カテゴリー: 極める湿度

実は湿度というものの原点は飽和水蒸気圧表なのです。

これは湿度－測定方法(JIS Z 8806)で入手できます。

よく相対湿度から絶対温度を計算する式が欲しいと聞かれますが、

これらの式は近似式も多くこの表を使うのが一番のお薦めなんですね。

 

例として室内が温度２３．２℃、相対湿度４５％と仮定して説明しましょう。

 

今回はこの表を使って温度と相対湿度から露点温度を求める方法を書きたいと思います。

相対湿度を求める式は・・・　　　U＝e/es × １００

Ｕ:相対湿度(％)　e：水蒸気圧（Pa） es：飽和水蒸気圧（Pa）

これを頭に入れてご覧下さい。

仮に温度２３．２℃の時の飽和水蒸気圧を表から見つけます。

この表では縦軸が小数点以上の温度。

横軸が小数点以下の温度となっています。

したがって縦軸で２３、横軸で２の飽和蒸気圧を見るんですね。

答え・・・２８４５．２Paが飽和水蒸気圧となります。

 

次に湿度を４５％と仮に設定します。

飽和水蒸気圧は相対湿度１００％となるので、

相対湿度の式から４５％の水蒸気圧を逆算します。

これで１２８０．３Paが求められます。

そうです・・・相対湿度は意外に難しいのですよ。

 

今度は飽和水蒸気圧表から露点温度を求める作業をします。

これは簡単ですね。

１２８０．３Paに一番近い数字を表から探すだけなのです。

１２７８．４Paが近いのですが一致することはめったにありません。

もう少し正確にする場合は隣の１２８６．９Paと比の計算をします。（参考）

ここで温度を読んでください。

縦軸が１０℃、横軸が．６℃となり１０．６℃が露点温度になります。

 

この露点温度をビールの温度でイメージすると・・・

ビールをコップに注ぐとコップの周りに結露が生じます。

これがコップの表面温度が１０．６℃以下になると結露が始まるという意味なんですね。

以上が温度・湿度・露点温度の関係でありました。

 

まあ、基本ビールは１０℃以下が美味しいので、

こんな表現をしてみたのです。

湿度計はいろいろな種類があります。

ハンディタイプ、データロガ、変換器等々。

でも、これは湿度をどのように計るか・処理するかの方法の事なんですね。

やはり、一番重要なのは湿度センサなのです。

 

湿度センサにはいくつかの原理があってそれぞれに特長やクセがあります。

もちろん測定データにも影響することだと思います。

ここでその種類を紹介すると共に・・・

湿度計の正しい選び方を紹介しましょう！

 

湿度センサを大きく分けると高分子抵抗式（左）と高分子静電容量式（右）の２種類に分類されます。

現在、世界的に主流なのは高分子静電容量式になっていますが、

シェアは少しだけ少ないですが高分子抵抗式にも優れた特性があります。

 

共に湿分を吸湿、脱湿する感湿材を使用し、電極間を橋渡ししている構造になっています。

その電気信号を電気抵抗で捉えるのが高分子抵抗式湿度センサ。

その電気信号を電気容量で捉えるのが高分子静電容量式湿度センサなのです。

【電気抵抗式】
・構造が簡単で、大量生産ができ、また、比較的安価である。
・電気抵抗を測定するためにノイズに強い。その為にセンサ部を
小型化する事ができ、センサケーブルも細くすることが可能。
・原理上１０～２０％以下が測定が出来ない。

【静電容量式】
・応答速度が早い。
・高温・低温度域での使用が可能。
・低湿度測定に優れる。
・静電容量を測定するためノイズに弱い。したがってシールド性が必要で
ケーブルなども太い。

大まかにこんな特長があります。

 

ただし・・・ここに大きな落とし穴があるのです。

基本になるセンサの性能は良くても、

後処理の電気回路のポテンシャルにより性能が決まります。

やはり、同じセンサを使用しても安価なものは低いですし、

高額な物は性能が高いのです。

 

さらに湿度計メーカーが校正に使用する湿度発生装置のグレードにも左右されます。

このアウトドア科学研究所の母体である㈱第一科学は、

国内のほとんどの湿度計メーカーに校正用の湿度発生装置を出荷しているので・・・

それをよく知っているのですね。

ちょっと話はそれてしまいますが高分子抵抗式湿度センサのお勧めを紹介します。

製造会社は神栄テクノロジー社。

ノイズに強い特性を活かしセンサヘッドも小さくケーブルも柔軟な湿度センサ。

実験などにはとても重宝するので私もよく使います。

これはとても使いやすいので興味ある方はこちらをご覧下さい。

かなりマニアな話ですが湿度センサだけでなく一緒に搭載されている温度センサも重要です。

こちらは残念なことに廃番になってしまいましたが湿度計の名作TRH-CA。

これも製造会社は神栄テクノロジー社。

左側の写真で白いのが湿度センサで右側の小さな玉が温度センサです。

実はメーカーのこだわりは温度センサーの脚の長さにあるんですね。

温度センサの脚を長くすることで早く空気温度が計測できるノウハウです。

これはスイスのロトロニック社の温湿度センサ。

私の知る限りでは湿度計では現在１番良いのではないでしょうか・・・

こちらは基板を先端まで伸ばしそこに温度センサを付けています。

これで温度応答性を高める工夫がしてあるのです。

最近のほとんどの湿度計にはこのような工夫がされていないのが実情であります。　（残念

さて、まだあまり知られていない湿度センサがMEMS湿度センサと言われているものです。

まさに画期的な湿度センサなのですね。

感湿部は高分子静電容量式湿度センサですが、

センサだけでなく電気回路も湿度センサチップに搭載されているものです。

ウィキを検索すると・・・

｢MEMS/Micro Electro Mechanical Systemsは、
機械要素部品、センサ、 アクチュエータ、電子回路を
一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に集積化したデバイスを指す。｣

と書いてあります。

 

MEMS湿度センサの特長は・・・

【MEMS湿度センサ】
・出力はデジタル・アナログで湿度値を直接出力
・大きさは２mm～と非常に小さい。
・感湿部が数１０μオーダーなので応答性が非常に早い。
・回路が含まれているために使用温度域は広くない。
・大量生産が出来る。

すでに自動車、携帯電話、パソコン周辺機器に組み込まれていますが、

計測器にはこれから期待されるセンサだと思っています。

相対湿度で管理している分野で静電気がわかり易いと思います。

左軸の帯電位が大きければ静電破壊が起こる可能性が高いのですね。

ここで下軸の相対湿度によって大きく変わるのがわかるとおもいます。

つまり・・・相対湿度４３％ rh以下になると帯電位が上がり

深刻な静電気が発生するのです。

いろいろな工場を見て来たのですが、

静電対策に除去マットや静電気除去装置を採用しています。

ところが加湿器などを採用する企業さんは少ない気がするのですよ。

これは・・・大がかりになってしまう背景があるからだと思います。

 

ちなみに湿度が下がるのは基本冬が多いのです。

理由としては上空の寒気団が－４０℃だとすると、

その時の湿度は非常に乾燥しています。（霜点温度－４０℃以下）

これが地上に降りてくる為だと考えています。

 

研究室や工場などで静電気対策を進める場合、

お勧めなのが部分加湿であります。

発熱部分があると1℃温度が上昇すると湿度が３％ rh下がる原理から・・・

局部的に湿度は４３％ rhを下回る為に静電気発生が起こります。

逆に発熱する部分が分かりその部分だけ加湿してあげれば静電気リスクが下がると言うことですね。

 

冬と言えばインフルエンザが問題になります。

これがまた相対湿度の管理で対応が出来るのです。

室内環境(湿度と温度)によるインフルエンザウイルスの生存率のグラフです。

これを見ると明らかに高湿の方が生存率が劇的に低くなるのが分かります。

 

ただし・・・温度も高く湿度も高いと低くなることから・・・

絶対湿度でも管理できる気がします。

相対湿度と絶対湿度にはこのような側面もあるんですね。

 

カビも相対湿度での関連性が高いものです。

これはかなり古い文献からの引用になっています。

グラフから静電気・ウイルスとは逆に高湿時に発生しやすくなる特性が分かります。

つまり・・・夏場と梅雨場に問題が発生するのです。

アレルギー反応を誘発することから除湿が重要な世界でもあります。

また、目で見える場所だけでなく室内の壁紙の裏側などにも発生する為、

ここは注意が必要ですね。

 

カビ写真引用　食品衛生の窓のＨＰはこちら

 

相対湿度と絶対湿度。

このどちらかの単位を仕事に使うことで結果は変わります。

ほとんどの方が相対湿度が気になるとは思うのですが、

産業や工業では絶対湿度の方が重要なのです。

ここで１度・・・湿度の歴史を見てみましょう。

そこに何かヒントがあるかもしれません。

 

湿度の歴史は古く・・・

紀元前に古代中国で発明されています。

｢羽毛と炭を天びんにかけ燥湿の気を知る｣となっていますが、

これは｢水を弾く羽毛と多孔質構造の炭を天びんにかけ乾燥と湿気の大気を調べる｣になりますかね。

 

８０年後には土と灰に代わり・・・

１５００年後にはイタリアでは海綿に姿を変えています。

 

この方式にはレオナルドダビンチも発明しています。

こちらの絵はアトランティコ手稿より引用しました。

 

ここまではほぼ相対湿度と呼べる湿度計の原点ですが、

１７５１年ル・ロイにより露点計の原点が発明されています。

絶対湿度はこの時誕生したものと考えても良いかもしれません。

 

１７７２年にドイツのランベルトが物質の伸縮式で湿度計を発明しました。

これが現在でも使われている毛髪式自記温湿度計の原点になります。

 

１８１５年にゲイ・ルサックにより乾湿球による湿度計が発明されています。

これもアスマン通風乾湿計の原点ですね。

 

日本も負けていません。

１８７１年に清水金左右衛門が物質のねじれを利用した湿度計を発明しています。

これは現在ではバイメタル式湿度計として一番普及しているものです。

不思議なもので・・・ル・ロイの発明した露点計以外がすべて相対湿度計なのですね。

 

私見ですがこの理由として人間が感じる湿度が相対湿度だからだと思います。

人間は発汗するために蒸発潜熱による皮膚表面の温度低下を感じることが出来ます。

これは体の仕組みとして乾湿球による湿度計を持っているとも言えますね。

この為に広く相対湿度が普及したのではないのでしょうか？

 

相対湿度と絶対湿度はどちらを採用するべきか?

絶対湿度という単位がよく使われるようになったのはつい最近のことです。

絶対湿度は・・・

・単一の物理単位なので国際的なものさしとして使用が出来る。
・比較的高精度・高価な計測器になる。
・絶対値なので生産管理などに効果的。

この他に・・・

・エネルギーなどの熱効率では使用される。
・空気以外のガスなどの水分量も絶対湿度。
・炉のなどで使われる各種化学反応にも応用される。

 

つまり、相対湿度はまさに歴史を感じる単位であり、

絶対湿度は今風のお洒落な現代の単位なんですね（笑

では、どのようにつきあえば良いかは次の記事で紹介いたしましょう。

 

相対湿度も絶対湿度も計れる私の1番お薦めの温湿度計がこちら→計測用温湿度センサ

温度と相対湿度から結露をする温度(露点温度)を計算することが出来ます。

基本的に飽和水蒸気圧表から求めるのですが、

今回もバッタさんを使って説明したいと思います。

 

ここで一番重要なことは・・・

温度が変化することが必須となることです。

温度によって水に砂糖が溶ける限界量(飽和)が変わることはご存じですか？

これと同じ現象が空気と湿度でも起こるのです。

 

まずはバッタさん登場！

 

 

この箱の中にバッタさんが５０匹おります。

この時の温湿度条件が２５℃／５０％ｒｈと仮定をすると・・・

箱の中にはまだ５０匹のバッタさんを入れることが出来るのですね。

もうこれ以上入らない／相対湿度１００％ｒｈの状態の時を飽和状態。

動き回るバッタさんが圧力センサに当たることで生じる圧力を飽和水蒸気圧と呼びます。

 

さて、この箱の温度を下げていくと箱の中に入れるバッタさんの数は減っていきます。

目安としては温度が一度下がる毎に湿度は約３％ｒｈ上昇する関係です。(かなり大ざっぱ)

２５℃／５０％ｒｈの条件時の露点温度は飽和水蒸気圧表から約１３．９℃ＤＰなので、

この箱の温度をそこまで下げていくと相対湿度１００％ｒｈの状態になります。

 

ここでさらに下げていくとどうなるのでしょうか？

こちらの絵がその状態です。

 

 

箱の中には３０匹のバッタさんと水になってしまったバッタさんが２０匹。

バッタさんの絶対値は５０匹と変わらないのですが、

結露水として箱の中に存在する状態です。

 

同じように２５℃／３０％ｒｈの条件時の露点温度は飽和水蒸気圧表から・・・

約６．２℃ＤＰとなり箱の温度が６．２℃と推測できます。

この時の飽和水蒸気圧という考えで見てみると・・・

２５℃／１００％ｒｈの条件時の水蒸気圧は３１６７Ｐa

２５℃／５０％ｒｈの条件時の水蒸気圧は
３１６７Ｐa × ０．５＝１５８４Ｐa

２５℃／３０％ｒｈの条件時の水蒸気圧は
３１６７Ｐa × ０．３＝９５０Ｐa

となります。

 

ちなみにここからはマニアの方のみ読んでくださいませ。

この時の絶対湿度という考えで見てみると・・・

２５℃／１００％ｒｈの条件時の絶対湿度は２３g/m3

２５℃／５０％ｒｈの条件時の絶対湿度は
２３g/m3 × ０．５＝１１．５g/m3

２５℃／３０％ｒｈの条件時の水蒸気圧は
２３g/m3 × ０．３＝６．９g/m3

となります。

 

絶対湿度は複雑な計算式から求められるのが一般概念ですが、

この絵から想像すると相対湿度との関係も意外と簡単に求められます。

ちなみにバッタさんの体重は０．２３ｇ（１匹）ですかね（笑

 

こちらは温度と相対湿度から露点温度を求めた露点温度換算表です。

意外に手に入らない表なのでどうか使ってみてください。

 

縦軸が温度で横軸が相対湿度です。

最近の精度の良い湿度計には露点温度も表示する機能があるので、

使うのであればこのような製品がおすすめです。

まず、一つの容器をイメージして下さい。

今、この容器の半分の位置まで水が入っているとします。

この状態を相対湿度で表現してみると・・・

この容器の容積を１００とした場合、水の占める割合は５０・・・

つまり半分となります。

従って、相対湿度は５０%ｒｈとなります。

 

 

ここで、この容器に入れられている水を別の容器に移し替えていきます。

はじめの例に従って、各々［A］～［C］の状態を相対湿度で表現してみました。

 

［A］は容器の全体容積100に対し、水の容積は 50… 50%rh

［B］は容器の全体容積100に対し、水の容積は 75… 75%rh

［C］は容器の全体容積100に対し、水の容積は 100…100%rh

 

ここで言う容器、水とは何を表すものでしょうか。

湿度を表現する場合、前に述べたように水蒸気圧と考えます。

ある決められた容器の中の水蒸気圧がどれくらいあるのか、

その水蒸気圧がどの容器の大きさで飽和状態となるのか…ということです。

これが｢湿度あれこれ｣で述べられている説明文です。

 

相対湿度の計算式は次の通りですが、

Ｕ(相対湿度)＝e/es × １００

e：水蒸気圧（Pa） es：飽和水蒸気圧（Pa）

単位が圧力なので・・・

水であらわす説明方法では直結しにくいのではないかと思います。

 

そこで新しい表現の絵を描いてみました。

ここでバッタさんが登場します。

 

 

水の分子をバッタさんに例えて説明しましょう。

一つの容器の中にこれ以上バッタさんが入らない状態を飽和と言います。

（砂糖が水にこれ以上溶けない状態を飽和という）

今回は１００匹を飽和状態とすると・・・

この状態が湿度１００％ｒｈになるわけです。

 

水の分子は活発に飛び回っているので、

同様に圧力センサにバッタさんが衝突し圧力値として指示できます。

この圧力の値は容器内のバッタさんが何匹かで比例するのですね。

 

こちらは５０匹の例。

計算式で表すと・・・

５０％(相対湿度)＝e/es × １００

e：バッタさん５０匹の時の圧力指示値
es：飽和状態のバッタさん１００匹の時の圧力指示値

こちらは２０匹の例。

計算式で表すと・・・

２０％(相対湿度)＝e/es × １００

e：バッタさん２０匹の時の圧力指示値
es：飽和状態のバッタさん１００匹の時の圧力指示値

 

なんとなく水蒸気圧力と相対湿度の関係が分かって頂けたでしょうか？

絵で見ると２０％はずいぶん少なく感じます。

ちなみに相対湿度は通常％で表します。

他の％と併記して書くときに％ｒｈを使うのが一般的でした。

 

よく湿度は難しい／奥が深いという言葉を耳にします。

それはどうしてでしょう？

基礎物理単位でよく使うのは℃／Ｐａ／ｍ／Ｋｇ等たくさんあるのですが、

どれも基本単独で使える単位であります。

湿度の代表的な種類が上図なのですが、

湿度は単位から見てもたくさんあるのですね。

 

相対湿度 Relative Humidity・・・％
（他の単位と混合して使用する場合、％ｒｈを使用するときもあります。)

絶対湿度 Absolute Humidity・・・g/m3

飽和水蒸気圧 Pressure of satulated water vapor・・・Ｐａ
おっと湿度なのに圧力の単位で表しています。

 

混合比 Humidity Mixing Ratio・・・kg/kg

露点／霜点 Dew Point／Frost point・・・℃

 

今度は質量と温度の単位で湿度を表すのですね。

 

この他にも業界単位で使う変わったものもあるのですが、

湿度の単位は「大気中における」という定義がベースになっています。

ところが最近では不活性ガス中でも水分単位を用いるので・・・

水分＞湿度というように広域的な意味合いで水分計測という言葉を使う機会が多くなりました。

 

さて、この地球の大気を分子・原子で表してみましょう。

このキャラクターの漫画を書くために時間がかかりブログ更新が遅れたのですよ（笑

大気の成分の大半は窒素ですね。　Ｎ_２→７８％

お次は酸素です。　Ｏ_２→２１％

その次がアルゴンさん。　Ａｒ→１％弱

水分は０～４％という感じで変動します。

それを１００匹に例えて昆虫で表してみました。

 

湿度を足すと１００％（１００匹）を越えてしまうので・・・

イメージとしては水の分子はその他の分子の隙間に溶け込むような感じで捉えると良いと思います。

これもまた湿度が難解だという｢根っこ｣になっています。

 

あれ？・・・温暖化が問題の二酸化炭素が抜けています。

実は二酸化炭素の割合は０．０４％。

昔は０．０２％程度でありました。

当然１００匹の絵では描き込むことが出来ません。

１０．０００匹の絵を描けば４匹書き込むことが出来ます。

この小さな割合の変化が重要な環境問題になるのですから、

地球という惑星はとってもデリケートだと言えるのです。

 

さて、もう一度この絵を見てください。

上に圧力計を付けています。

実は昆虫で分子を表したのには訳があります。

つまり気体中で分子は運動・移動をしているので、

圧力センサ部に昆虫が衝突しそれにより圧力として捉えているという事を言いたいのです。

昆虫は温度が高くなると活発になるのでイメージとしても合っていますね。

 

さらに・・・

絶対湿度・混合比は重さ単位なので分子にも重量があるのでこの絵でも表現できるのであります。

窒素／Ｎ_２→分子量２８

酸素／Ｏ_２→分子量３０

アルゴン／Ａｒ→分子量４０

水／Ｈ_２Ｏ→分子量１８という重さです。

ちなみに単位体積である1立方㎝には何個の分子数があるのでしょう。

 

なんと2.7×10¹⁹個なので・・・

２７．０００．０００．０００．０００．０００．０００個

日本語にすると２７．０００京（10¹⁶）となります。

そう・・・世界最高水準のスーパーコンピュータ「京」が1立方㎝の中にある感じです。

 

いろいろ湿度の物理単位から説明しましたが厄介なのはやはり相対湿度だと思います。

Ｕ(相対湿度)＝e/es✕１００

e：水蒸気圧（Pa） es：飽和水蒸気圧（Pa）

これは百分率なので分子と分母の単位（Pa）が相殺されて消えているのです。

｢科学なのに単位を消すなよ～！｣と思うのですが・・・

伝統的な物理単位なのでしょうがないのですね。

 

さて、次は相対湿度の基礎を説明しましょう！

 

昆虫ポスター作成は第一科学 田村製作