| 湿度と湿度測定 |
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| 具体的な概念 |
| 一般的な概念 |
| 対策と手段 |
湿度計は湿度、つまり水蒸気量を測定する機器です。[ 1 ]湿度測定機器は通常、温度、圧力、質量、そして水分を吸収した際の物質の機械的または電気的変化など、他の量の測定値に依存しています。校正と計算により、これらの測定量から湿度を示すことができます。現代の電子機器は、結露温度（露点と呼ばれる）を利用したり、電気容量や抵抗の変化を感知したりします。
一定の体積（飽和状態）に存在できる水蒸気の最大量は温度によって大きく変化します。低温では、高温よりも単位体積あたりに蒸気として存在できる水の質量が少なくなります。したがって、温度の変化は相対湿度を変化させます。
湿度計の原型は1480年にレオナルド・ダ・ヴィンチによって発明されました。1600年代には大きな改良が加えられ、フランチェスコ・フォッリがより実用的な装置を発明し、ロバート・フックは湿度計を含む多くの気象観測機器を改良しました。より現代的な装置は、1755年にスイスの博学者ヨハン・ハインリヒ・ランバートによって開発されました。その後、1783年にスイスの物理学者で地質学者のオラース・ベネディクト・ド・ソシュールが、伸ばした人間の髪の毛をセンサーとして用いる湿度計を発明しました。
17 世紀後半、一部の科学者は湿度測定器をhygroscopesと呼んでいました。この言葉は現在では使われていませんが、この言葉から派生したhygroscopicとhygroscopyは現在でも使われています。
古典的な湿度計
古代の湿度計
古代中国の殷王朝時代には、気象を研究するために簡素な湿度計が考案・開発されました。 [ 2 ]中国では木炭と土の塊を用いて、乾燥重量を測定し、空気中にさらした後の湿重量と比較しました。重量の差から湿度を算出しました。
湿度を測る際に質量を用いる他の技術も用いられた。例えば、空気が乾燥しているときは木炭の棒は軽く、空気が湿っているときは木炭の棒は重くなる。棒の片端に土塊を、もう片端に木炭を吊るし、中間の点に固定された吊り紐を結び、乾燥した空気中で棒を水平に保つことで、古代の湿度計が作られた。[ 3 ] [ 2 ]
金属紙コイル型
金属紙コイル式湿度計は、湿度の変化を目盛りで表示するのが非常に便利です。安価な機器に多く搭載されており、精度には限界があり、10%以上の変動があります。この機器では、金属コイルに取り付けられた塩を含浸させた紙片に水蒸気が吸収され、コイルの形状が変化します。この変化（バイメタル温度計における変化に類似）が目盛りに表示されます。通常、計器の前面には目盛りを指す金属製の針が付いています。
毛髪張力湿度計
これらの装置は、ある程度の張力をかけられた人間の毛または動物の毛を使用します（毛の代わりに鯨骨などの素材が使用される場合もあります）。毛は吸湿性（水分を保持する性質）があり、湿度に応じて長さが変化します。長さの変化は、機構によって拡大され、文字盤や目盛りに表示されます。スイスの物理学者で地質学者のオラース・ベネディクト・ド・ソシュールは、1783年に初めてこのような湿度計を開発しました。ウェザーハウスとして知られる伝統的な民芸品も、この原理を利用しています。
これは、図37 に示すように、長さ 8 インチまたは 10 インチ [20 cm または 25 cm] の人間の髪の毛 bc で構成され、一方の端がネジaに固定され、もう一方の端は滑車cに通され、絹糸と重りdによってしっかりと張られています。
— ジョン・ウィリアム・ドレイパー『化学の教科書』（1861年）
プーリーは目盛り（e）の上を移動するインデックスに接続されています。毛髪から油分を取り除くことで、機器の感度を高めることができます。例えば、毛髪をジエチルエーテルに浸すなどです。[ 4 ]
乾湿計（乾湿球温度計）
乾湿計、または乾湿球温度計は、2 つの校正済み温度計で構成されます。1 つは乾燥した状態で、もう 1 つは靴下または芯の上で蒸留水で湿らせた状態です。[ 5 ]水の凝固点以上の温度では、芯からの水の蒸発によって温度が下がり、湿球温度計の温度は乾球温度計の温度よりも低くなります。ただし、気温が氷点以下の場合は、正確さを保つために湿球を薄い氷で覆う必要があります。昇華熱の結果、湿球温度は最終的に乾球温度よりも低くなりますが、これに乾湿計を何分も使い続ける必要がある場合があります。
相対湿度（RH）は、乾球温度計で示される周囲温度と、湿球温度計と乾球温度計で示される温度差から計算されます。相対湿度は、乾湿線図上で湿球温度と乾球温度の交点を見つけることによっても測定できます。空気が完全に飽和状態にあるとき、乾球温度計と湿球温度計は一致し、その差が大きいほど空気は乾燥しています。乾湿線計は、気象学や、住宅用および業務用空調システムへの冷媒充填を適切に行うための暖房、換気、空調（HVAC）業界で広く使用されています。
スリング乾湿計
スリング乾湿計は、ハンドルに取り付けられた温度計を自由気流中で手動で回転させ、両方の温度が安定するまで回転させます。これは現場での測定に用いられることもありますが、より簡便な電子センサーに置き換えられつつあります。回転式乾湿計も同じ原理ですが、2つの温度計がラチェットやフットボールのラトルに似た装置に取り付けられています。
冷却鏡面露点湿度計
露点とは、一定圧力の湿った空気 (またはその他の水蒸気)のサンプルが水蒸気飽和に達する温度です。この飽和温度で、さらに冷却すると水が凝結します。冷却ミラー露点計は、一般に入手できる最も高精度な計測器の 1 つです。この計器では、冷却ミラーと光電子機構を使用してミラー表面の凝結を検出します。ミラーの温度は電子フィードバックによって制御され、蒸発と凝結の間の動的平衡が維持されるため、露点温度を正確に測定できます。このデバイスでは 0.2 °C の精度が達成可能で、これは一般的なオフィス環境での相対湿度の精度 ±1.2% 程度に相当します。古い冷却ミラーでは金属製のミラーが使用されており、洗浄と熟練した作業が必要でした。最近の冷却ミラーでは、日常的な洗浄を必要としない高度に研磨された表面が使用されています。
最近では、分光式冷却ミラーが導入されました。この方法では、分光光検出によって結露の性質を解明し、露点を測定します。この方法は、従来の冷却ミラーの多くの欠点を回避し、ドリフトフリーで動作可能です。
冷却鏡は、他の湿度計の校正における基準測定法として依然として用いられています。これは、凝縮物理学の核心に関わる第一原理的な性質に基づき、国際量体系（長さ、時間、物質量、電流、温度、光度、質量）の基本量の一つである温度を測定するためです。[ 6 ]
現代の湿度計
静電容量式
コスト、スペース、または壊れやすさが重要視される場合、精度は低くなりますが、他のタイプの電子センサーが使用されます。静電容量式湿度計は、湿度がポリマーまたは 金属酸化物の誘電率に及ぼす影響を測定します。校正済みの場合、相対湿度5%～95%における精度は±2% RHです。校正されていない場合は、この精度は2～3倍悪くなります。静電容量式センサーは結露や一時的な高温などの影響に対しては堅牢ですが、 [ 7 ]汚染、ドリフト、経年劣化の影響を受けます。しかしながら、多くの用途に適しています。
抵抗型
抵抗型湿度計では、湿度による材料の電気抵抗の変化を測定します。 [ 7 ]代表的な材料は塩と導電性ポリマーです。抵抗型センサーは容量型センサーよりも感度が低く、材料特性の変化が少ないため、より複雑な回路が必要になります。また、材料特性は湿度と温度の両方に依存する傾向があるため、実際にはセンサーを温度センサーと組み合わせる必要があります。精度と結露に対する堅牢性は、選択した抵抗材料によって異なります。堅牢で結露に強いセンサーは、最大±3% RH（相対湿度）の精度で使用できます。
サーマル
温湿度計は、湿度による空気の熱伝導率の変化を測定します。これらのセンサーは相対湿度ではなく絶対湿度を測定します。 [ 7 ]
重量法
重量式湿度計は、空気（またはその他の気体）から水分を抽出し、その重量を個別に測定します。例えば、乾燥剤を水分を吸収する前と吸収した後で重量を測定するなどです。得られた乾燥気体の温度、圧力、体積も測定され、気体1モルあたりの水分量を計算するのに十分な情報が得られます。[ 8 ] [ 9 ]
これは絶対湿度を測定する最も正確な主要な方法と考えられており、米国、英国、EU、日本ではこの方法に基づく国家標準が策定されています。しかし、このような機器の使用は不便であるため、通常はトランスファースタンダードと呼ばれる、精度の低い機器の校正にのみ使用されています。
光学
光学式湿度計は、空気中の水分による光の吸収を測定します。[ 10 ]発光素子と受光素子が、一定量の空気を挟んで配置されます。受光素子で観測される光の減衰は、ランベルト・ビールの法則に従って湿度を示します。光学式湿度計には、ライマンアルファ湿度計（水素から放出されるライマンアルファ光を使用）、クリプトン湿度計（クリプトンから放出される123.58 nmの光を使用）、示差吸収湿度計（異なる波長で動作する2つのレーザーから放出される光を使用。一方のレーザーは湿度に吸収され、もう一方のレーザーは湿度に吸収されない）などがあります。
アプリケーション
温室や工業施設以外にも、湿度計は一部の保育器、サウナ、ヒュミドール、博物館でも使用されています。また、ピアノ、ギター、バイオリン、ハープなど、不適切な湿度条件によって損傷する可能性のある木製楽器のケアにも使用されます。湿度計は消火活動において大きな役割を果たします。相対湿度が低いほど燃料が激しく燃える可能性があるためです。[ 11 ]住宅環境では、湿度計は湿度制御を補助するために使用されます（湿度が低すぎると人間の皮膚や体に損傷を与える可能性があり、湿度が高すぎるとカビやダニの繁殖を助長します）。湿度計は塗装業界でも使用されます。塗料やその他のコーティングの塗布は湿度と露点に非常に敏感であるためです。
正確な湿度測定の難しさ
湿度測定は、基礎計量学における最も難しい問題の一つです。WMOガイドによれば、「表に記載されている[湿度測定における]達成可能な精度は、適切に操作・保守された高品質の機器を用いた場合のものです。実際には、これらの精度を達成するのは容易ではありません。」2つの温度計を比較するには、断熱容器に入れた水（または水の氷点下の場合はアルコール）に両方を浸し、温度変化を最小限に抑えるために激しく撹拌します。高品質のガラス管温度計は、丁寧に扱えば数年間は安定した状態を保つことができます。湿度計は空気中で校正する必要があります。空気は水に比べて熱伝達効率がはるかに低く、多くの種類はドリフト[ 12 ]の影響を受けるため、定期的な再校正が必要です。さらに困難な点は、ほとんどの湿度計が水分の絶対量ではなく相対湿度を感知することです。しかし、相対湿度は温度と絶対水分量の両方の関数であるため、試験室内の空気中のわずかな温度変化が相対湿度の変化に変換されます。
寒冷多湿の環境では、毛髪、露点計、鏡、静電容量式センサ素子、あるいは吸引式乾湿計の乾球温度計など、センサヘッド上で氷が昇華する可能性があります。プローブ上の氷は、その温度における氷の飽和湿度、すなわち霜点と測定値を一致させます。しかしながら、従来の湿度計は霜点以下の温度では正しく測定することができず、この根本的な問題を回避する唯一の方法は、加熱式湿度プローブを使用することです。[ 13 ]
校正標準
乾湿計の校正
湿乾法による正確な湿度測定には、使用する温度計の正確な校正が不可欠です。最も正確な結果を得るには、温度計は放射熱から保護され、湿球上に十分な量の空気の流れがなければなりません。最も高精度な乾湿球乾湿計の一つは、19世紀後半にアドルフ・リチャード・アスマン（1845～1918年）によって発明されました。[ 14 ]英語の文献では、この装置は通常「Assmann psychrometer」と表記されます。この装置では、各温度計は研磨された金属製の垂直管内に吊り下げられており、その管はさらに直径がわずかに大きい別の金属管内に吊り下げられています。これらの二重管は、温度計を放射熱から遮断する役割を果たします。空気は、一定の速度を保つために時計仕掛けの機構で駆動されるファンによって管内を吸引されます（一部の最新版では、電子速度制御付きの電動ファンが使用されています）。[ 15 ]ミドルトン（1966）によれば、「重要な点は、同心円状のチューブの間だけでなく、内側のチューブからも空気が吸い込まれるということだ。」[ 16 ]
特に相対湿度が低い場合、湿球温度の理論的な最大低下を得るのは非常に困難です。1990年代後半のオーストラリアの研究では、ガラス管内液体湿球温度計は、かなりの予防措置を講じた場合でも、理論予測よりも高温になることがわかりました。[ 17 ]これにより、RH値の読み取り値が2～5パーセントポイント高くなる可能性があります。
気温が氷点下の場合に湿度を正確に測定するために、サーモスタット制御の電気ヒーターを用いて外気温度を氷点以上に上げる方法が用いられることがあります。この方法では、ファンが外気を吸い込み、(1) 周囲の乾球温度を測定する温度計、(2)加熱素子、(3) 加熱された空気の乾球温度を測定する2つ目の温度計、そして最後に(4) 湿球温度計を通過します。世界気象機関（WMO）のガイドによると、「加熱乾球計の原理は、空気塊の水蒸気含有量は加熱されても変化しないというものです。この特性は、凍結条件下で氷球を維持する必要性を回避することで、乾球計の利点として活用できます。」[ 18 ] [ 19 ]
周囲の空気の湿度は 3 つの温度測定値から間接的に計算されるため、このようなデバイスでは、2 つのバルブ構成の場合よりも正確な温度計の校正がさらに重要になります。
飽和塩の校正
様々な研究者[ 20 ]が湿度計の校正に飽和食塩水の使用を調査してきました。特定の純粋な塩と蒸留水のシャーベット状の混合物は、密閉容器内でほぼ一定の湿度を維持するという特性があります。飽和食塩(塩化ナトリウム) 浴では、最終的に約 75% の湿度を示します。他の塩では平衡湿度レベルが異なります。塩化リチウム~11%、塩化マグネシウム~33%、炭酸カリウム~43%、硫酸カリウム~97% です。食塩水は温度によって湿度が多少変化し、平衡に達するまでに比較的長い時間がかかりますが、機械式および電子式湿度計のチェックなどの低精度の用途では、その使いやすさからこれらの欠点をある程度補うことができます。
参照
参考文献
- ^これは、液体の水も測定対象に含まれる土壌などの非気体の水分含有量の測定とは異なります
- ^ a bリチャード・ハンブリン（2010年）『雲の発明：アマチュア気象学者が空の言語をいかにして生み出したか』パン・マクミラン（2010年6月4日発行） 16～ 17頁 。ISBN 978-0-330-39195-5。
- ^セリン、ヘレイン（2008年）『非西洋文化における科学技術医学史百科事典』（第2版）シュプリンガー（2008年4月16日発行）p. 736. ISBN 978-1-4020-4559-2。
- ^ドレイパー、ジョン・ウィリアム (1861). 『化学の教科書』 ハーパー・アンド・ブラザーズ p. 55 .
- ^ Gorse, C.; Johnston, D.; Pritchard, M. (2012). 『建設・測量・土木工学辞典』 . オックスフォード・クイック・リファレンス. OUP Oxford. p. 960. ISBN 978-0-19-104494-6. 2018年9月13日閲覧。
- ^ 「SI単位」 NIST 2010年4月12日。
- ^ a b c D.K. Roveti.湿度センサーの選択：3つの技術のレビュー、Sensors Magazine (2001)。
- ^ 「NIST湿度標準の検証および湿度特性の研究のためのNIST重量式湿度計」アメリカ国立標準技術研究所（NIST）2013年5月20日。 2023年2月16日閲覧。
- ^ Wexler, Arnold; Hyland, Richard W. (1964年5月1日). 「NBS標準湿度計」 . www.nist.gov . 国立標準技術局. 2017年7月21日閲覧。
- ^ 「スペクトル湿度計 - AMS用語集」glossary.ametsoc.org . 2019年1月16日閲覧。
- ^湿度は消火活動にどのような影響を与えるのでしょうか?
- ^追いかけるアーカイブ 2008年5月9日、 Wayback Machine
- ^ Makkonen, Lasse; Laakso, Timo (2005). 「寒冷・多湿環境における湿度測定」.境界層気象学. 116 (1): 131– 147. Bibcode : 2005BoLMe.116..131M . doi : 10.1007/s10546-004-7955-y . S2CID 122407569 .
- ^「アスマン、アドルフ・リチャードArchived 2011-06-16 at the Wayback Machine」by Guido Heinrich
- ^「スミソニアン歴史技術博物館所蔵気象計器カタログ」WEノウルズ・ミドルトン編
- ^温度計の歴史ISBN 0-8018-7153-0WEノウルズ・ミドルトン著、ジョンズ・ホプキンス・プレス、1966年
- ^ J. Warne、「RTDと温度計の設計が湿球・乾球相対湿度測定に及ぼす実際的影響」メルボルン気象局（1998年）。
- ^世界気象機関（WMO）（2008年）「気象観測機器及び観測方法に関するWMOガイド」WMO-No. 8（第7版、2008年）、第4章：湿度の測定、第4.2.5節：加熱乾湿計（PDFの101ページを参照）（PDF）。ジュネーブ：世界気象機関。681ページ。 2023年10月21日閲覧。
1950年に初版が発行されたこのガイドの廃止版。
- ^世界気象機関（WMO）（2021年）。WMO観測機器・観測方法ガイド。WMO-No. 8.（第8版、2021年）、第1巻 – 気象変数の測定、第4章：湿度の測定、第4.3節：乾湿計（PDFの167ページを参照）。ジュネーブ：世界気象機関。1389ページ。ISBN 978-92-63-10008-52023年10月21日閲覧。
このガイドの初版は1950年に出版された。
- ^湿度計の塩分校正
外部リンク
