第三章 濕度的測(cè)量

第三章濕度的測(cè)量第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四13.1濕度的定義和單位室內(nèi)大氣濕度測(cè)量最精確的方法是稱量法（或絕對(duì)法），它能直接稱量出濕空氣樣本中所含的水汽質(zhì)量。要確定大氣濕度應(yīng)首先定義混合比和比濕。第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四23.1濕度的定義和單位（續(xù)）混合比γ

濕空氣中水汽質(zhì)量mv

與干空氣質(zhì)量ma

之比，即

γ=mv/ma第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四33.1濕度的定義和單位（續(xù)）絕對(duì)濕度ρw

單位體積的濕空氣中所含水汽的質(zhì)量。

ρw=mv/V第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四43.1濕度的定義和單位（續(xù)）比濕q

濕空氣中水汽質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量（干空氣質(zhì)量加水汽質(zhì)量）之比。

q=mv/(ma+

mv)第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四53.1濕度的定義和單位（續(xù)）水汽壓e’表示空氣塊中水汽含量的一個(gè)量。多數(shù)測(cè)濕元件能直接測(cè)量。是水汽在大氣總壓力中的分壓力。它表示了空氣中水汽的絕對(duì)含量的大小，以毫巴為單位。以滿足道爾頓分壓定律的理想氣體為理論前提，對(duì)于濕空氣中的水汽，用近似公式（3.4）第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四63.1濕度的定義和單位（續(xù)）飽和水汽壓eswi空氣吸收水汽有一定限量，達(dá)到了限量就不再吸收，這個(gè)限量叫“飽和點(diǎn)”。空氣中水汽達(dá)到飽和點(diǎn)時(shí)的水汽壓，稱為飽和水汽壓（或稱最大水汽張力）。分別對(duì)水面和冰面定義水面飽和水汽壓：在固定的氣壓和溫度下，水汽和平面純凈水面達(dá)到氣液兩相中性平衡時(shí)純水蒸氣的水汽壓。冰面飽和水汽壓：在固定的氣壓和溫度下，水汽和平面純凈冰面達(dá)到氣固兩相中性平衡時(shí)純水蒸氣的水汽壓。第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四7第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四8飽和水汽壓的特性飽和水汽壓和絕對(duì)溫度的關(guān)系是克勞修斯—克拉伯龍方程。根據(jù)公式可推導(dǎo)并計(jì)算出各個(gè)溫度下的esw和esi，見表3.1和表3.2飽和水汽壓是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增大。在同一溫度下，純冰面上的飽和水汽壓要小于純水面上的飽和水汽壓。第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四93.1濕度的定義和單位（續(xù)）相對(duì)濕度U(%)

壓力為p、溫度為T的濕空氣，其水汽壓e’和水面飽和水汽壓ew’的比值百分?jǐn)?shù)

U=e’/ew’×100%=γ/γs×100%=q/qs×100%相對(duì)濕度的大小能直接表示空氣距離飽和的相對(duì)程度。空氣完全干燥時(shí)，相對(duì)濕度為零。相對(duì)濕度越小，表示當(dāng)時(shí)空氣越干燥。當(dāng)相對(duì)濕度接近于100%時(shí)，表示空氣很潮濕，越接近于飽和。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四103.1濕度的定義和單位（續(xù)）露點(diǎn)溫度Td

和霜點(diǎn)溫度TfTd

的定義：指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說(shuō)，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。若冷卻至Tf

，使其對(duì)冰面達(dá)到飽和，此時(shí)溫度Tf

即為霜點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值，可為什么用它來(lái)表示濕度呢？這是因?yàn)?，?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四11補(bǔ)充：毛發(fā)濕度表（計(jì)）利用脫脂人發(fā)（或牛的腸衣）具有空氣潮濕時(shí)伸長(zhǎng)，干燥時(shí)縮短的特性，制成毛發(fā)濕度表或濕度自記儀器。它的測(cè)濕精度較差，毛發(fā)濕度表通常在氣溫低于-10℃時(shí)使用。

第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四123.2干濕球濕度表第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四133.2.1基本原理用一對(duì)并列裝置的、形狀完全相同的溫度表，一支測(cè)氣溫，稱干球溫度表，另一支包有保持浸透蒸餾水的脫脂紗布，稱濕球溫度表。當(dāng)空氣未飽和時(shí)，濕球因表面蒸發(fā)需要消耗熱量，從而使?jié)袂驕囟认陆?。與此同時(shí)，濕球又從流經(jīng)濕球的空氣中不斷取得熱量補(bǔ)給。當(dāng)濕球因蒸發(fā)而消耗的熱量和從周圍空氣中獲得的熱量相平衡時(shí)，濕球溫度就不再繼續(xù)下降，從而出現(xiàn)一個(gè)干濕球溫度差。干濕球溫度差值的大小，主要與當(dāng)時(shí)的空氣濕度有關(guān)。空氣濕度越小，濕球表面的水分蒸發(fā)越快，濕球溫度降得越多，干濕球的溫差就越大；反之，空氣濕度越大，濕球表面的水分蒸發(fā)越慢，濕球溫度降得越少，干濕球的溫差就越小。第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四143.2.1基本原理（續(xù)）單位時(shí)間通過單位面積的空氣與濕球?qū)α鹘粨Q，傳遞給濕球的熱量為Q單位時(shí)間通過單位濕球面積蒸發(fā)水分的質(zhì)量是M濕球蒸發(fā)消耗的熱量為Qm令Q=Qm，可得濕度計(jì)算公式e干濕球溫度表系數(shù)A，可近似區(qū)作

6.2×10-4第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四153.2.1基本原理（續(xù)）當(dāng)然，干濕球的溫差的大小還與其他一些因素有關(guān)，如濕球附近的通風(fēng)速度、氣壓、濕球大小、濕球潤(rùn)濕方式等有關(guān)。可以根據(jù)干濕球溫度值，并將一些其它因素考慮在內(nèi)，從理論上推算出當(dāng)時(shí)的空氣濕度來(lái)。干濕球溫度表是當(dāng)前測(cè)濕的主要儀器，但不適用于低溫（-10℃以下）使用。第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四163.2.2干濕球濕度表系數(shù)的特征Monteith得到的A值與通風(fēng)風(fēng)速v和濕球直徑d的微弱關(guān)系（表3.4）Harrison利用理想的開放系統(tǒng)的熱力學(xué)內(nèi)焓守恒定律，得到的A值為6.465×10-4Wylie和Lalas得到的A值為6.20×10-4上下我國(guó)所用的HM-5型通風(fēng)干濕球溫度表的A值與通風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系曲線1，Wylie的關(guān)系曲線2，如圖3.1第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四173.2.2

干濕球濕度表系數(shù)的特征（續(xù)）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3.1），可以看出：A值隨風(fēng)速有很大的變化。小風(fēng)速時(shí)數(shù)值較大，隨風(fēng)速的增加而迅速減小。當(dāng)風(fēng)速超過3m/s時(shí)，A值的變化很小，逐漸接近理論值（或稱臨界值）不同類型的濕度表的A值有差異，但在高風(fēng)速時(shí)差異很小元件的特征直徑d越小，A值隨風(fēng)速的變化越不明顯，即在小風(fēng)速時(shí)就可較早地趨近于臨界值第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四183.2.3濕球結(jié)冰時(shí)的濕度計(jì)算公式濕球結(jié)冰時(shí)，濕球的冰面直接升華成水汽。冰的升華損耗的熱量與對(duì)流熱交換相互平衡，公式（3.18）改為（3.23）第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四193.2.4干濕球濕度表的測(cè)濕精度一般的玻璃溫度表的讀數(shù)可以估計(jì)到±0.1℃。假設(shè)干濕溫度表其中一支誤讀0.1℃，對(duì)計(jì)算相對(duì)濕度產(chǎn)生的誤差如表3.6所示：溫度低時(shí)誤差大。如：氣溫為0度時(shí)，誤差為±2%，我國(guó)規(guī)定，-10℃以下就需停止使用第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四20補(bǔ)充：通風(fēng)干濕表觀測(cè)方法百葉箱通風(fēng)干濕球表采用電動(dòng)通風(fēng)，使溫度表球部維持在3.0—3.5m/s的氣流速度，以提高準(zhǔn)確性。整套儀器由一對(duì)感應(yīng)部分為柱狀的溫度表、支架、三通管及通風(fēng)系統(tǒng)組成。第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四21補(bǔ)充：通風(fēng)干濕表觀測(cè)方法（續(xù)）觀測(cè)前的準(zhǔn)備：巡視時(shí)，檢查電路。觀測(cè)前通風(fēng)4分鐘后，觀測(cè)，觀測(cè)完畢關(guān)閉通風(fēng)。濕球結(jié)冰時(shí)，須先取下護(hù)套管，進(jìn)行溶冰。由于故障或其它原因，無(wú)法通風(fēng)時(shí)，應(yīng)將兩支溫度表的通風(fēng)保護(hù)管取下，按自然通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。氣溫低于-10.0℃時(shí)，濕球不作觀測(cè)。水汽壓、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度的查算。第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四223.3露點(diǎn)測(cè)定法露點(diǎn)儀：能直接測(cè)出露點(diǎn)溫度的儀器。使一個(gè)鏡面處在樣品濕空氣中降溫，直到鏡面上隱現(xiàn)露滴（或冰晶）的瞬間，測(cè)出鏡面平均溫度，即為露（霜）點(diǎn)溫度。它測(cè)濕精度高，但需光潔度很高的鏡面，精度很高的溫控系統(tǒng)，以及靈敏度很高的露滴（冰晶）的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。使用時(shí)必須使吸入樣本空氣的管道保持清潔，否則管道內(nèi)的雜質(zhì)將吸收或放出水分造成測(cè)量誤差。第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四233.3露點(diǎn)測(cè)定法（續(xù)）露點(diǎn)儀的雛形如圖3.3（與探空儀上所配的露點(diǎn)儀相似）主要部件：銅棒、薄的金屬鏡面、測(cè)溫元件、加熱器、顯微鏡。測(cè)量：加溫—鏡面凝結(jié)—注入冷凍液—調(diào)整電流—維持溫度—送樣本空氣—減小電流—鏡面降溫—顯微鏡觀測(cè)到凝結(jié)露斑第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四243.3露點(diǎn)測(cè)定法（續(xù)）為提高測(cè)量的精度和速度，可以使用光電系統(tǒng)監(jiān)視露滴的生成與消退。新型露點(diǎn)儀多采用半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)，可以控制，初始階段的冷卻速率較快，而在接近露點(diǎn)前逐漸減緩其冷卻速率。如圖3.5第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四253.3露點(diǎn)測(cè)定法（續(xù)）露點(diǎn)溫度檢測(cè)的精度取決于濕鏡表面與鏡面下的鉑電阻溫度表之間的溫度梯度的大小。露點(diǎn)儀的測(cè)量精度可用科拉伯龍方程進(jìn)行估計(jì)。由表3.7可以看出，露點(diǎn)儀是在低溫下測(cè)濕的唯一有效方法。第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四263.3露點(diǎn)測(cè)定法（續(xù)）影響露點(diǎn)儀測(cè)量精度的因素：凱爾文效應(yīng)：鏡面的結(jié)露溫度低于真實(shí)的露點(diǎn)，其誤差約為1℃烏拉爾特效應(yīng)：空氣和鏡面不干凈，偏高部分壓力效應(yīng)：測(cè)試空間內(nèi)外有壓差判斷鏡面凝結(jié)相態(tài)：低于0℃時(shí)必須判斷相態(tài)操作失誤：第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四273.4電學(xué)濕度表基于空氣濕度影響感濕材料的電學(xué)性能設(shè)計(jì)而成。第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四283.4.1碳膜濕度片利用吸濕膜片隨濕度變化改變其電阻值的原理，常用的有碳膜濕敏電阻和氯化鋰濕度片兩種。前者用高分子聚合物和導(dǎo)電材料碳黑，加上粘合劑配成一定比例的膠狀液體，涂覆到基片上組成的電阻片；后者是在基片上涂上一層氯化鋰酒精溶液，當(dāng)空氣濕度變化時(shí)，氯化鋰溶液濃度隨之改變從而也改變了測(cè)濕膜片的電阻。這類元件測(cè)濕精度較干濕表低，主要用在無(wú)線電探空儀和遙測(cè)設(shè)備中。第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四293.4.2高分子薄膜濕敏電容是以高分子聚合物為介質(zhì)的電容器，因吸收（或釋放）水汽而改變電容值。它制作精巧，性能優(yōu)良，常用在探空儀和遙測(cè)中。由芬蘭Vaisala公司最先開發(fā)，稱作“Humicap”，其結(jié)構(gòu)如圖3.8濕敏電容通常采用多諧波震蕩器和低通濾波電路完成電容—電壓的轉(zhuǎn)換。第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四303.4.2高分子薄膜濕敏電容（續(xù)）濕敏電容的其它特性：溫度系數(shù)：0.05%~0.1%/℃滯差在相對(duì)濕度為5%~90%內(nèi)低于1%采取防污措施后，工作壽命為1年元件的滯后系數(shù)在常溫下可保持在1s以下第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四313.5光學(xué)濕度計(jì)吸收光譜法在現(xiàn)代濕度測(cè)量中占有一定的位置，而且是唯一用來(lái)測(cè)量快速脈動(dòng)的方法。強(qiáng)水汽吸收帶可在紅外和紫外波段找到。

第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四323.5光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）根據(jù)Beer定律，單色光學(xué)輻射透過吸收介質(zhì)的衰減可表示為：

ln(F(λ)/F0(λ))=-αwρw

lF0(λ)—發(fā)射光源的通量密度；F(λ)—到達(dá)檢測(cè)器的通量密度；αw—水汽對(duì)該波長(zhǎng)的吸收系數(shù)；ρw—水汽密度（絕對(duì)濕度）；

l—光學(xué)路徑。第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四333.5光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）在αw和l固定的情況下，測(cè)定比值F(λ)/F0(λ)，或某個(gè)輸出電壓V值，即可標(biāo)定出相應(yīng)的ρw值?，F(xiàn)代光學(xué)濕度計(jì)多采用雙通道的方式，以便達(dá)到絕對(duì)標(biāo)定的目的。有兩種方式：選擇兩個(gè)波長(zhǎng)，一個(gè)是強(qiáng)水汽吸收帶，一個(gè)是弱水汽吸收帶選擇一個(gè)已知水汽密度的樣本通道，使用同一探測(cè)波長(zhǎng)，比較待測(cè)樣本和基準(zhǔn)樣本的值，以確定待測(cè)值第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四343.5光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）最早開始投入使用的光學(xué)濕度計(jì)為紫外波段的拉曼—阿爾法濕度計(jì)，工作波長(zhǎng)為0.1216um，其光源管為充有氫氣的直流激發(fā)的冷陰極電離管。管內(nèi)加入了鈾化氫，使譜線比較純。光源管內(nèi)還沖有適量的氖氣作為緩沖氣體。第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四353.5光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）拉曼—阿爾法濕度計(jì)未能解決的三個(gè)致命缺陷：在紫外水汽吸收線附近，存在著較強(qiáng)的氧氣和臭氧吸收線。導(dǎo)致測(cè)量誤差。光源管和檢測(cè)管的壽命太短，只有幾百到1000小時(shí)。儀器的分辨率為0.03℃露點(diǎn)，精度為0.6℃露點(diǎn)。不能探測(cè)大氣中較小的濕度脈沖。第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四363.5光學(xué)濕度計(jì)（續(xù)）轉(zhuǎn)而進(jìn)行紅外濕度計(jì)的研制。缺陷：需要較長(zhǎng)的吸收路徑l，光源和檢測(cè)元件有較大的溫度系數(shù)。優(yōu)勢(shì)：其吸收譜線附近較少受到其它大氣成分的干擾光源管和檢測(cè)管可以使用通用的電子器件，使用壽命高達(dá)8000小時(shí)。第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四373.6濕度的控制和檢定恒濕箱和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)濕儀器是校準(zhǔn)和檢定濕度儀器和元件的主要設(shè)備。恒濕箱的兩個(gè)要求：能保持恒定的濕度數(shù)值；改變它的控制條件能迅速可靠地調(diào)整它的濕度值。濕度檢測(cè)儀，應(yīng)有高于待測(cè)儀器的精度和易于操作的兩個(gè)特點(diǎn)。第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期四383.6.1絕對(duì)測(cè)濕法（稱重法）是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)濕的標(biāo)準(zhǔn)方法。原理：使體積為V的濕空氣流過一個(gè)干燥管（或幾個(gè)串聯(lián)的干燥管），讓干燥管把空氣中的水汽全部吸收，然后稱量干