湿度計

湿度計は、空気またはその他の気体の湿度、つまり水蒸気の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、水分が吸収されたときの物質の機械的または電気的変化など、他のいくつかの量の測定値に依存しています。校正と計算により、これらの測定された量を使用して湿度を示すことができます。現代の電子機器は、結露の温度（露点と呼ばれる）を使用するか、電気容量または抵抗の変化を感知します。

一定量の空気中に存在できる水蒸気の最大量（飽和）は、温度によって大きく異なります。冷たい空気は、熱い空気よりも単位体積あたりに含まれる水の質量が少なくなります。したがって、温度が変化すると湿度も変化します。

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 年代には大幅な改良が行われ、フランチェスコフォッリはより実用的なバージョンの装置を発明し、ロバートフックは湿度計を含む多くの気象装置を改良しました。より現代的なバージョンは、1755 年にスイスの博学者ヨハンハインリッヒランバートによって作成されました。その後、1783 年にスイスの物理学者で地質学者のホレスベネディクトドソシュールは、伸ばした人間の髪の毛をセンサーとして使用す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hygroscope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およびhygroscopy は現在でも使用されています。

古典的な湿度計

古代の湿度計

古代中国の商王朝時代には、気象を研究するために、原始的な湿度計が考案され、開発されました。 ^[2]中国人は木炭の棒と土の塊を使い、その乾燥重量を測り、空気中にさらした後の湿った重量と比較しました。重量の差から湿度を算出しました。

湿度を測るために質量を利用する他の技術も適用された。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。棒の一方の端に土の塊を、もう一方の端に木炭の棒を吊るし、中間点に固定された吊り紐を取り付けて乾燥した空気中で棒を水平にすることで、古代の湿度計が作られた。^[3]^[2]

金属紙コイルタイプ

金属紙コイル湿度計は、湿度の変化をダイヤルで表示するのに最適です。安価な機器によく見られ、精度は限られており、10% 以上の変動があります。これらの機器では、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。これらの変化 (バイメタル温度計の変化に類似) によってダイヤルが表示されます。通常、ゲージの前面には金属の針があり、それが指す位置が変わります。

毛髪張力湿度計

これらの装置は、ある程度の張力のかかった人間の毛または動物の毛を使用します。（毛の代わりに鯨骨やその他の材料が使用される場合もあります。）毛は吸湿性（水分を保持する傾向がある）があり、湿度によって長さが変わります。長さの変化はメカニズムによって拡大され、文字盤または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レス・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作成しました。ウェザーハウスとして知られる伝統的な民芸品も、この原理に基づいています。

これは、図37に示すように、長さ8または10インチ[20または25cm]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）

プーリーは目盛りの付いた目盛りの上を動くインデックスに接続されています（e）。毛髪をジエチルエーテルに浸すなどして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。^[4]

乾湿計（乾湿球温度計）

乾湿計、または湿球乾球温度計は、2つの校正済み温度計で構成され、1つは乾燥しており、もう1つは靴下または芯に蒸留水を入れて湿らせた状態になっています。^[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、湿球温度計は乾球温度計よりも低温になります。ただし、気温が氷点下のときは、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、乾湿球温度図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決定できます。空気が完全に飽和すると、乾球温度計と湿球温度計は一致し、差が大きいほど空気は乾燥しています。乾湿計は、気象学や、住宅用および業務用の空調システムに冷媒を適切に充填するための暖房、換気、空調(HVAC) 業界でよく使用されます。

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、両方の温度が安定するまで自由気流の中で手動で回転させます。これは、現場での測定に使用されることもありますが、より便利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または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、水が凝縮します。冷却ミラー露点湿度計は、一般的に入手できる機器の中で最も精密なものです。冷却ミラーと光電子機構を使用して、ミラー表面の結露を検出します。ミラーの温度は電子フィードバックによって制御され、蒸発と結露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。これらのデバイスでは 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% 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、清掃と熟練した作業が必要でした。新しい冷却ミラーでは、定期的な清掃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、分光冷却ミラーが導入されました。この方法を使用すると、分光光検出によって結露の性質を確かめ、露点が決定されます。この方法は、以前の冷却ミラーの多くの落とし穴を回避し、ドリフトなしで動作できます。

冷却鏡は、他の湿度計の校正のための基準測定法として今も使われています。これは、冷却鏡が凝縮物理学の中核を担う第一原理の性質を持ち、国際数量体系（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な場合は、精度が低くなるという代償を払って、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、ポリマーまたは金属酸化物の誘電率に対する湿度の影響を測定します。校正されている場合、相対湿度5%〜95%での精度は±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堅牢ですが、 ^[7]汚染、ドリフト、および経年変化の影響を受けます。ただし、多くの用途に適しています。

抵抗性

抵抗性湿度計では、湿度による材料の電気抵抗の変化を測定します。 ^{[7]一般的な材料は}塩と導電性ポリマーです。抵抗性センサーは静電容量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。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）の精度で存在します。

サーマル

熱湿度計では、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（または他のガス）から水分を抽出し、それを別々に計量します。たとえば、乾燥剤を水分を吸収する前と吸収した後で計量します。得られた乾燥ガスの温度、圧力、体積も測定され、ガス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であると考えられており^[要出典]、米国、英国、EU、日本でこれに基づいた国家標準が開発されています。ただし、このようなデバイスを使用するのは不便であるため、通常はトランスファー標準と呼ばれる精度の低い機器の校正にのみ使用されます。

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]発光素子と光検出器は、その間にある量の空気を挟んで配置されます。検出器が観測する光の減衰は、ランベルト・ビールの法則に従って湿度を示します。その種類には、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（湿度によって吸収される波長と吸収されない波長の異なる2つのレーザーから放出される光を使用）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、湿度計はインキュベーター、サウナ、ヒュミドール、博物館でも使用されています。また、不適切な湿度条件によって損傷を受ける可能性のあるピアノ、ギター、バイオリン、ハープなどの木製楽器のケアにも使用されます。相対湿度が低いほど燃料が激しく燃えるため、湿度計は消火に大きな役割を果たします。^[11]住宅環境では、湿度計は湿度制御を支援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が損傷する可能性があり、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 1 つです。WMOガイドによると、「表に記載されている [湿度測定の] 達成可能な精度は、適切に操作および保守された高品質の機器に関するものです。実際には、これ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、両方を断熱容器の水 (または水の氷点下の温度の場合はアルコール) に浸し、激しくかき混ぜて温度変化を最小限に抑えます。高品質のガラス内液体温度計は、慎重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。空気は水よりも熱伝達効率がはるかに低く、多くのタイプはドリフト^[12]の影響を受けやすいため、定期的に再校正する必要があります。さらに難しいのは、ほとんどの湿度計は存在する水の絶対量ではなく相対湿度を感知しますが、相対湿度は温度と絶対水分量の両方の関数であるため、テストチャンバー内の空気中の小さな温度変化が相対湿度の変化に変換されることです。

寒くて湿度の高い環境では、毛髪、露点セル、鏡、静電容量感知素子、吸引乾湿計の乾球温度計など、センサーヘッド上で氷の昇華が起こる可能性があります。プローブ上の氷は、その温度での氷の飽和湿度、つまり霜点と測定値を一致させます。しかし、従来の湿度計は霜点以下では適切に測定できず、この根本的な問題を回避する唯一の方法は、加熱湿度プローブを使用することです。^[13]

校正基準

乾湿計の校正

湿式乾式法による湿度の正確な測定には、使用する温度計の正確な較正が不可欠です。最も正確な結果を得るには、温度計を放射熱から保護し、湿球上に十分な空気の流れを確保する必要があります。最も正確なタイプの湿式乾球乾湿計は、19 世紀後半にアドルフリチャードアスマン(1845–1918) 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「アスマンサイクロメーター」と表記されています。この装置では、各温度計は磨かれた金属の垂直チューブ内に吊り下げられ、そのチューブは、わずかに直径が大きい 2 番目の金属チューブ内に吊り下げられています。これらの二重チューブは、温度計を放射熱から隔離する役割を果たします。空気は、一定の速度を確保するために時計仕掛けのメカニズムで駆動されるファンによってチューブに引き込まれます (一部の最新バージョンでは、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年）によれば、「重要な点は、空気が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、相対湿度の測定値が2～5パーセントポイント高くなる可能性があります。

気温が氷点下のときに湿度を正確に測定するために時々使用される解決策の 1 つは、サーモスタット制御の電気ヒーターを使用して外気の温度を氷点以上に上げることです。この配置では、ファンが外気を (1) 周囲の乾球温度を測定する温度計、(2)加熱要素、(3) 加熱された空気の乾球温度を測定する 2 番目の温度計、そして最後に (4) 湿球温度計の順に通過させます。世界気象機関のガイドによると、「加熱乾湿計の原理は、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、乾湿計の利点として活用できます。」とされています。^[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。

飽和塩分較正

様々な研究者^[20]が湿度計の校正に飽和塩溶液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% の測定値が得られます。他の塩には、他の平衡湿度レベルがあります。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。塩溶液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、使いやすさがこれらの欠点をある程度補います。

参照

参考文献

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^ 湿度計の塩分校正

外部リンク

IMA水分測定トレーニングサイト
USATODAY.com: スリング乾湿計の仕組み
湿度校正に関するNISTのページ
湿度校正の難しさに関する記事
RHセンサーに関する記事
極低温冷却鏡霜点湿度計の NOAA ホームページ

[1] 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を測定することとは異なります。

[Hamblyn_2010_16–17-2] ハンブリン、リチャード（2010年）。『雲の発明：アマチュア気象学者がいかにして空の言語を編み出したか』パン・マクミラン（2010年6月4日発行）。16～17ページ。ISBN 978-0-330-39195-5。

[3] セリン、ヘレイン（2008年）。『非西洋文化における科学、技術、医学の歴史百科事典（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。

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[11] 湿度は消火活動にどのような影響を与えますか?

[12] キャッチ・ザ・ドリフトアーカイブ 2008年5月9日、Wayback Machine

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[20] 湿度計の塩分校正