История создания гигрометра: важную роль сыграли рыжеволосые женщины

История создания гигрометра: важную роль сыграли рыжеволосые женщины

Влажность является важнейшим элементом микроклимата. Она оказывает значительное влияние на работу электроники и различных приборов, а также на здоровье людей и животных. От уровня влажности зависят сроки службы металлических изделий, сохранность пищевых продуктов, состояние отделочных и других материалов.

Для измерения влажности используется специальный прибор — гигрометр. Слово «гигрометр» происходит от греческого «hygros» (влажный) и «metron» (измерение), что буквально означает «измеритель влажности». Первые гигрометры появились в XV веке, и с тех пор их конструкции и принципы работы значительно изменились. Но давайте окунемся в историю.

Никуда без Леонардо

Первым инженером, который попытался смастерить гигрометр, был, разумеется, Леонардо да Винчи.

В конце XV века он проводил эксперименты, изучая сжатие и расширение органических материалов при различных условиях влажности, а также изменение их массы. В результате этих исследований он придумал гигрометр — весы с двумя уравновешенными частями: водонепроницаемой пластинкой из пчелиного воска и водопроницаемым хлопковым ватным тампоном.

Изобретение Леонардо да Винчи, гигрометр

Тампон, впитывая водяной пар из воздуха, увеличивался в массе, что заставляло весы клониться в его сторону. Однако показания такого гигрометра были далеко не очень точными.

Cherchez la femme rousse (с французского — «ищите рыжеволосую женщину»)

Принципиально новый подход к измерению влажности воздуха появился только спустя триста лет после изобретения да Винчи. В 1783 году швейцарец Орас Бенедикт де Соссюр разработал свой уникальный гигрометр, в котором он использовал необычный материал — человеческий волос.

Орас Бенедикт де Соссюр создал гигрометр натяжения, известный также как «волосной гигрометр»

Почему именно волосы? Дело в их способности впитывать влагу — гигроскопичности. При повышении влажности воздуха они способны увеличиваться в длину, а при более сухих условиях — сжиматься. Такая реакция происходит благодаря кератинам — белкам, которые составляют основу волос. Кератины обладают удивительной способностью притягивать воду из окружающей среды, что и делает волосы гигроскопичными.

Орас Бенедикт де Соссюр создал гигрометр натяжения, известный также как «волосной гигрометр». Он взял человеческий волос, подвесил к нему небольшой грузик для натяжения и соединил всё это со стрелкой и циферблатом с делениями. В зависимости от уровня влажности волос растягивался или сжимался, а стрелка указывала на степень его изменений.

Однако не все волосы обладают одинаковой гигроскопичностью. Чемпионами по растяжению считаются рыжие — из-за преобладания в составе феомеланина, который очень плохо защищает их от внешних воздействий, придаёт высокую пористость и способствует большему поглощению влаги. А среди рыжих волос наиболее чувствительными к изменениям влажности считаются женские. Потому что они генетически менее плотные.

250 лет назад Орас Бенедикт де Соссюр и его последователи не знали об этих особенностях волос. Но опытным путём они выяснили, что для их научных целей лучше всего подходят именно рыжие женские волосы.

Таким образом, в метеорологической науке на долгие десятилетия закрепилось правило: «Cherchez la femme rousse» (с французского — «ищите рыжеволосую женщину»).

Потом метеорология развивалась уже куда более прозаично: для гигрометров натяжения стали использовать конские волосы, китовый ус, кетгут (кишка крупного рогатого скота), синтетические волокна.

Кстати, волосяные гигрометры производили в Советском Союзе вплоть до его распада и часто использовали в быту.

Виды гигрометров

Для измерения влажности могут применяться различные физические принципы. В связи с этим существует несколько типов гигрометров, которые существенно отличаются друг от друга по своей конструкции. Среди них можно выделить:

  • волосные;

  • пленочные;

  • весовые;

  • керамические;

  • конденсационные;

  • электронные;

  • психрометрические.

Это различные приборы, многие из которых дают лишь приблизительный результат и имеют другие ограничения в использовании. Из-за этого далеко не все типы гигрометров широко используются в настоящее время.


Волосной гигрометр

Является устаревшим и чаще всего встречается как музейный экспонат. Принцип его работы основан на физическом свойстве волоса менять длину в зависимости от уровня влажности. В конструкции гигрометра используется натянутый волос, одним концом связанный со стрелкой. В зависимости от того насколько оттянется волос, зависит угол наклона стрелки.

Волосной гигрометр

Приборы этого типа считаются устаревшими ввиду низкой точности, но ее достаточно для бытового применения. Однако они очень чувствительны к механическому воздействию. При сильной встряске или ударе волос может порваться, и устройство выйдет из строя. Отремонтировать его крайне сложно, так как эта функция не предусматривается. Используемый в системе обезжиренный человеческий волос позволяет определять влажность воздуха в пределах от 30% до 100%. Устройство может использоваться для расчета влажности в случае минусовой температуры.


Пленочный гигрометр

Схож по принципу работы с волосяным. Он оснащается органической пленкой. Та меняет свою длину в зависимости от влажности. С пленкой связан механизм шкалы. Такое устройство не боится механического воздействия в разумных пределах, чем превосходит волосяные гигрометры. Устройство может использоваться для определения влажности воздуха при отрицательной температуре.

Пленочный гигрометр

Зачастую устройство предусматривает наличие механизма калибровки. Его можно отрегулировать, пользуясь данными полученными на более точных приборах, которыми являются психометрические или абсолютные гигрометры.


Весовой гигрометр

Эти гигрометры отличаются высокой точностью, что делает их избыточными для домашнего использования. Чаще всего они применяются в лабораториях, поскольку являются абсолютными приборами.

Устройство представляет собой систему соединённых трубок, внутри которых находится вещество, способное быстро поглощать водяной пар из воздуха. Трубки постоянно находятся в закрытом состоянии.

Весовой гигрометр

Чтобы измерить относительную влажность, нужно на короткое время открыть доступ воздуха к трубкам. Проходя через них, водяной пар остаётся в поглощающем веществе, увеличивая массу гигрометра. Определив текущий вес устройства после увлажнения и сравнив его с первоначальными данными, можно рассчитать относительную влажность.

Для работы с этим прибором требуются математические расчёты. Чтобы подсчитать относительную влажность, нужны данные о массе гигрометра до и после измерения, а также объём пропущенного через трубки воздуха. Для получения более-менее точных измерений необходимы весы с минимальной погрешностью. Кроме того, на уровень точности может влиять фактор старения вещества в трубках. Со временем оно теряет свои первоначальные свойства и хуже поглощает влагу из воздуха.


Керамический гигрометр

Это устройство также известно как механический гигрометр. Его принцип действия основан на взаимосвязи между степенью увлажнённости диэлектрика и его электропроводностью.

Гигрометр оснащён чувствительным элементом — керамическим пористым кубиком, который поглощает влагу из воздуха. При высокой влажности он набирает много воды, а при низкой, наоборот, подсыхает.

Керамический гигрометр

Через керамический элемент пропускается электрический ток. Когда влажность высока и элемент более увлажнён, электрическое сопротивление снижается. Стрелка прибора реагирует на это изменение сопротивления и устанавливается под определённым углом на циферблате, указывая на относительную влажность.

Эти устройства не самые точные, но дают вполне приемлемый результат, что позволяет использовать их в системах климат-контроля и других подобных системах. Главное их преимущество — возможность получать прямые показания влажности в текущий момент времени. Не нужно ничего вычислять по формулам или использовать вычислительные таблицы. Кроме того, устройство не требует активации процесса замера. Стрелка гигрометра постоянно указывает на уровень влажности.


Конденсационный гигрометр

Этот тип гигрометра также не может похвастаться высокой точностью. Его работа основана на свойстве пара конденсироваться. В устройстве есть небольшое зеркало, температура которого измеряется перед началом замера. Затем зеркало охлаждается с помощью эффекта Пельтье, что приводит к образованию конденсата на его поверхности. Как только это происходит, температура зеркала снова измеряется. Сравнивая эти два значения температуры, можно определить уровень относительной влажности с помощью специальной таблицы.

Конденсационный гигрометр

Чтобы данные были максимально точными, необходимо точно уловить момент образования конденсата и оперативно измерить температуру зеркала. Для этого в гигрометре предусмотрено оптическое или электрическое устройство. Электрическое устройство считается более точным, так как исключает человеческий фактор.


Электронный гигрометр

Этот прибор отличается удобством в использовании и высокой точностью. В его основе лежит пластинка из электроизоляционного материала, на которую нанесено покрытие из хлорида лития. Уровень электрической сопротивляемости хлорида лития меняется в зависимости от влажности воздуха, что и фиксирует прибор.

Электронный гигрометр

На основе полученных данных электронный гигрометр самостоятельно производит все необходимые вычисления и отображает готовый результат на дисплее. Он мгновенно реагирует на изменения относительной влажности воздуха, что делает его незаменимым помощником в различных условиях. Как правило, такие устройства дополнительно оснащаются термометром для более полного контроля за температурой в помещении.

Следует отметить, что электрические гигрометры могут иметь различную степень погрешности, которая зависит от температуры окружающей среды. Более сложные модели оснащены усовершенствованными вычислительными возможностями, что позволяет минимизировать эту погрешность и получать более точные показания.

Психрометрический гигрометр

Психрометрический гигрометр, также известный как психрометр, представляет собой прибор с весьма простой конструкцией. В его основе лежат два термометра: сухой и влажный.

Влажный термометр отличается от сухого тем, что его нижняя часть соприкасается с батистовой лентой, край которой окунается в сосуд с водой. В результате лента всегда остается влажной, увлажняя колбу мокрого термометра. Вода, испаряясь, охлаждает термометр, и он показывает более низкую температуру, чем сухой.

психрометр

Чтобы определить влажность, необходимо сравнить нормальную температуру, измеренную на сухом термометре, с более низкой температурой мокрого. Для этого используется специальная таблица, которая обычно печатается на корпусе психрометра.

Для корректной работы прибора необходимо регулярно подливать воду в колбу, куда погружается батистовая лента. Если вода испарится, данные термометров будут совпадать.


Критерии выбора гигрометра

При выборе гигрометра следует обратить внимание на несколько ключевых параметров:

Температурный диапазон измерения

Большинство гигрометров предназначены для использования только при положительных температурах. Однако, если требуется проводить измерения при низких температурах, стоит рассмотреть мембранные и волосяные гигрометры.

Диапазон определения влажности

Гигрометры различных конструкций имеют разный диапазон определения относительной влажности. Большинство из них могут корректно работать и выдавать результаты в диапазоне от 20 до 90%.

Принцип действия

Принцип действия гигрометра определяет, будет ли он показывать уровень относительной влажности непрерывно или только в момент проведения измерений. Наиболее удобными в использовании являются электронные и керамические гигрометры. Для работы с другими типами гигрометров нужно делать расчеты, что занимает дополнительное время.

Автор: Академия КриоФрост

Комментарии 0

При поддержке
Ассоциация холодильной промышленности и кондиционирования воздуха Республики Казахстан
Всероссийский научно-исследовательский институт
холодильной промышленности
Ассоциация предприятий индустрии микроклимата и холода
Международный центр научной и технической информации
Россоюзхолодпром
Международная академия холода