مقياس الرطوبة

تم ابتكار وتطوير أجهزة قياس الرطوبة البدائية خلال عهد أسرة شانغ في الصين القديمة لدراسة الطقس. ^{[ 2 ]} استخدم الصينيون قطعة من الفحم وكتلة من التراب: حيث تم قياس وزنها الجاف، ثم مقارنته بوزنها الرطب بعد تعرضها للهواء. واستُخدمت الفروقات في الوزن لحساب مستوى الرطوبة.

استُخدمت تقنيات أخرى تعتمد على الكتلة لقياس الرطوبة، فمثلاً، عندما يكون الهواء جافًا، يكون قضيب الفحم خفيفًا، بينما عندما يكون الهواء رطبًا، يكون ثقيلًا. وبتعليق كتلة من التراب في أحد طرفي عصا وقضيب من الفحم في الطرف الآخر، وربط خيط رفع ثابت بمنتصف العصا لجعلها أفقية في الهواء الجاف، صُنع مقياس رطوبة قديم. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

يُعدّ مقياس الرطوبة ذو الملف المعدني الورقي أداةً فعّالةً لعرض تغيرات الرطوبة على مؤشرٍ مُدوّر. وهو شائعٌ في الأجهزة الرخيصة، ودقته محدودة، إذ تصل نسبة التباين فيه إلى 10% أو أكثر. في هذه الأجهزة، يمتص شريطٌ ورقيٌّ مُشبعٌ بالملح، مُثبّتٌ على ملفٍ معدنيّ، بخار الماء، مما يُؤدي إلى تغيير شكل الملف. هذه التغيرات (المُشابهة لتلك التي تحدث في مقياس الحرارة ثنائي المعدن ) تُعطي قراءةً على المؤشر. عادةً ما توجد إبرةٌ معدنيةٌ في مقدمة المقياس تُشير إلى مقياسٍ مُدرّج.

تستخدم هذه الأجهزة شعرة بشرية أو حيوانية تحت ضغط معين. (يمكن استخدام عظام الحيتان ومواد أخرى بدلاً من الشعر). الشعرة ماصة للرطوبة (تميل إلى الاحتفاظ بها)؛ ويتغير طولها بتغير الرطوبة، ويمكن تكبير هذا التغير بواسطة آلية وعرضه على مؤشر أو مقياس . كان الفيزيائي والجيولوجي السويسري هوراس بينيديكت دي سوسير أول من صنع مقياس رطوبة كهذا، عام ١٧٨٣. ويعمل جهاز الفن الشعبي التقليدي المعروف باسم " بيت الأرصاد الجوية" أيضاً على هذا المبدأ.

يتكون من شعرة بشرية  بطول ثمانية أو عشرة بوصات [20 أو 25 سم]، bc، الشكل 37، مثبتة من أحد طرفيها بمسمار، a ، ومن الطرف الآخر تمر فوق بكرة، c ، ويتم شدها بإحكام بواسطة خيط حريري ووزن، d .

تتصل البكرة بمؤشر يتحرك على مقياس مدرج (هـ). ويمكن زيادة حساسية الجهاز بإزالة الزيوت من الشعر، مثلاً عن طريق نقع الشعر أولاً في ثنائي إيثيل الإيثر . ^{[ 4 ]}

يتكون مقياس الرطوبة، أو مقياس الحرارة ذو البصيلة الرطبة والجافة، من ترمومترين معايرين، أحدهما جاف والآخر رطب بالماء المقطر على جورب أو فتيلة. ^{[ 5 ]} عند درجات حرارة أعلى من درجة تجمد الماء، يؤدي تبخر الماء من الفتيلة إلى خفض درجة الحرارة ، بحيث تكون درجة حرارة البصيلة الرطبة أقل من درجة حرارة البصيلة الجافة. أما عندما تكون درجة حرارة الهواء أقل من درجة التجمد، فيجب تغطية البصيلة الرطبة بطبقة رقيقة من الجليد لضمان دقة القياس. ونتيجة لحرارة التسامي، ستصبح درجة حرارة البصيلة الرطبة في النهاية أقل من درجة حرارة البصيلة الجافة، على الرغم من أن ذلك قد يستغرق عدة دقائق من الاستخدام المتواصل لمقياس الرطوبة.

تُحسب الرطوبة النسبية من درجة حرارة الجو، التي يُظهرها مقياس الحرارة الجاف، والفرق بين درجتي الحرارة، كما يُظهره مقياسا الحرارة الرطب والجاف. ويمكن أيضًا تحديد الرطوبة النسبية بتحديد نقطة تقاطع درجتي الحرارة الرطبة والجافة على مخطط الرطوبة . تتطابق قراءات مقياسي الحرارة الجاف والرطب عندما يكون الهواء مشبعًا تمامًا بالرطوبة، وكلما زاد الفرق بينهما، كان الهواء أكثر جفافًا. تُستخدم أجهزة قياس الرطوبة بشكل شائع في علم الأرصاد الجوية ، وفي صناعة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) لضمان شحن أنظمة تكييف الهواء السكنية والتجارية بغاز التبريد بشكل صحيح .

مقياس الرطوبة المعلق

يُدار مقياس الرطوبة المعلق، الذي يستخدم ميزانَي حرارة مثبتين على مقبض، يدويًا في تيار هواء حر حتى تستقر درجتا الحرارة. يُستخدم هذا النوع أحيانًا للقياسات الميدانية، ولكنه يُستبدل حاليًا بمجسات إلكترونية أكثر ملاءمة. أما مقياس الرطوبة الدوار، فيعتمد على المبدأ نفسه، ولكن يُركّب فيه ميزانا الحرارة في جهاز يشبه آلية السقاطة أو خشخيشة كرة القدم .

نقطة الندى هي درجة الحرارة التي تصل عندها عينة من الهواء الرطب (أو أي بخار ماء آخر ) تحت ضغط ثابت إلى حالة التشبع ببخار الماء. عند درجة حرارة التشبع هذه، يؤدي المزيد من التبريد إلى تكثف الماء. تُعدّ مقاييس الرطوبة بنقطة الندى ذات المرآة المبردة من أدق الأجهزة المتوفرة. تستخدم هذه المقاييس مرآة مبردة وآلية كهروضوئية للكشف عن التكثف على سطح المرآة. يتم التحكم في درجة حرارة المرآة بواسطة تغذية راجعة إلكترونية للحفاظ على توازن ديناميكي بين التبخر والتكثف، وبالتالي قياس درجة حرارة نقطة الندى بدقة عالية.  يمكن تحقيق دقة تصل إلى 0.2 درجة مئوية باستخدام هذه الأجهزة، وهو ما يعادل في بيئات المكاتب النموذجية دقة رطوبة نسبية تبلغ حوالي ±1.2%. كانت المرايا المبردة القديمة تستخدم مرآة معدنية تتطلب التنظيف وعمالة ماهرة. أما التطبيقات الأحدث للمرايا المبردة فتستخدم أسطحًا مصقولة للغاية لا تتطلب تنظيفًا دوريًا.

في الآونة الأخيرة، تم استحداث المرايا المبردة الطيفية. باستخدام هذه الطريقة، يتم تحديد نقطة الندى عن طريق الكشف الطيفي للضوء، مما يؤكد طبيعة التكثيف. تتجنب هذه الطريقة العديد من عيوب المرايا المبردة السابقة، وهي قادرة على العمل دون أي انحراف.

لا تزال المرايا المبردة هي القياس المرجعي لمعايرة أجهزة قياس الرطوبة الأخرى. ويعود ذلك إلى طبيعتها الأساسية القائمة على المبادئ الأولية، والتي تشير إلى جوهر فيزياء التكثيف وتقيس درجة الحرارة، وهي إحدى الكميات الأساسية في النظام الدولي للكميات (الطول، والزمن، وكمية المادة، والتيار الكهربائي، ودرجة الحرارة، وشدة الإضاءة، والكتلة). ^{[ 6 ]}

عندما تكون التكلفة أو المساحة أو الهشاشة عوامل مهمة، تُستخدم أنواع أخرى من أجهزة الاستشعار الإلكترونية، ولكن على حساب دقة أقل. تقيس مقاييس الرطوبة السعوية تأثير الرطوبة على ثابت العزل الكهربائي للبوليمر أو أكسيد المعدن . عند معايرتها ، تصل دقتها إلى ±2% عند مستويات رطوبة نسبية تتراوح بين 5% و95%؛ أما بدون معايرة، فتكون الدقة أسوأ بمرتين إلى ثلاث مرات. تتميز أجهزة الاستشعار السعوية بمقاومتها لعوامل مثل التكثيف ودرجات الحرارة المرتفعة المؤقتة، ^{[ 7 ]} ولكنها عرضة للتلوث والانحراف وتأثيرات التقادم. ومع ذلك، فهي مناسبة للعديد من التطبيقات.

في مقاييس الرطوبة المقاومة، يُقاس التغير في المقاومة الكهربائية للمادة نتيجةً لتغير الرطوبة. ^{[ 7 ]} ومن المواد الشائعة في هذه المقاييس الأملاح والبوليمرات الموصلة . تتميز المستشعرات المقاومة بحساسية أقل من المستشعرات السعوية  ، إذ يكون التغير في خصائص المادة أقل، مما يستلزم دوائر كهربائية أكثر تعقيدًا. كما تميل خصائص المادة إلى الاعتماد على كلٍ من الرطوبة ودرجة الحرارة، مما يعني عمليًا ضرورة دمج المستشعر مع مستشعر حرارة. وتختلف دقة المستشعر ومقاومته للتكثيف باختلاف المادة المقاومة المستخدمة. وتتوفر مستشعرات متينة ومقاومة للتكثيف بدقة تصل إلى ±3% من الرطوبة النسبية .

في أجهزة قياس الرطوبة الحرارية، يتم قياس التغير في الموصلية الحرارية للهواء نتيجة للرطوبة. تقيس هذه المجسات الرطوبة المطلقة بدلاً من الرطوبة النسبية. ^{[ 7 ]}

يستخلص مقياس الرطوبة الوزني الماء من الهواء (أو أي غاز آخر) ويزنه بشكل منفصل، على سبيل المثال عن طريق وزن مادة مجففة قبل وبعد امتصاصها للماء. كما تُقاس درجة حرارة وضغط وحجم الغاز الجاف الناتج، مما يوفر معلومات كافية لحساب كمية الماء لكل مول من الغاز. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

تُعتبر هذه الطريقة الأكثر دقة لقياس الرطوبة المطلقة ، وقد وُضعت معايير وطنية بناءً عليها في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي واليابان. مع ذلك، فإن صعوبة استخدام هذه الأجهزة تجعلها تُستخدم عادةً فقط لمعايرة أجهزة أقل دقة، تُسمى معايير النقل.

يقيس مقياس الرطوبة البصري امتصاص الماء في الهواء للضوء. ^{[ 10 ]} يتكون من باعث ضوئي وكاشف ضوئي، يفصل بينهما حجم من الهواء. ويشير توهين الضوء، كما يراه الكاشف، إلى نسبة الرطوبة ، وفقًا لقانون بير-لامبرت . ومن أنواعه: مقياس رطوبة ليمان-ألفا (باستخدام ضوء ليمان-ألفا المنبعث من الهيدروجين)، ومقياس رطوبة الكريبتون (باستخدام ضوء بطول موجي 123.58  نانومتر ينبعث من الكريبتون )، ومقياس رطوبة الامتصاص التفاضلي (باستخدام ضوء منبعث من ليزرين يعملان بأطوال موجية مختلفة، أحدهما يمتصه الماء والآخر لا).

يُعدّ معايرة موازين الحرارة المستخدمة بدقة أمرًا أساسيًا لتحديد الرطوبة بدقة باستخدام طريقة الترطيب والتجفيف. يجب حماية موازين الحرارة من الحرارة الإشعاعية، وتوفير تدفق هواء كافٍ فوق البصيلة الرطبة للحصول على أدق النتائج. اخترع أدولف ريتشارد أسمان (1845-1918) أحد أدق أنواع مقاييس الرطوبة ذات البصيلة الرطبة والجافة في أواخر القرن التاسع عشر؛ ^{[ 14 ]} ويُكتب اسم الجهاز عادةً في المراجع الإنجليزية "Assmann psychrometer". في هذا الجهاز، يُعلّق كل ميزان حرارة داخل أنبوب رأسي من المعدن المصقول، ويُعلّق هذا الأنبوب بدوره داخل أنبوب معدني ثانٍ ذي قطر أكبر قليلًا؛ تعمل هذه الأنابيب المزدوجة على عزل موازين الحرارة عن التسخين الإشعاعي. يُسحب الهواء عبر الأنابيب بواسطة مروحة تعمل بآلية ميكانيكية لضمان سرعة ثابتة (تستخدم بعض الإصدارات الحديثة مروحة كهربائية مزودة بتحكم إلكتروني في السرعة). ^{[ 15 ]} وفقًا لميدلتون، 1966، "النقطة الأساسية هي أن الهواء يُسحب بين الأنابيب متحدة المركز، وكذلك من خلال الأنبوب الداخلي." ^{[ 16 ]}

من الصعب للغاية، خاصة عند انخفاض الرطوبة النسبية، الحصول على أقصى انخفاض نظري لدرجة حرارة البصيلة الرطبة؛ وجدت دراسة أسترالية أجريت في أواخر التسعينيات أن مقاييس الحرارة ذات البصيلة الرطبة السائلة في الزجاج كانت أكثر دفئًا مما تنبأت به النظرية حتى عند اتخاذ احتياطات كبيرة؛ ^{[ 17 ]} يمكن أن يؤدي ذلك إلى قراءات لقيمة الرطوبة النسبية أعلى من 2 إلى 5 نقاط مئوية.

يُستخدم أحيانًا حلٌّ لقياس الرطوبة بدقة عندما تكون درجة حرارة الهواء أقل من درجة التجمد، وهو استخدام سخان كهربائي مُتحكَّم فيه حراريًا لرفع درجة حرارة الهواء الخارجي إلى ما فوق درجة التجمد. في هذا الترتيب، تسحب مروحة الهواء الخارجي عبر (1) مقياس حرارة لقياس درجة حرارة الهواء الجاف المحيط، (2) عنصر التسخين ، (3) مقياس حرارة ثانٍ لقياس درجة حرارة الهواء الجاف المُسخَّن، ثم أخيرًا (4) مقياس حرارة لقياس درجة حرارة الهواء الرطب. ووفقًا لدليل المنظمة العالمية للأرصاد الجوية ، "يكمن مبدأ عمل مقياس الرطوبة المُسخَّن في أن محتوى بخار الماء في كتلة الهواء لا يتغير عند تسخينها. ويمكن استغلال هذه الخاصية لصالح مقياس الرطوبة بتجنب الحاجة إلى الحفاظ على بصلة جليدية في ظروف التجمد". ^{[ 18 ] [ 19 ]}

بما أن رطوبة الهواء المحيط يتم حسابها بشكل غير مباشر من ثلاثة قياسات لدرجة الحرارة، فإن معايرة مقياس الحرارة بدقة في مثل هذا الجهاز تكون أكثر أهمية من معايرة مقياس الحرارة ذي البصيلتين.

قام باحثون عديدون ^{[ 20 ]} بدراسة استخدام محاليل الأملاح المشبعة لمعايرة أجهزة قياس الرطوبة. تتميز مخاليط شبه سائلة من بعض الأملاح النقية والماء المقطر بقدرتها على الحفاظ على رطوبة ثابتة تقريبًا في وعاء مغلق. فعلى سبيل المثال، يُعطي حمام من ملح الطعام المشبع ( كلوريد الصوديوم ) قراءة رطوبة تقارب 75%. أما الأملاح الأخرى فلها مستويات رطوبة توازن مختلفة: كلوريد الليثيوم ~11%، كلوريد المغنيسيوم ~33%، كربونات البوتاسيوم ~43%، وكبريتات البوتاسيوم ~97%. تتغير رطوبة محاليل الأملاح قليلاً بتغير درجة الحرارة، وقد تستغرق وقتًا طويلاً نسبيًا للوصول إلى حالة التوازن ، إلا أن سهولة استخدامها تُعوض إلى حد ما عن هذه العيوب في التطبيقات التي تتطلب دقة منخفضة، مثل فحص أجهزة قياس الرطوبة الميكانيكية والإلكترونية.