Higrometre

Higrometre terimi, Yunanca’da ıslak ve ölçü anlamına gelen “hygrós” ve “métron” kelimelerinden meydana gelmiştir. Kelimenin kökeninden yola çıkarak higrometre, nem miktarını belirlemede kullanılan bir ölçüm cihazıdır. Ancak, higrometre terimi, nem ölçüm cihazı için değil; özellikle havadaki bağıl nemi belirleyen cihazlar için kullanılır. Nem, pek çok biyolojik, fiziksel ve kimyasal süreçlerde belirleyici bir rol oynadığından ölçülür ve gerekli durumlarda özellik olarak kontrol edilir. Herkes evlerdeki, ofislerdeki, depolardaki, üretim hatlarındaki ve dış mekan havasını ölçen meteoroloji istasyonlarındaki hava kalitesini görüntüleyen higrometrelere aşinadır. Ölçüm değerlerini tanımlamak için ekranda sıklıkla kullanılan bağıl nem için farklı kısaltmalar rel. F., r.F., RH şeklindedir.

Mutlak nem, havanın metreküp başına içerdiği su buharının gram olarak ifade edilme şeklidir. Solunum ve buharlaşma gibi ortamdaki girdilerle arttırılabileceği gibi ortamdaki malzemelerin emme kapasitesi ile de azaltılabilir. Su buharı içeriğinin kilogram kuru hava başına gram cinsinden belirtilmesine nem derecesi denir.

Bağıl değer, iki miktar arasındaki karşılaştırmayı ifade eder ve genelde yüzde olarak verilir. Bağıl nem ile gerçek nem miktarı kuru ya da nemli hava miktarı ile değil; ilgili koşullar altında havada bulunabilecek maksimum su buharı miktarı ile karşılaştırılır. Bu, ölçülecek bağıl nemin maksimum değerinin yüzde 100 olmasına neden olur. Buna karşılık, su içeriğinin malzemenin kuru maddesi ile ilişkili olduğu malzeme neminde çok daha yüksek bağıl nem değerlerinden söz edilebilir ve ölçülebilir. Hava yoluyla emilebilen maksimum su buharı miktarı, doygunluk miktarı olarak belirtilir.

Doygunluk miktarı sıcaklığa ve basınca bağlı olduğundan bağıl nem, su buharı eklenmeden ya da çıkarılmadan bile sıcaklık ya da basınçtaki değişiklerle değişir. Doygunluk miktarı üzerindeki su buharı miktarları sıvı su olarak açığa çıkar. Atmosferik hava basıncındaki dalgalanmalar nispeten küçük bir etkiye sahip olsa da özellikle yüksek hassasiyetli ölçümlerde ve higrometre kalibrasyon işlemlerinde dikkate alınmalıdır. Basınçlı hava uygulamalarında ise nem ve hava basıncı arasındaki ilişki önemli bir role sahiptir.

Sıcak hava, soğuk havadan daha fazla su buharı emebilir ve düşük hava basıncında yüksek hava basıncından daha fazla emebilir. Su buharı içeren hava bağıl nemin yüzde 100’e ulaşacağı şekilde soğutulması durumunda sıcaklıktaki azalma, aşırı su buharından sıvı su oluşmasına neden olur. Bu su da yoğuşma olarak adlandırılır. Yüzde 100 bağıl neme ulaşılan sıcaklık da çiğ noktası sıcaklığı olarak adlandırılır. Soğuk yüzeylerde sıcak hava da soğutulduğundan sıcak odalarda soğuk yüzeylerde de yoğuşma oluşabilir. Gözlük kullanan kişilerin soğuktan sıcak odaya girmesi sebebiyle gözlük camlarında oluşan yoğuşma bu etkinin bir örneği olarak verilebilir. Yoğuşmanın oluştuğu yüzey sıcaklığı mevcut hava sıcaklığı ve neme bağlıdır. Pek çok higrometre, ölçülen hava sıcaklığı ve nem için karşılık gelen çiğ noktasını da gösterebilir.

Tablo 1: Hava sıcaklığı ve hava nemine göre normal hava basıncında çiğ noktası

                                                                                                                                                                                                                                                   

Bağıl nemde çiğ noktası

Hava sıcaklığı
	%20 n.o	%40 n.o	%60 n.o	%80 n.o	%100 n.o
12 °C	-9.1 °C	-1.0 °C	4.5 °C	8.7 °C	11.2 °C
16 °C	-6.1 °C	2.4 °C	8.3 °C	12.6 °C	15.2 °C
20 °C	-3.2 °C	6.0 °C	12.0 °C	16.4 °C	19.2 °C
24 °C	-0.3 °C	9.6 °C	15.8 °C	20.3 °C	23.2 °C

Çok sayıda model mevcut olduğu için ilk olarak higrometrenin karşılaması gereken minimum gereksinimler belirlenmelidir. Bu minimum gereksinimler ile higrometrenin hangi amaçla kullanılacağına öncelik vermek faydalıdır.

İstenilen kullanıma bağlı olarak higrometre için tamamen farklı gereksinimler olabilir. Farklı uygulama örnekleri şu şekilde sıralanabilir:

- İç mekan mevcut hava nemi ölçümü

Yaşam alanlarındaki ve çalışma alanlarındaki hava neminin sağlık ve performans üzerinde bir etkisi vardır. Bu nedenle, higrometreler genelde çok yüksek ya da çok düşük nem değerlerini tespit etmek ve gerekli havalandırmayı sağlamak için kullanılır. Bu higrometrelerin kullanıcı için kolay okunabilir bir ekranı ve ek bir görsel ya da sesli uyarı fonksiyonları olmalıdır.

Ayrıca, higrometreler, iç mekan nem hasarı durumunda nemin bu hasarın sebeplerinden biri olup olmadığını açıklığa kavuşturmak için de kullanılır. Yapı bileşenlerinin çiğ noktasını ve yüzey sıcaklığını belirlemek için de kullanılabilen higrometreler bu amaç için uygundur.

- Dış mekan hava nemi ölçümü

Dış mekanlardaki hava nemi hem yağış tahminleri için hem de spor ve dış mekan çalışmaları sırasında fiziksel zorlamanın değerlendirilmesi için dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, higrometre neredeyse her meteoroloji istasyonunda kullanılan bir ölçüm cihazıdır. Sensörün ölçüm verileri genellikle iç mekan görüntüleme ünitelerine ya da diğer cihazlara aktarılır ve burada görüntülenir, kaydedilir ve değerlendirilir. 

- Uzun süreli nem ölçümü ve kaydı

Higrometreler genellikle nem hasarı olan konutlarda ısıtma ve havalandırma davranışını belgelemek ya da nakliye sırasında ya da erişilmesi zor yerlerde nem ve sıcaklığı kaydetmek için data logger olarak kullanılır.

- Üretimde ve depolarda nem ölçümü ve kaydı

Bazı ürünler için üretim ve depolama sırasında doğru hava nemi kalite açısından belirleyici bir rol oynar. Çok yüksek ve çok düşük hava nemi ürünleri ya da malzemeleri kullanılamaz hale getirir. Bu nedenle, bu alanlarda nemi devamlı olarak izlemek ve görüntülemek ya da verileri aktarmak için higrometreler kullanılır.

Bazı higrometreler 0 ila yüzde 100 bağıl nem aralığını tamamen kapsayamaz. Çoğunlukla bu gerekli de değildir. Ancak, higrometrelerin hassasiyetinin çoğunlukla tüm ölçüm aralığında sabit olmadığı da göz önünde bulundurulmalıdır. Hassasiyetin belirtilme şekline ve istenilen uygulama için yeterli olup olmadığına dikkat edilmelidir.

Neredeyse tüm dijital higrometreler bağıl nemin yanı sıra hava sıcaklığını da ölçer. Pek çok model, bağıl nem ve hava sıcaklığından çiğ noktasını hesaplayarak görüntüleyebilir. Bunun haricinde bazı higrometreler, metreküp başına gram cinsinden mutlak nemi ya da yaş termometre sıcaklığını görüntüleyebilir. Ek kızılötesi sensörlü ya da yüzey sıcaklık sensörlü higrometre, bileşen yüzeylerinin sıcaklıklarını doğrudan ölçebilir. Diğer cihaz türlerinde hava basıncının ya da CO2 içeriği, partikül miktarı ya da formaldehit içeriği gibi ek hava kalitesi değerlerinin de belirlenebileceği ek sensörler bulunur.

Data logger olarak kullanılan higrometre ile ne kadar bir süreliğine veri kaydedilebileceği önemlidir. Kaydedilebilecek ölçüm değerlerinin sayısı diğer pek çok şeyin haricinde depolama kapasitesine bağlı olarak sınırlıdır. Bu nedenle, uzun süreli ölçümlerde her bir ölçüm için ayarlanabilecek zaman döngüleri önemli bir rol oynar. Pil ile çalışan higrometrelerde pil ömrü, verilerin kaydedilebileceği maksimum zaman aralığının belirlenmesi için önemlidir. Bazı higrometreler, verileri değiştirilebilir mikro SD kartlarda kaydederken bazıları USB bellek gibi küçük ve kompakt boyutludur ve hafızanın okunması için USB portundan bilgisayara bağlanabilir.

Higrometreler, mevcut ölçüm değerlerini ya da kaydedilen verileri bilgisayara aktarmak için arayüz ile donatılabilir. Çoğunlukla ölçüm verilerinin değerlendirmesini ve bir sonraki ölçüm için gerekli konfigürasyonu kolaylaştıran özel bir yazılım mevcuttur. Endüstri ya da lojistikteki hassas alanlar için kullanılan higrometrelerde işlemlerin otomatik olarak kontrol edilebileceği analog ya da anahtarlı arayüzler bulunmalıdır.

Higrometrenin çalışma prensibi ve yapısı sadece cihazların kullanılabileceği sıcaklık ve nem değerleri için belirleyici değildir. Bunun haricinde, higrometrenin bağıl nemin yanı sıra diğer iklim değerlerini belirlemek için kullanılıp kullanılamayacağı üzerinde de belirleyici bir etkisi söz konusudur.

Pek çok malzeme, nemi ortamlarından su buharı olarak alabilir ya da nem dengesine ulaşılana kadar nemi bırakabilir. Bu süreç sırasında özelliklerini değiştirirlerse bu, bağıl nemi dolaylı olarak ölçmek için kullanılabilir. Malzemenin yapısına bağlı olarak nemdeki değişim genişlemesini az ya da çok değiştirebilir. Yağdan arındırılmış saç, neme bağlı uzunluktaki değişim sıcaklıktan önemli ölçüde etkilenmediğinden nem ölçümü için çok uygundur.

Nemi rahatlıkla okuyabilmek için bu tür bir analog higrometre işaretçi ve ölçek ile donatılmıştır. Başlangıçta bu higrometreler için insan, at ya koyun kılı kullanılsa da artık pek çoğu sentetik malzeme ile çalışır. Saç higrometresi hızlı tepki verir ve -35 ila 65 °C arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilir. Ancak, bu tür bir higrometre ağırlıklı olarak kuru odalarda kullanılacaksa yüksek nem seviyelerinde düzenli olarak yenilenmesi gerekir. Aksi takdirde, saç çok fazla kuruyacaktır. Yaygın saç higrometresi ile sadece bağıl nem kaydedilebilir.

Bazı plastikler, ortamlarının bağıl nemine ölçülebilir bir şekilde tepki verir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan polimer sensörler ile nem, elektrik direnci ya da kapasitesindeki değişiklik aracılığıyla doğrudan belirlenebilir. Bu kompakt dijital higrometreler, genellikle sıcaklık ölçümü için ek bir bileşen ile donatılmıştır. Sıcaklık ve bağıl nem ölçüm değerlerinden mutlak nem ve çiğ noktası da belirlenebilir.

Su buharlaştığında ortam sıcaklığı düşer. Bunu uzun bir süre ıslak kıyafetlerle dışarıda durduğunuzda vücudunuzda hissedebilirsiniz. Yaz sıcağında ve saunada terlemek vücut sıcaklığını düzenlemek için aktif bir soğutma işlemidir. Ortam havası ne kadar kuru olursa soğutma işlemi de o kadar etkili olur. Nem ile zenginleştirilmiş hava, rüzgarla nem kaynağından uzaklaştığında kuru hava hızla akıp nemi tekrar emebilir. Buharlaşmanın soğutma etkisini belirlemek için sıcaklık sırasıyla kuru ve yaş termometrede ölçülebilir.

Sıcaklık farkı doğrudan ortamdaki bağıl nem ile ilgili olduğundan nem yaş ve kuru sıcaklıktan belirlenebilir. Bu prensibe göre çalışan higrometreler psikometre olarak da adlandırılır. Doğru kullanıldığında bu higrometrelerin hassasiyeti yüzde 0.5 ila 1.0 arasındadır ve bu nedenle bu higrometreler epey hassastır. Ancak, bunun için nemli termometrenin sürekli olarak hava ile çevrili olması gerekir. Nemli havanın çıkarıldığı en yaygın higrometre türleri arasında Assman psikometre ve santrifüj psikometresi yer alır. Assman higrometresinde hava değişimi entegre bir fan ile üretilirken santrifüj higrometresi santrifüjlenir.

Bağıl nemi ölçümü gerçekleştirmek için buharlaşma etkisini kullanan higrometreler her zaman hava sıcaklığını kuru termometre sıcaklığı ve yaş termometre sıcaklığı olarak da belirler. Bu değer, buharlaşma nedeniyle mevcut değerlere sahip havanın ne kadar soğutabileceğini gösterir.

Nemli hava soğutulursa dışarıdan su eklenmemesine rağmen bağıl nem yükselir. Düşük sıcaklıklarda doyma miktarı daha düşük olduğundan soğuk hava daha az su buharı tutabilir ve fazla suyu sis, yağmur ya da çiğ olarak serbest bırakır. Bu etki, bağıl nem ölçümünde kullanılabilir. Bunun için küçük bir ayna çiğ suyu soğuk yüzeye yerleşene kadar soğutulur. Ardından bağıl nem, ayna yüzeyi ile ortam havası arasındaki sıcaklık farkından belirlenir. Bu tür bir higrometre ile hava neminin yanı sıra hava sıcaklığı ve çiğ noktası sıcaklığı da belirlenir.

Spektrometreler ışığı ölçen ölçüm cihazlarıdır. Spektrometrenin su moleküllerinin titreşimine neden olan bir dalga boyu kullanması durumunda ışığın bir kısmı emilerek fotosele daha az ışık ulaşmasına neden olur. Bu tür bir higrometre ile ışık yoğunluğunun su molekülleri tarafından zayıflatılmasından gazın mutlak nemi belirlenebilir. Uygun spektrometreler ile gazlardaki 2 ila 10.000 ppm konsantrasyonları gibi çok düşük nem değerlerini ölçmek mümkündür.

Ölçüm değerleri iç mekan ikliminin düzenlenmesinde ya da teknik süreçlerin izlenmesinde ve kontrolünde temel teşkil eden higrometreler düzenli olarak kalibre edilmelidir. Kalibrasyon sırasında higrometrenin istenilen hassasiyete ulaşamaması durumunda ayarlanması ya da değiştirilmesi gerekir.

Bazı higrometreler, doymuş tuz çözeltilerden gelen nem referansları ile kalibre edilebilir. Tuz çözeltisi bulunan kaplarda her durumda karakteristik nem değerleri denge nemi olarak görünür. Bu referanslar ile kapasitif, dirençli ya da elektrolitik sensörleri ölçüm haznesine yerleştirilebilen higrometreleri kontrol etmek mümkündür. Takılan sensör ölçüm için kaba ortam havası girmeyecek şekilde kapatılmalıdır. Bu referanslar sadece 20 ila 40 °C arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilir ve termal ölçüm prensibine sahip higrometreler için uygun değildir.

Kalibrasyon laboratuvarlarında higrometreler genelde iklim kabinlerinde daha yüksek bir hassasiyet ile test edilmiş referans bir cihaz ile birlikte kalibre edilir. Referans cihazı, test edilecek cihazın ölçüm değerlerinin karşılaştırıldığı nominal değerleri sağlar. Higrometreler sertifikalandırılıp laboratuvarda kalibre edildiğinde müşterinin kalibre edilen cihazı ISO test ekipmanlarına eklemesini sağlayan müşteri adresiyle birlikte bir test sertifikası oluşturulur. ISO kalibrasyon sertifikası, belirlenen hassasiyeti doğrular ve kalibrasyon koşullarını açıklar. Aşağıda kalibrasyona yönelik terimlerin açıklamaları yer almaktadır:

Ölçüm sistemine müdahale etmeden higrometre ölçümlerinin hassasiyetini kontrol etmek ya da cihazın ölçüm parametresinin gerçek değerinden sistematik sapmasını belirlemek.

Kalibrasyon sertifikası, ölçüm cihazının metrolojik özelliklerinin yanı sıra ulusal standartlara izlenebilirliğini de belgeler.

Belirlenen ölçüm değerlerinin doğruluğundan emin olmak için kullanılan ölçüm cihazları düzenli aralıklarda izlenmeli ya da kalibre edilmelidir. Kalibrasyonlar arasındaki periyod kalibrasyon aralığı olarak nitelendirilir. Ölçüm cihazının ne zaman yeniden kalibre edilmesi gerektiğine dair genel olarak bağlayıcı bir tanım yoktur. Bu aralığın belirlenmesinde önemli noktalar şunlardır:

- ölçüm parametreleri ve yanlış ölçümlerin etkisi

- ölçüm cihazının yükü

- kullanım sıklığı

- çevre koşulları

- önceki kalibrasyonların stabilitesi

- gereken ölçüm hassasiyeti

- şirketin kalite güvence sistemindeki özellikler

Buradan da anlaşılacağı üzere iki kalibrasyon arasındaki aralık kullanıcı tarafından belirlenmeli ve izlenmelidir. Yeni bir higrometre satın alırken cihazın mümkün olduğunca kolay bir şekilde kalibre edilmesine dikkat edilmelidir. Önemli ölçümler için kullanılan yüksek kaliteli higrometreler de kalibrasyon değerleri ile ayarlanabilmelidir.

Normal hava basıncında 10 g/m³’lük bir su buharı miktarı aşağıdaki bağıl nem değerlerine neden olur:

10 derece Celsius’ta	10 g/m3: 9.4 g/m3 = 1.064	>100% bağıl nem, yoğunlaşma
15 derece Celsius’ta	10 g/m3: 12.8 g/m3 = 0.781	= 78.1% bağıl nem
20 derece Celsius’ta	10 g/m3: 17.5 g/m3 = 0.571	= 57.1% bağıl nem
25 derece Celsius'ta	10 g/m3: 23.0 g/m3 = 0.435	= 43.5% bağıl nem

Hava sıcaklığı ve nem biliniyorsa bu grafik yoğuşma oluşmadan önce havanın ne kadar soğuyabileceğini gösterir. Odadaki sıcaklık, bağıl nem ve soğuk yüzeylerdeki sıcaklık ölçülür. Bazı higrometreler, temas sensörleri ya da kızılötesi sensörler aracılığıyla hava nemine ek olarak hem hava sıcaklığını hem de yüzey sıcaklığını ölçebilir. Bu ölçüm değerleri ile havadaki nemin soğuduğunda ne kadar yükseldiği anlaşılabilir.

Oda sıcaklığı 20 °C, %40 nem, en düşük yüzey sıcaklığı 14 °C

%40 nem eğrisinin yatay 20 °C çizgisiyle kesiştiği noktadan başlayarak yatay 14 °C çizgisine kadar dikey bir çizgi çizilir. Bu çizgilerin kesişimi %50 ile %60 nem eğrileri arasındadır. Dikey çizgi, %100 nem için eğriyi karşılayana kadar daha da çizilebilir. Bu noktada, sıcaklık ölçeğinde çiğ noktası sıcaklığı yaklaşık 6 °C olarak okunabilir.

Oda sıcaklığı 20 °C, %60 nem, yüzey sıcaklığı 11 °C

Soğuk yüzeyde nem %100’ün üzerine çıkar ve yoğuşma meydana gelir. Çiğ noktası yaklaşık 12 °C’dir.

Hava sıcaklığı sabit olduğunda bağıl nem ve çiğ noktası basınç artışı ile değişir. 25 °C’lik bir hava sıcaklığı için örnek değerler aşağıdaki gibidir:

1.113 bar’da	%40.00 bağıl nem	Çiğ noktası 10.5 °C
1.013 bar’da	%43.95 bağl nem	Çiğ noktası 11.9 °C
1.513 bar’da	%59.74 bağıl nem	Çiğ noktası 16.6 °C
2.013 bar’da	%79.49 bağıl nem	Çiğ noktası 21.2 °C
2.513 bar’da	%99.23 bağıl nem	Çiğ noktası 24.9 °C