Higrometr: Zasada Działania i Rodzaje
- Szczegóły
Na mikroklimat panujący w domu składa się nie tylko rodzinne ciepło i przyjazna aranżacja, ale także - w dosłowny sposób - warunki atmosferyczne, na przykład temperatura lub wilgotność względna powietrza. Choć na co dzień większość z nas nie zwraca na nie uwagi, w dużej mierze od nich zależy nasze samopoczucie. Często jakiś czynnik z otoczenia wpływa na nasze zdrowie, więc warto wiedzieć, co to jest.
Co to jest Higrometr?
Higrometr - co to jest? To niewielkie urządzenie, które może poszczycić się długą historią. Prototyp przyrządu do pomiaru wilgotności powietrza stworzył sam Leonardo da Vinci w 1500 roku. Z czasem odkryto również inne materiały, które w podobny sposób pokazywały wilgotność powietrza. Popularnością najdłużej cieszyły się higrometry włosowe, które jeszcze niedawno można było spotkać w postaci wiejskich „pogodynek”, czyli figurek zawieszonych na włosiu końskim.
Co to higrometr dzisiaj? Obecnie na rynku rzadko można spotkać urządzenia, których jedyną funkcją jest pomiar poziomu wilgotności powietrza. W niewielkiej obudowie zazwyczaj mieszczą się co najmniej dwa przyrządy - higrometr i termometr wewnętrzny. Różnego rodzaju produkty omówimy bardziej szczegółowo w dalszej części tego artykułu.
Zawartość pary wodnej w powietrzu to czynnik, który wpływa na warunki panujące w pomieszczeniu, a także na samopoczucie przebywających w nim osób. Dlatego zarówno w domowych warunkach, jak i w przemyśle lub ogrodnictwie tak ważnym elementem wyposażenia jest higrometr.
Aby dobrze zrozumieć, na czym polega zastosowanie i funkcjonalność higrometru, niezbędna jest garść podstawowych informacji z pogranicza fizyki, biologii i meteorologii. Pierwszym z najistotniejszych pojęć jest wilgotność powietrza, która oznacza zawartość pary wodnej. W umiarkowanym klimacie naszego kraju ten parametr jest niestabilny - zależy bowiem od wahań pogody, a przede wszystkim od pory roku.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Choć nie masz wpływu na czynniki zewnętrzne, możesz kontrolować warunki panujące w Twoim domu. Dzięki higrometrowi odczytasz precyzyjny pomiar wilgotności powietrza w każdym z pomieszczeń i zareagujesz, jeżeli zajdzie taka potrzeba. Pamiętaj, że zbyt suche powietrze powoduje podrażnienie błon śluzowych układu oddechowego - zwłaszcza ust i nosa, co w długofalowej perspektywie może prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych, na przykład z zatokami.
Troska o utrzymanie prawidłowej zawartości pary wodnej w powietrzu jest całkowicie uzasadniona, biorąc pod uwagę zdrowie domowników. Jakie są inne argumenty przemawiające za zastosowaniem higrometru?
Zbyt wysoka wilgotność powietrza w domowych pomieszczeniach zazwyczaj prowadzi do rozwoju grzybów i pleśni. Są one nie tylko szkodliwe dla zdrowia (szczególnie dla dzieci, osób starszych, alergików i astmatyków), ale także zaburzają estetykę pomieszczenia i bywają niezwykle trudne do usunięcia - dlatego lepiej zadbać o profilaktykę.
Jeżeli w Twoim domu znajdują się materiały budowlane o niskiej odporności na wilgoć - zwłaszcza drewno - utrzymywanie stałej i optymalnej wilgotności powietrza wpłynie na ich wieloletnią funkcjonalność. Pamiętaj, że meble i panele z naturalnego surowca „pracują”. Drewniane włókna kurczą się lub rozpulchniają pod wpływem temperatury oraz wilgoci. Jeżeli zimą zauważysz szpary pomiędzy poszczególnymi elementami, oznacza to zbyt suche powietrze! W takiej sytuacji przydatny jest miernik wilgotności drewna.
Rodzaje Higrometrów
Istnieją różne rodzaje narzędzi służących do pomiaru wilgotności powietrza.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
- Higrometry włosowe wykorzystują naturalne właściwości włosa zwierzęcego (aktualnie zastępowanego nicią syntetyczną), który zmienia długość w zależności od wilgotności.
- Higrometry kondensacyjne mierzą punkt rosy poprzez schładzanie próbki powietrza do momentu, aż na powierzchni pojawi się kondensat.
- Higrometry elektrolityczne bazują na zmianach przewodności elektrycznej w materiałach wrażliwych na wilgoć.
- Psychrometry składają się z dwóch termometrów (suchego i mokrego). Służą do obliczania wilgotności względnej na podstawie różnicy temperatur.
Od wynalezienia higrometru minęło już kilkaset lat - przez ten czas naukowcy proponowali coraz to lepsze rozwiązania, dzięki którym dziś możemy się cieszyć prostymi i skutecznymi urządzeniami.
Tradycyjny Higrometr
Tradycyjna wersja higrometru to przyrząd, który umożliwia odczyt za pomocą zegarowej wskazówki. Zwykle występuje w połączeniu z tradycyjnym termometrem analogowym, więc nie wymaga zasilania elektrycznego. Zależnie od obudowy możesz go zawiesić lub postawić w dowolnym pomieszczeniu i stale mieć w zasięgu wzroku.
Współczesny Higrometr Elektroniczny
Współczesny wilgotnościomierz elektroniczny jest nieco droższym urządzeniem, jednak dysponuje dodatkowymi funkcjami - na przykład grafu lub zapisu. Zwykle dodatkowo zawiera termometr z czujnikiem elektronicznym, dzięki któremu łatwo i precyzyjnie odczytasz również temperaturę powietrza w pomieszczeniu.
Zasada Działania Higrometru
Zasada działania higrometru wynika z jego konstrukcji, która jest inna w przypadku sprzętu tradycyjnego i elektronicznego. Najdokładniejszy pomiar zawartości pary wodnej w powietrzu zapewni Ci nowoczesny higrometr elektrolityczny. Jego zasada funkcjonowania opiera się na stałym działaniu specjalnego czujnika, który rejestruje zmiany wilgotności powietrza w przewodzeniu i oporności.
Jeżeli potrzebny Ci prosty i tani wilgotnościomierz do domu, który pozwoli Ci zyskać ogólną orientację na temat wilgotności powietrza, wystarczające będzie urządzenie tradycyjne. Higrometr analogowy działa w oparciu o badanie długości włókna włosa - ze względu na higienę oraz masową produkcję dziś do tego stosuje się specjalny materiał syntetyczny. Naprężenie włókna decyduje od tym, w jakiej pozycji znajdzie się wskazówka na podziałce zegara. Tradycyjna metoda charakteryzuje się marginesem błędu, który może wynieść nawet 7%.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Jak Utrzymać Optymalną Wilgotność?
Aby zadbać o optymalny wskaźnik zawartości pary wodnej w domowym powietrzu, przede wszystkim musisz poznać wartości, w między którymi wynik powinien oscylować. Dopuszczalne granice wilgotności to 30-65%, lecz w pomieszczeniach takich jak łazienka czy kuchnia okresowo może skoczyć do 70%.
Celem higrometru jest uzyskanie jak najdokładniejszego pomiaru, dlatego urządzenie powinno znaleźć się w odpowiednim miejscu. Unikaj lokalizacji w pobliżu działającego pieca lub kaloryfera, a także długotrwałej ekspozycji na światło słoneczne - te czynniki mogą zaburzyć pracę przyrządu.
Jeżeli odczyt z higrometru wskaże nieprawidłowy wynik, możesz od razu zareagować. Najprostszym sposobem na zmianę wilgotności powietrza jest systematyczne wietrzenie. Jeżeli w pomieszczeniu jest za sucho, możesz zastosować tradycyjną zawieszkę na grzejnik lub nowoczesny nawilżacz powietrza. W przypadku, gdy powietrze jest zbyt wilgotne, a wietrzenie nie przynosi efektu lub nie jest możliwe ze względu na brak okien (spiżarnia, garderoba), konieczne może okazać się zastosowanie specjalnego pochłaniacza wilgoci. Osuszacze występują zarówno w postaci jednorazowych saszetek, jak i niewielkich urządzeń.
Zastosowanie Higrometrów w Różnych Branżach
Higrometry znajdują zastosowanie nie tylko w domu. Potrzebne są także w wielu branżach, gdzie ze względu na utrzymanie jakości produktów oraz bezpieczeństwo środowiska pracy konieczne jest precyzyjne monitorowanie wilgotności. W przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i drzewnym, kontrola wilgotności jest niezbędna do zachowania właściwości surowców i produktów końcowych - od leków, które muszą być przechowywane w suchych warunkach, po drewno, które może pękać lub deformować się przy niewłaściwej wilgotności. Natomiast w rolnictwie higrometry pomagają zapewnić optymalne warunki uprawy roślin oraz zadbać o zdrowie zwierząt.
Higrometr to urządzenie, które pozwala na kontrolowanie wilgotności w pomieszczeniu. Jest to ważne dla utrzymania komfortowych warunków oraz zapobiegania powstawaniu pleśni i grzybów.
Wilgotność Powietrza - Podstawowe Pojęcia
Mianem wilgotności powietrza określa się zawartość pary wodnej w powietrzu. Para wodna w powietrzu pochodzi z parowania zachodzącego ze swobodnych powierzchni wodnych i powierzchni lądowych (gruntu, roślinności...). Jest to ciśnienie parcjalne (cząstkowe), wywierane przez parę wodną w powietrzu. Jednostką pomiaru jest hPa (jednostka ciśnienia). Można to wyobrazić sobie jako różnicę ciśnienia w zamkniętej objętości powietrza i bez zmiany jego temperatury przed (p) i po całkowitym usunięciu z tej objętości znajdującej się pary wodnej (p').
Nie można zmieszać dowolnej ilości pary wodnej z dowolną ilością powietrza (tak, jak to można zrobić na przykład ze spirytusem etylowym i wodą, czy azotem i tlenem). Ilość pary wodnej, która znaleźć się może w powietrzu (rozpuścić w powietrzu) zależy od jego temperatury. Maksymalną ilość pary wodnej, jaką jest w stanie zawierać powietrze w danej temperaturze określa się mianem prężności maksymalnej lub prężnością pary nasyconej, niekiedy prężnością nasycenia i oznacza zazwyczaj symbolem E. Wartości E w funkcji temperatury powietrza przedstawia tabela poniżej.
| Temperatura (°C) | Prężność Maksymalna E (hPa) |
|---|---|
| -10 | 2.6 |
| 0 | 6.1 |
| 10 | 12.3 |
| 20 | 23.4 |
| 30 | 42.4 |
Prosty ogląd wartości E w tej tablicy wskazuje że zależność E = f(t) jest silnie nieliniowa (wykładnicza). Prężność pary wodnej, jaka występuje w danej chwili w powietrzu nazywa się prężnością aktualną i oznacza zazwyczaj symbolem e. Prężność aktualna w atmosferze zmienia się stosunkowo powoli; aby wzrosła, musi wzrosnąć również zawartość pary w powietrzu.
Proces parowania, który dostarcza pary wodnej do powietrza jest procesem energochłonnym, przez to powolnym. Zmniejszenie się zawartości pary wodnej w powietrzu nie jest możliwe, bez wystąpienia procesów kondensacji (o czym dalej), W związku z tym zmiany prężności aktualnej zachodzą zazwyczaj wraz z procesami wymiany mas atmosferycznych nad danym obszarem.
Różnicę, między prężnością maksymalną (E) w temperaturze powietrza, w której została zmierzona prężność aktualna a wartością prężności aktualnej (e), wyrażona w hPa: d = E - e [hPa], określa się mianem niedosytu wilgotności, który informuje o tym, ile jednostek prężności potrzeba do całkowitego nasycenia danego powietrza.
Wartości prężności aktualnej, choć pośrednio informują o tym, ile jest pary wodnej w powietrzu, nie są miarą wystarczająco poglądową, informacja, że np. prężność aktualna równa jest 5 hPa, bez znajomości temperatury powietrza i względnie precyzyjnej znajomości E = f(t), niewiele jeszcze mówi.
Wilgotność względna (oznaczana najczęściej jako f), którą definiuje się jako: f = (e/E) * 100 [%], informującą w jakim procencie, w stosunku do maksymalnie możliwego w danej temperaturze (tj. temperaturze, w której zmierzono e) powietrze jest nasycone parą wodną. Zauważmy, że w różnych temperaturach powietrza taka sama wartość wilgotności względnej (np. 50%) będzie oznaczała zupełnie rożne ilości pary wodnej znajdującej się w powietrzu. Przykładowo wilgotność względna 50% w temperaturze 0°C wystąpi przy e = 3,05 hPa, w temperaturze +20°C przy e = 11,7 hPa (patrz tab.
W formule definiującej wilgotność względną występuje w mianowniku ułamka wartość E, która jest funkcją temperatury powietrza. Wraz ze wzrostem temperatury powietrza wartość E rośnie. Oznacza to, że zmiany temperatury powietrza, przy niezmienionej zawartości pary wodnej w powietrzu (e, prężności aktualnej) muszą pociągać za sobą zmiany wilgotności względnej (f). W przypadku niezmienionej zawartości pary wodnej (e) wzrost temperatury powoduje spadek (zmniejszenie się) wilgotności względnej.
Posłużmy się tutaj przykładem. Niech w powietrzu, które ma temperaturę 20°C zmierzono wartość e = 12,3 hPa. Obniżamy temperaturę tego powietrza do 0°C. W takim razie e = 12,3 hPa, zaś wartość prężności maksymalnej jest taka, jaka wynika z temperatury tego powietrza (20°C; E = 23.4 hPa (patrz tabela 1), co oznacza, że wilgotność względna wynosi około 52,6% (12,3 / 23,4). Przy obniżeniu temperatury do 15°C wilgotność względna tego powietrza wzrośnie do 72,3% (12,3 / 17,0), przy dalszym obniżeniu temperatury, do 10°C zauważamy, że wartość prężności maksymalnej E zrównała się z wartością prężności aktualnej e (e = E) i wilgotność względna osiągnęła wartość 100% (12,3 / 12,3), czyli powietrze jest już całkowicie nasycone parą wodną (osiągnęło stan ‘roztworu nasyconego’).
Dalszy spadek temperatury powietrza powoduje przejście powietrza w stan przesycenia, który spowoduje, że cały nadmiar ilości pary wodnej ponad wartość E wynikający z nowej, obniżonej temperatury powietrza ulegnie kondensacji. Proces kondensacji pary wodnej jest procesem przechodzenia pary wodnej (gazu) w wodę (ciecz).
Temperatura, do której należy schłodzić powietrze, aby przy danej prężności aktualnej wilgotność względna osiągnęła 100% i rozpoczęły się w nim procesy kondensacji nosi nazwę temperatury punktu rosy i oznaczana jest zazwyczaj jako td [°C]. Temperatura punktu rosy powietrza, w którym nie zachodzą procesy kondensacji, zależy jedynie od wartości prężności aktualnej.
Tak długo, jak temperatura powietrza nie spadnie poniżej temperatury punktu rosy, temperatura punktu rosy tego powietrza pozostaje stała. Wróćmy do przykładu. Od chwili, gdy powietrze osiągnęło temperaturę punktu rosy (10°C) i temperatura powietrza dalej powoli spada, cały czas wilgotność względna ma wartość 100% i temperatura punktu rosy tego powietrza jest równa jego temperaturze.
Cały nadmiar pary wodnej, ponad wartość prężności maksymalnej w danej temperaturze (E) ulega kondensacji, czyli wykropleniu. Tak więc, po ochłodzeniu naszego powietrza do 5°C, jego wilgotność względna wyniesie dalej 100%, jego temperatura punktu rosy (td) wyniesie 5°, prężność aktualna e równa E będzie wynosić 8,7 hPa, wykropleniu w tej objętości powietrza ulegnie tyle wody, ile wynosi różnica między prężnością aktualną / maksymalną w temperaturze, gdy po raz pierwszy powietrze to doszło do temperatury punktu rosy (czyli 10°) a prężnością aktualną / maksymalną przy temperaturze 5°C. [Policzymy: 12,3 - 8,7 = 3,6 hPa, tab. 1].
Tak więc, w analizowanym przez nas przypadku, z chwilą, gdy powietrze osiągnęło wilgotność względną równą100%, czyli temperaturę punktu rosy, zachodzące procesy kondensacji powodujące zmianę stanu skupienia wody w powietrzu, przy dalszym spadku temperatury powietrza powodują utrzymywanie się wilgotności względnej na poziomie 100% i obniżanie się ilości pary wodnej w powietrzu.
Przedstawiony przykład oczywiście upraszcza rzeczywistość. W przypadku bardzo szybkiego spadku temperatury powietrza może zaistnieć sytuacja, że wilgotność względna będzie wyższa od 100%, co można wytłumaczyć ‘nienadążaniem’ procesów kondensacji za spadkiem temperatury powietrza. Z takim procesem można się spotkać w czasie doświadczenia z komorą Wilsona.
W komorze Wilsona, po zsunięciu tłoka w dół, w wyniku gwałtownego rozprężenia powietrza temperatura powietrza równie gwałtownie spada i wilgotność względna osiąga wartości kilkuset %. Zwróćmy uwagę, że bardzo wszechstronną miarą wilgotności powietrza może być para temperatury - temperatura powietrza (tp) i temperatura punktu rosy tego powietrza (td).
Zauważmy, że temperatura powietrza nie może być niższa od jego temperatury punktu rosy. Jeśli wyobrazimy sobie procesy kształtowania wilgotności powietrza, bez zmian ilości pary wodnej w powietrzu, związane ze zmianami temperatury tego powietrza w ten sposób, że obie te wartości znajdują się na osi liczbowej, to temperatura punktu rosy (td) będzie stała w miejscu na osi (zależy jedynie od e). Wzrost temperatury (tp) spowoduje oddalenie tp od td, spadek temperatury zbliżenie tp do td.
W ten sposób różnica temperatury powietrza i temperatury punktu rosy informuje nas o tym, jaka jest wilgotność względna (duża różnica - mała wilgotność, mała różnica - duża wilgotność, czyli powietrze bliskie nasycenia parą wodną). W każdym momencie wiemy, jaki spadek temperatury doprowadzi do początków wystąpienia procesów kondensacji. Jeśli znamy prognozowaną wielkość spadku temperatury, natychmiast możemy ocenić, czy nastąpią procesy kondensacji, czy też nie nastąpią.
Z tego względu meteorolodzy rzadko używają wilgotności względnej jako miary wilgotności, posługują się najczęściej wspomnianą parą temperatur, która charakteryzuje tak zwane stosunki termo-higryczne powietrza (wielkość kompleksowa, opisująca zarówno temperaturę, jak i całokształt stosunków wilgotnościowych).
Wilgotnością względną często natomiast operuje się w celach praktycznych - na przykład w warunkach przewozu szeregu ładunków, pracy mechanizmów i urządzeń, warunków przebywania ludzi, etc. Gdybyśmy wrócili do omawianego przykładu i zastanowili się, co się będzie działo w sytuacji, gdy ochłodzone do temperatury 0°C nasze powietrze zacznie się ponownie nagrzewać, to zauważymy, że w powietrzu tym prężność aktualna pary wodnej jest równa 6,1 hPa.
W tym przypadku, wzrost temperatury spowoduje wzrost wartości E i jego wilgotność względna zacznie maleć. Temperatura punktu rosy tego powietrza pozostanie równa 0°C tak długo, jak nie zacznie się proces parowania mikrokropel znajdujących się w jego objętości. Proces parowania wymaga jednak dostarczenia do układu bardzo dużych ilości energii (ciepła; patrz "procesy kondensacji"). Bez dostarczenia tej energii, parowanie nie nastąpi i zawartość pary wodnej w powietrzu pozostanie bez zmian.
Jak widzimy, procesy te nie są symetryczne (w pełni odwracalne), temperatura punktu rosy może spaść (obniżyć się) w wyniku ochłodzenia temperatury powietrza i występujących procesów kondensacji, ale bez powtórnego wzbogacenia powietrza w parę wodną temperatura punktu rosy nie wzrośnie.
Oprócz wymienionych miar wilgotności powietrza stosuje się szereg innych, z których najważniejsze to wilgotność absolutna, informująca ile kg pary wodnej znajduje się w 1 m^3 powietrza (przy czym nie bierze się pod uwagę występujących ewentualnie produktów kondensacji - wody w stanie ciekłym lub stałym).
Miarą wilgotności określającą stosunek masy pary wodnej do masy powietrza suchego, znajdującego się w danej objętości wilgotnego powietrza (g / kg) jest współczynnik zmieszania ( r ). Te i inne, tu nie omówione, miary wilgotności powietrza stosuje się w meteorologii do różnego rodzaju operacji (obliczeń), takich jak na przykład szacowanie potencjalnej wielkości opadu, określenia stopnia chwiejności powietrza, zmian temperatury w powietrzu wznoszącym się itp.
Pomiary wilgotności powietrza mają duże znaczenie tak dla wykonania obserwacji meteorologicznych na statku (depesza SHIP), jak i w codziennej praktyce eksploatacyjnej statku (przewóz ładunków, wentylacja wnętrza statku, ...). Dość skomplikowana natura miar wilgotności powietrza powoduje, że i pomiary wilgotności, choć technicznie łatwe, wydają się być skomplikowane.
Higrometr Włosowy
Higrometr włosowy jest nieskomplikowanym, tanim przyrządem, służącym do pomiaru wilgotności względnej. Elementem mierzącym (reagującym na zmiany wilgotności względnej) jest w nim odtłuszczony włos ludzki (dokładniej pęczek włosów).
Włos, gdy wilgotność względna rośnie, absorbuje parę wodną z powietrza i zmienia swoją grubość i długość; przy wzroście wilgotności względnej włos się wydłuża, przy zmniejszaniu się wilgotności względnej - kurczy. Jeśli pęczek włosów zamocować z jednej strony do nieruchomego zacisku, drugą, swobodną stronę pęczka włosów zamocować do bloczka umocowanego na osi, który w napięciu utrzymywany jest przez delikatną sprężynkę, to w takt zmian długości włosów bloczek będzie się skręcał raz w jedną, raz w drugą stronę, stosownie do zmian wilgotności.
Po przymocowaniu do bloczka delikatnej, dość długiej wskazówki, będzie ona wykonywała ruchy, zgodnie z kątem skręcenia bloczka. W praktyce spotyka się cały szereg higrometrów włosowych, różniących się rozwiązaniami konstrukcyjnymi, obudowami, kształtami, dodatkowymi funkcjami. Bardzo często higrometry włosowe wyposażone są dodatkowo w termometr (najczęściej tani termometr spirytusowy o dokładności odczytu 1 lub 0.5°C).
Niekiedy higrometry wyposażone są w dodatkową wskazówkę, którą można dowolnie ustawiać na zadaną wartość wilgotności względnej. Wskazówka ta tworzy jeden z biegunów zworki elektrycznej (kontaktu), drugą zworkę tworzy wskazówka higrometru. Gdy wilgotność względna osiągnie wartość równą wilgotności na którą jest ustawiona dodatkowa wskazówka, dochodzi do zwarcia kontaktu elektrycznego, który włączy np. sygnalizację, alarm, lub przez styczniki - urządzenie większej mocy (np. ogrzewanie, wentylację...).
Higrometry włosowe pozwalają na dość pewny (dokładność pomiaru nie jest obarczona większym błędem niż 5%) pomiar wilgotności względnej od 30 do 100%. Pomiar wilgotności w zakresie od 20 do 30% obarczony jest błędem przekraczającym 5%. Skala higrometru jest nieliniowa.
Higrometr włosowy, z czasem, zaczyna fałszować pomiary. Związane to jest ze stopniowym wysychaniem włosa (pęczka włosów). Z tego względu, nie rzadziej niż 3 miesiące w przeciętnych warunkach wilgotnościowych i nie rzadziej niż co 1 miesiąc w warunkach zwiększonej suchości powietrza, higrometr należy poddać procesowi ponownego tarowania (‘świeżenia’).
tags: #higiometr #zasada #działania #i #rodzaje
