습도 측정법

습도의 측정과 습도 단위
상대 습도는 수증기압과 포화 수증기압의 백분율을 말하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.
수증기압은 습기를 포함한 일정 부피의 기체에서 수증기가 나타내는 압력을 나타내고, 포화 증기압은 이러한 기체 상태에서 그 온도에 최대로 습기를 포함할 수 있는 수증기압을 말한다.
또 상대 습도는 수증기압이 높을수록, 온도가 낮을수록 높아진다.
공기가 냉각되어 응결하는 온도를 이슬점(Daw Point)이라 하며, 이슬점은 대기 중의 수증기량에 의해 결정되고, 이슬점 변화는 대기 중 수증기의 절대적인 양에 대한 변화를 의미한다.
그 러므로 일정 부피의 공기에서도 온도가 높을 수록 수증기를 많이 포함할 수 있다는 것이고, 일정 부피의 기체에서 이슬점 온도가 일정하다면, 온도가 높을수록 포화 증기압이 높아진다. 또 일정 기체의 부피에서 수증기량의 변화가 없어도 기체의 온도가 냉각에 의하여 이슬로 응결된다.
습도의 단위를 측정하려는 습도가 절대 습도인지 상대 습도인지에 따라 달라지며, 다음의 여러 가지 방법으로 나타내고 있다.
공 기 중에 포함되어 있는 수증기량을 나타내는 수증기압은 압력을 표시하는 단위인 hPa로 표시하며, 현재의 온도에서 수증기가 포함할 수 있는 포화증기량에 대한 공기 중의 수증기량의 비를 나타내는 상대습도는 %로 나타내고, 상대 습도라는 것을 표시하기 위해 %단위 뒤에 RH(Relative Humidity)라는 단어를 추가하여 표시하기도 한다.
단위 부피의 공기 중에 포함되어 있는 수증기의 질량을 g/m³으로 나타내는 습도의 단위는 절대 습도의 기본적인 단위로 사용되어지고 있으며, ℃나 K 온도로 나타내기도 하는 이슬점 온도(노점 온도) 또한 절대 습도를 나타내는 중요 단위이다.
노 점 온도는 공기 중의 수증기 량을 측정하기위해, 일정량의 공기에 온도를 낮추면 습기가 응결되어 이슬로 나타나는 데, 이때의 온도를 측정하여 표시하는 습도가 노점 온도이다. 이 노점온도는 중요한 절대 습도의 또 다른 단위로써 일반 산업용의 절대 습도 측정과 그 측정 단위로 많이 사용한다.
또한, 단위 질량의 건조 공기에 대한 수증기의 질량비로 나타내는 혼합비와 습기를 포함한 단위 질량의 공기에 포함된 수증기의 질량비로 나타내
는 비습의 단위는 g/kg이라는 무차원의 단위 또는 ppm 등으로 나타내기도 한다.
•습도의 단위
- 상대 습도 : % 또는 %RH
- 절대 습도 : g/m³
- 노점 온도 : ℃ 또는 K
- 혼합비 또는 비습 : ppm

습도 계측 방법
습 도를 측정하는 방식은 상대 습도인지 절대 습도인지에 따라 여러 가지의 방법이 있으며, 또 측정된 데이터를 신호로 전송할 것인가, 아니면 지시만 할 것인가에 따라, 또 다른 습도계는 신호의 전송은 되지 않더라도 기록만이라도 할 것인가에 따라 많은 종류로 분류된다.
최근 들어 전기 신호로 출력되어지는 습도 센서들이 많이 개발되었으며, 습도를 측정하는데 사용되어지는 센서들은 측정 정도와 측정 방식에 따라 여러 종류가 있다.
절 대 습도와 상대 습도 등을 측정하는 많은 종류의 습도 측정 방법들이 있지만, 산업용으로 이용할 수 있도록 전기 신호로 출력하는 습도 측정방법이 1990년 이후 들어 꾸준히 발전하여 프로세스 계측에서 활용이 가능한 습도 계측 방법이 발전되었다.
모발 습도계나 유리 온도계를 사용한 건습구 습도계 등과 같은, 상대 습도 지시용 습도계들은 현장 지시만을 하는 습도계이며 이러한 지시 전용 습도계들은 프로세스 계측에서는 사용되지 않는 습도계들이다. 한편 전기적 신호를 낼 수 있는 습도 센서들 중 비교적 신뢰성인 좋은 것들이 프로세스를 위한 습도 계측용으로 사용된다.
일상생활에서 흔히 볼 수 있는 상대 습도를 측정하는 모발 습도계로부터 건습구 습도계 등과 노점 온도를 측정하여 절대 습도를 측정하는 노점 온도 측정 습도계가 있으며, 이외에도 상층 대기의 습도를 측정하는 마이크로파 습도계나 기체의 압력에 무관하게 습도를 측정할 수 있는 분광식 습도계 등이 있고, 전기 신호로 출력할 수 있는 비교적 간단한 전기저항식 습도 센서와 정전용량식 습도 센서, 압전식 습도 센서, 염화리튬 습도 센서 등 습도 센서들이 개발되어 일반 습도의 측정뿐 만 아니라 프로세스 계측용 습도 계측기로의 활용에 사용되고 있다.
습도를 정확히 측정하려면 수증기를 함유한 공기를 화학적인 건조제 속으로 지나가게 하여 수증기를 전부 흡수시킨 뒤에 증가된 건조제의 무게를 측정하면 된다. 하지만 단시간 내에 실용적인 측정을 하기에는 적합하지 않다. 따라서 완전한 습도측정법은 아니지만 모발, 가죽, 나무 등의 유기물이 대기 속의 수증기를 흡수했을 때 나타내는 무게나 용량, 또는 길이의 변화로써 측정하는 방법을 흔히 사용하고 있다.
여기에서는 상대 습도 지시용으로 사용되는 모발 습도계 및 건 습구 습도계들에 대해 알아보고, 각종 노점계들과 전기적 습도 센서에 대하여 알아보기로 한다.
(1) 상대 습도계
1) 모발 습도계(毛髮 濕度計:Hair Hygrometer)
모 발(毛髮) 습도계는 머리카락 등과 같은 것들이 습기에 따라 늘러나고 줄어드는 성질을 이용한 것으로, 모발이 습기의 정도에 따라 수축 및 팽창하는 정도를 이용하여 습도를 표시하는 습도계 이다. 상대 습도 측정용으로 사용되는 모발은 습도 감지 성능을 높이기 위해 탈지 압연하여 화학적으로 처리한 후 사용하며, 이러한 모발은 0%RH에서 100%RH로 변화할 때 약 2.5%의 길이변화를 나타내므로 이를 이용하여 습도를 측정하게 된다.
모발 습도계는 1400년대에 레오나르도 다빈치에 의해 습도에 따른 물질의 신축 현상으로 최초로 고안 되었으며, 1783년 스위스의 물리학자 소쉬르(Horace Bénédict de Saussure)에 의해 실제 모발 습도계가 실험에 의해 사용할 수 있게 만들어 졌다.
일반적으로 사람의 모발은 여러 가지 제작상 문제로 하여 현재 사용되는 대부분의 모발 습도계는 말 또는 양들과 같은 동물의 털, 최근 들어서는 인조 섬유를 사용하기도 하며, 비교적 20% 이하의 낮은 영역을 습도에는 큰 오차를 나타내는 특성을 보이고 있다.
습도계에 사용되는 모발은, 자연 상태에서 나있는 모발의 작은 미세 구멍들에 습기가 침투하여 모발의 길이변화를 나타내므로, 이를 이용하여 습
도를 측정할 수 있도록 만든 구조가 모발을 이용한 상대 습도계이다.
상대 습도에 따른 모발의 길이 신장율을 표로 나타내면 아래 <표 1>과 같다.
모 발의 신축을 일으키는 감도는 온도에 따라서도 크게 영향을 받으며, 5℃~20℃ 영역에서 비교적 감도가 적은 것으로 알려지고 있다. 모발은 습기를 포함하여 늘어나는 과정과 습기가 빠져나가 모발의 길이가 줄어가는 과정에서 변화하는 비율이 정확히 일치하지 않는 이력현상(履歷現象)을 보이는 데 이로 인해 모발을 이용한 상대 습도계의 오차는 크게 10%까지 나타나는 것이 일반적이라 할 수 있다.
모발 습도계는 일반적으로 가정에서 실내 온도와 습도를 측정하는 용도로 대부분 사용하지만, 바이메탈 온도계나 기압측정 기구들을 조합하여 기구적으로 자동 온습도 기압 등을 기록할 수 있도록 만든 자기 온습도 기록계 등으로 실험실이나 기상 또는 기온 상태를 측정하기 위해 사용되기도한다.
2) 건습구(乾濕球) 습도계
건습계라고도 하는 건습구 습도계는 두 온도계 중 한 개의 온도계 구부(球部)를 얇은 흰 무명 등으로 싸고 이 아래쪽에 물통을 만들어 두어 물을 빨아올리게 하여, 항상 물이 온도계의 구부 표면에서 증발하게 한다. 그런 의미에서 이것을 습구라고 하며, 이것과 대조적으로 이런 장치가 없이 그냥 현재 온도를 측정할 수 있도록 설치된 온도계는 그 때의 온도를 측정한다. 그래서 이것을 건구라고 한다.
수증기가 포화되어 있지 않으면 습구의 표면에서는 끊임없이 수분이 증발하여 기화열을 빼앗아가므로, 이러한 습구는 점차 차가워져서 건구와의 사이에 온도차가 생긴다. 이 온도차를 이용하여 실험식 또는 수표(數表)에 값을 읽으므로 그때의 상대 습도를 측정하게 되는 원리이다.
1750년경 리치만(Richmann)이 물이 증발할때 증발열에 의해 온도가 내려가는 현상을 발견하였으며, 1825년에 어거스트(August)에 의해 이런 원리를 이용하여 건습구 습도계의 원리를 최초로 발명하여 1886년 아스만(Assmann)이 지금과 같은 건습구 습도계를 제작하게 되었다.
<그림 1>은 일반적인 건습구 습도계의 모양을 나타낸 그림이다. 건습구 습도계에서 상대 습도의 변화에 따라 물이 증발하는 비율이 달라져 상대 습도 100%RH 일 때 물이 증발하지 않고, 습도에 따라 증발하는 비율이 달라지게된다. 또 물이 증발할 때 증발열을 흡수하여 주위의 온도를 내려가게 한다. 이렇게 습구의 온도는 습도에 따라 변화하게 되는데 이러한 습구의 온도 변화는 그 때의 온도, 기압 및 공기 흐름에 따라 달라진다.
<그림 1>에서 보이는 것과 같은 일반적 건습구 습도계는 공기의 흐름을 일정하게 하는 통풍 장치가 없으며, 이런 여러 변수들 때문에 습도 측정 오차가 비교적 큰 편이며, ±5%RH 이상의 정도를 가진다. 일반적으로 상온 부근의 건습구 온도차에 따른 상대 습도표는 아래의 <표 2>와 같다.
<그림 2>는 아스만 건습구 습도계라는 것의 구조를 나타낸 것이다.
이런 아스만 건습구 습도계는 공기의 이동 등 풍속에 따른 오차 요인을 줄이기 위해 개선된 것으로 정확히 교정하면 ±1%RH 이내의 정도를 나타낸다.
(2) 노점 온도 측정 습도계
공 기 속의 수증기를 응축시켜서 이슬로 만드는 냉각장치와 그 응축이 일어나는 온도를 측정하는 장치로 되어 있다. 표면에 이슬을 맺게 하는 냉각 장치로는 금속판을 주로 사용하며, 여러 가지 종류가 있다. 예를 들면, 육안으로 이슬을 관측하는 람프레히트의 이슬점 습도계, 이슬의 발생면에 빛을 쬐어서 그 반사광을 광전관(光