosy.   Przyrząd ten w kolejnych latach był udoskonalany i modernizowany przez jego wynalazcę a potem Dobereireria oraz Jonesa (1827). Schemat takiego urządzenia przedstawiony jest na rys.2. Jest to szczelne naczynie szklane składające się z dwóch kul (2 i 3) połączonych rurką (1). W kuli (3) pokrytej warstewką metalu np. złota (5) umieszczony jest termometr (4), którego banieczka zanurzona jest w płynnym eterze. Druga kula owinięta jest tkaniną którą zwilża się eterem lub posypuje suchym lodem (CO2), wówczas następuje szybkie oziębianie pary eteru zawartej w kuli 2 aż do jej kondensacji. Wtedy w kuli 3 zaczyna się intensywne parowanie eteru płynnego powodujące obniżanie jego temperatury. W momencie wykraplania się wilgoci zawartej w powietrzu z schłodzonej powierzchni paska metalu (5) odczytuje się temperaturę wskazywaną przez termometr 4. Jest to temperatura punktu rosy. Znając temperaturę powietrza odczytaną z termometru 6 zamocowanego w stojaku higrometru Daniella możemy posługując się wykresem h-x odczytać wilgotność względna powietrza.

Rys. 2. Higrometr kondensacyjny Daniella: 1 - rurka szklana, 2 - kula owinięta tkaniną, 3 - kula z płynnym eterem, 4 - termometr wskazujący temperaturę rosy, 5 - metalowa blaszka, 6 - termometr wskazujący temperaturę powietrza.

W 1828 roku August skonstruował przyrząd określający wilgotność powietrza na podstawie wskazań dwóch termometrów, który nazwał psychrometrem. Schemat psychrometru Augusta przedstawiony jest na rys. 3. Dwa identyczne termometry są  zawieszone obok siebie. Jeden miał banieczkę owiniętą mokrym muślinem stale zwilżanym z naczynia szklanego zawierającego destylowaną wodę. Naturalny ruch powietrza powodował odparowywanie wody z muślinu i oziębianie banieczki tzw. termometru mokrego. Różnica wskazań obu termometrów była miarą wilgotności powietrza. Zastosowana tu zasada okazała się tak dobra, że stosuje się ją nadal w nowoczesnych psychrometrach. Wilgotność względną powietrza oblicza się z następującego wzoru:

Rys. 3. Psychrometr Augusta: 1 - termometr suchy, 2 - termometr mokry, 3 - tkanina zwilżająca, 4 - naczynie z wodą destylowaną.

RH = (psm - A * po * (ts - tm)) / pss * 100% gdzie:

psm - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturae termometru mokrego [Pa],
pss - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru suchego [Pa],
po - ciśnienie barometryczne [Pa],
ts - temperatura termometru suchego [°C],
tm - temperatura termometru mokrego [°C],
A - stała psychrometryczna zależna od prędkości przepływu powietrza [1/°C]:
         A = (65 + 6,75 / V) * 10^-5,
V - prędkość przepływu powietrza [m/s].

Aby uniknąć dodatkowego oznaczania prędkości przepływu powietrza dla obliczenia stałej psychometrycznej powstał psychrometr Assmanna (rys. 4). Dzięki zastosowaniu wentylatora promieniowego (5) mierzy się temperaturę powietrza przy stałej prędkości przepływu powietrza równej 2,5m/s. Stała prędkość przepływu powietrza zapewnia dużą dokładność pomiaru. Aby wykonać taki pomiar, należy zwilżyć tkaninę wodą destylowaną za pomocą pipetki, włączyć wentylator oraz odczytać wskazania termometrów po ustaleniu się temperatury. Wilgotność względną powietrza odczytuje się z wykresu lub z tablic psychrometrycznych.

Rys. 4. Psychrometr Assmanna: 1 - termometr suchy, 2 - termometr wilgotny, 3 - tkanina zwilżająca, 4 - kanał przepływu powietrza, 5 - wentylator promieniowy, 6 - urządzenie napędowe wentylatora (sprężyna lub silniczek elektryczny).

Mimo istnienia przyrządów samo pojęcie wilgotności względnej pojawiło się dopiero w 1800r. w czwartym tomie dzieła Gilberta "Annalen" (cyt. za Kostyrko, Okołowicz-Grabowska 1977), w którym stwierdzono: �jeśli mówimy o suchości powietrza nie możemy definiować tego stanu posługując się pojęciem absolutnej zawartości wilgoci lecz musimy wprowadzić tu pojęcie względnej ilości pary wodnej lub stopnia nasycenia powietrza�.

Pomimo omówionych osiągnięć higrometrii, wilgotność powietrza jako nowy parametr weszła do klimatyzacji dopiero pod koniec XIX wieku i związana była z wprowadzeniem procesu nawilżania powietrza.

Wspólcześnie stosowane przyrządy oraz ich dane techniczne przedstawiono w Internecie na stronie: http://www.label.com.pl. Przykładowe rozwiązania systemów do pomiaru mikroklimatu przedstawiono w zamieszczonym tam opisie, a wybór właściwego rozwiazania ułatwia tebelaryczne zestawienie.

Literatura

1. Dalance S., 1688: Traite des barometres thermometres et hygrometres. Amsterdam.
2. Daniell F.R.S. , 1823: Meteorogical essays and obserwations. London.
3. Górski J., Matejak M., 1998: Zarys historii pomiaru wilgotności powietrza. Muzealnictwo nr 40 str.: 145-150.
4. Jones 1827: Philosophical transactions. London.
5. Kostyrko K., Okołowicz-Grabowska B., 1977: Pomiary i regulacja wilgotności w pomieszczeniach. Wyd. 2 poprawione i uzupełnione. Arkady. Warszawa.
6. Molineux 1686: Acta Eruditionum. Lipsk.
7. Traugott S.J. 1829: Physikalisches Worterbuch. Leipzig.