濕度測量儀器課件

濕度測量儀器1.2.1濕度的定義和單位大氣中的濕度（Humidity）及其變化與天氣變化有密切的關(guān)系。大氣中的水汽是形成云霧、降水現(xiàn)象的重要因素，大氣中水汽的水相轉(zhuǎn)換是重要的能量傳遞方式。因此，濕度的變化往往是天氣變化的前奏。低層大氣中的水汽含量還直接影響農(nóng)作物的生長；在工業(yè)生產(chǎn)方面也對濕度條件提出種種要求。因此空氣濕度是重要的觀測項目之一。1.2.1濕度的定義和單位濕度：表示空氣中水汽含量的物理量。1.混合比γ：濕空氣中水汽質(zhì)量為MV，干空氣質(zhì)量為Ma：2.比濕q：3.絕對濕度ρv：單位體積的濕空氣中所含水汽質(zhì)量,即:水汽密度、水氣濃度。4.水汽壓當e<<P5.飽和水汽壓水面飽和水汽壓esw

：在固定的氣壓和溫度下，水汽和平面純凈水面達到氣液兩相中性平衡時純水蒸氣的水汽壓；冰面飽和水汽壓esi

：在固定的氣壓和溫度下，水汽和平面純凈冰面達到氣固兩相中性平衡時純水蒸氣的水汽壓。世界氣象組織(WMO)1966年推薦戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式：(1)純水表面飽和水汽壓的對數(shù)為（0--100℃）(2)冰面的飽和水汽壓對數(shù)（-100℃--0）7.相對濕度壓力為P、溫度為T的濕空氣，其水汽壓與水面飽和水汽壓的比值的百分數(shù)。8.露點溫度(Td)、霜點溫度(Tf)Td定義：T、γ的濕空氣，P不變，降溫至Td使其對水面飽和時的溫度Tf定義：T、γ的濕空氣，P不變，降溫至Tf使其對冰面飽和時的溫度另外可導出以下常用關(guān)系式:1.2.2干濕球溫度表結(jié)構(gòu)：利用兩支球部大小性狀等配對的溫度表，放在同一環(huán)境中（如百葉箱），其中一支用來測定空氣溫度，稱為干球（DryBulb）；另一支球部包上濕潤的紗布，稱為濕球（WetBulb）。蒸發(fā)失去熱量。濕球溫度降低空氣的流動，補給濕球熱量。1.干濕球溫度表的原理由于蒸發(fā)，濕球表面不斷有耗散蒸發(fā)潛熱，使?jié)袂驕囟认陆担挥捎跐袂蚺c四周空氣有溫差，則在穩(wěn)定平衡時，濕球溫度表蒸發(fā)支出的熱量應等于與四周熱空氣交換得到的熱量。單位時間通過單位濕球面積蒸發(fā)水分的質(zhì)量：式中γ為空氣的混合比，γs(Tw)為濕球溫度等于Tw時的飽和混合比；k為水汽擴散系數(shù)。因此濕球蒸發(fā)消耗的熱量為：其中稱為干濕溫度表系數(shù),可取作單位時間通過單位面積的濕空氣與濕球?qū)α鳠峤粨Q，傳遞給濕球的熱量為：1.干濕球溫度表的原理h：熱擴散系數(shù);T為干球溫度;TW為濕球溫度.令Q=Qm，設γ=0.622×e/p，γs(Tw)≈0.622×es(Tw)/p，可得到濕度計算公式：(1)式稱為干濕表(絕對濕度)方程.（1）2.干濕球溫度表系數(shù)特征影響A值的因子 利用干濕表方程計算濕度的主要問題是確定干濕表系數(shù)A值。從A值的定義可知，熱擴散系數(shù)h和水汽擴散系數(shù)k是通風速度的函數(shù)，所以，A值必然與風速有關(guān)。即d=10mmd=4mm（1）N.Sworykin：A與風速的關(guān)系式中V的單位為m/s,在p=1013hPa，T=17

C，Tw=11

C條件下的實驗結(jié)果。（2）Wylieardlalas(1981)被WMO定為標準干濕球溫度表2.干濕球溫度表系數(shù)特征A值隨風速有很大的變化，小風速時數(shù)值較大，隨風速的增加而迅速減小。當風速超過3m/s時，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，但在高風速時差異很小。元件的特征直徑d越小，A值隨風速的變化越不明顯，即在小風速時就可較早地趨進臨界值。曲線1——HM-5型通風干濕球溫度表的A值與通風風速的關(guān)系曲線曲線2——Wylie的關(guān)系曲線2.干濕球溫度表系數(shù)特征濕球溫度表與空氣之間的熱交換特性A值存在的這種現(xiàn)象的主要原因是在推導（1）式時忽略了濕球溫度表和空氣之間的輻射熱交換QR：考慮到整個濕球溫度表的熱交換過程是在蒸發(fā)消耗潛熱與輻射熱交換和對流熱交換之間平衡，即：（1）式變?yōu)椋?.干濕球溫度表系數(shù)特征令：，實際的干濕表系數(shù)Monteith

提出：根據(jù)n=0.5，即實際A′的相對誤差與風速的二次方根成反比，與濕球的直徑的二次方根成正比。從物理過程可以看出，對流熱交換隨風速的增加而增加，而輻射熱交換的熱量卻變化很小，因此當風速較大時，可以不考慮輻射熱交換的影響。其結(jié)果是大風速時的A值與它的理論推算值接近。2.干濕球溫度表系數(shù)特征除了輻射熱交換之外，還可能由其它的熱交換項參加總的熱量平衡，例如：（1）濕球溫度表的上部（未包扎濕球紗布部分）往下傳遞熱量；（2）濕球的蒸餾水杯通過濕球紗布往上傳遞熱量；（3）當濕球溫度表距防輻射罩或套管臂接近時，濕球表面與通風罩內(nèi)臂之間會產(chǎn)生輻射熱交換。3.濕球結(jié)冰時的濕度計算公式

濕球結(jié)冰時，濕球的冰面直接升華成水汽。冰的升華損耗的熱量與對流熱交換相互平衡，因此公式（1）將改寫為：4.干濕球溫度表的測試精度一般的玻璃溫度表的讀數(shù)可以估計到±0.1℃。假設干球或濕球中任意一支溫度表誤讀0.1℃，對計算相對濕度產(chǎn)生的誤差如表1.10所示。4.干濕球溫度表的測試精度從圖1.19中看出，圖中給出不同的相對濕度下，在不同干球溫度時干濕球溫度差的變化?？梢娤鄬穸茸兓?%，干濕球溫度差的變化低溫時比高溫時要小的多。例如在－40℃時，相對濕度由1變化至100%。濕球溫度只增加了0.25℃。因而干濕球溫度表不適于在低溫下測量大氣濕度。按照我國現(xiàn)行規(guī)定，－10℃以下，就需停止使用干濕球溫度表。1.2.3毛發(fā)濕度表和濕度計實驗證明：相對濕度由0%變到100%時，毛發(fā)將伸長其本身長度的2.5%，但在各不同的濕度上其伸長量是不均等的。表1.11列出不同相對濕度情況下，毛發(fā)伸長量對總伸長量△L0的百分比。

從表上可以看出：相對濕度變化相同時，低濕時毛發(fā)伸長量大；高濕時毛發(fā)伸長量小。也就是濕度小時，毛發(fā)靈敏度大；濕度大時，毛發(fā)靈敏度小。測濕原理：毛發(fā)伸長量與相對濕度的關(guān)系相對濕度0--100%時，長度變化ΔL其中：毛發(fā)的滯后效應：測濕原理：毛發(fā)吸收水汽使長度變化，設：ω.單位體積含水量；A.橫切面積變化為：測濕原理：解釋：人的毛發(fā)貫串著許多細孔，通常，這些細孔內(nèi)充滿了呈彎月面的水。當空氣濕度變化時，水汽便在細孔中凝結(jié)或蒸發(fā)，使水的彎月面曲率隨之發(fā)生變化，從而引起毛細壓力的變化。當空氣相對濕度降低時，水的彎月面變得更彎曲，毛細壓力增大而細孔收縮，這就引起毛發(fā)總長度的縮短。當相對濕度上升時，彎月面逐漸變得平直起來。毛細壓力減小而細孔的寬度增大，使毛發(fā)伸長；空氣飽和時，細孔水面是平坦的，這時毛發(fā)最長。毛發(fā)濕度表

（HairBarothermohygrogram）毛發(fā)濕度表

（HairBarothermohygrogram）當氣溫低于－10.0℃,濕度改由毛發(fā)表測定。毛發(fā)濕度表的誤差：毛發(fā)感應濕度變化的滯后性隨溫度的降低、濕度的減小而增大。毛發(fā)濕度表的誤差濕度的影響相對濕度為40%時的滯后時間為90%的三倍。當毛發(fā)在相對濕度＜30%的空氣中擱置較久，會發(fā)生癱瘓現(xiàn)象（失去感應濕度變化的特性），這時應放在飽和空氣中，才能逐漸恢復正常感應濕度的能力。溫度影響分兩個方面：一方面是毛發(fā)本身隨溫度的改變而發(fā)生長度改變（如圖1.23所示）。另一方面，固定毛發(fā)的金屬架也隨溫度升降而脹縮，毛發(fā)隨溫度雖也有熱脹冷縮現(xiàn)象，但都是不規(guī)則的，顯然，兩者因脹縮情況不一，將引起示度的誤差，又因毛發(fā)在不同相對濕度下增加量不等，則由溫度引起的毛發(fā)長度變化，在不同的濕度下將引起不同的誤差，濕度小時，因單位刻度間隔寬，影響就小，濕度大時就大。1.5℃由實驗得知，在－20.0℃時落后時間比10.0℃時大9倍，－40.0℃以下，毛發(fā)表幾乎不感應濕度變化。自動記錄相對濕度連續(xù)變化的儀器毛發(fā)濕度計（HairHygrometer）毛發(fā)濕度計

（HairHygrometer）感應原理：同毛發(fā)濕度計，但為了增大拉力，感應部分由一束脫脂的毛發(fā)（約40—42根）組成它的感應部分。毛發(fā)濕度計

（HairHygrometer）傳遞放大部分:傳遞放大作用和調(diào)整放大倍率的作用。

自記部分自記部分與溫度計相同。

1.2.4露點濕度計

（Drew-pointHygrometer）在一個光潔的金屬鏡面上等壓降溫，當溫度降至空氣的露點溫度（Drew-pointTemperature）時，金屬面上開始有微小的露珠凝結(jié)。測定金屬片的表面溫度，就可確定流過鏡面樣本空氣的露點溫度Td。當溫度低于零度，鏡面上的凝結(jié)物可能是小水滴，也可能是小冰晶，后者所處溫度則為霜點溫度Tf。由于整個過程中空氣中的水汽壓不變時，可以應用飽和水汽壓的計算公式計算出水汽壓的大小。1.2.4露點濕度計

（Drew-pointHygrometer）露點儀的組成：感應器：高度拋光的金屬鏡面、測溫元件熱控裝置：冷卻器、加熱器凝結(jié)觀測裝置：光源系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng)露點溫度的測量：一般5次取平均先降溫，鏡面出現(xiàn)露點時，記為：再升溫，最后一個露珠消失時，記為：這是一次完整記錄1.2.4露點濕度計

（Drew-pointHygrometer）為了提高觀測的精度和速度，可以使用光電系統(tǒng)監(jiān)視露滴的生成和消退。將干鏡的信號作為濕鏡信號本底，抵消其鏡面污染物的散射。影響露點儀測量精度的因素：式中K為波爾茲曼常數(shù)；

為水表面張力系數(shù)；

為水分子容積；

為露滴的曲率半徑。在同溫、同壓下，彎曲水面飽和水汽壓與平面飽和水汽壓的關(guān)系為：結(jié)論：露滴的飽和水汽壓高于平面飽和水汽壓。因此，鏡面的結(jié)露溫度低于真實露點溫度，誤差約為-0.1℃。1.凱爾文效應：彎曲水面飽和水汽壓esw.r；純水平面飽和水汽壓esw影響露點儀測量精度的因素：2.拉烏爾特（Rault)效應：由于空氣和鏡面有雜質(zhì)，特別是有一定量的可溶性物質(zhì)時，使飽和水汽壓低于同溫度下的潔凈空氣和鏡面的飽和水汽壓。降低的數(shù)值與溶液的克分子濃度有關(guān)。其中esw,n

:為空氣中和鏡面有雜質(zhì)時的飽和水汽壓；

n:雜質(zhì)的克分子數(shù)；

N：總克分子數(shù)結(jié)論：這種效應將使露點溫度值偏高。影響露點儀測量精度的因素：3、部分壓力效應：儀器的空氣循環(huán)系統(tǒng)可使測試空間內(nèi)外存在一定的氣壓差。根據(jù)道爾頓分壓定律，進入測試空間空氣樣本的水汽壓，將按壓差以同樣的比例降低。例：如果要求水汽壓測量的精度為5%，則在大氣壓力為1000hpa

時，室內(nèi)外壓差應小于5hpa。4、正確判斷鏡面凝結(jié)相態(tài)：當露點溫度低于0℃時，注意判斷鏡面的凝結(jié)相態(tài)。將水滴判斷為冰晶，或?qū)⒈袛酁樗?，都將造成測量誤差。溫度越低，誤差越大。影響露點儀測量精度的因素：6、溫度測量的準確性：露點濕度計嚴格地說，利用鉑電阻測得的露點溫度，并不是真正的空氣的露點溫度，而是與空氣相接觸的某一濕鏡表面的露點溫度。它決定于濕鏡表面結(jié)露的特性和狀態(tài)，也決定于冷卻過程的速度及冷卻面的滯后性。5、操作失誤操作不當將給測量結(jié)果帶來較大誤差。如降溫太快，鏡面將生成大露珠，將露珠蒸發(fā)完時，往往加熱過量，導致測量過高。1.2.5電學濕度計

（ElectricHygrometer）主要應用水分對測濕材料的導電性能的影響來制作。1.碳膜濕度片材料：碳膜濕度片用溶脹性較好的高分子聚合物——羥乙基纖維素和聚丙烯酰胺為感濕材料，加上導電材料碳黑，以及分散劑凝膠配制成膠狀液體，浸漬到聚苯乙烯片基上。1.碳膜濕度片原理：高分子聚合物吸濕后膨脹，使懸浮于其中的碳粒子接觸概率減少，元件的電阻值增大；反之，當濕度降低時，聚合物脫水收縮，使碳粒子相互接觸概率增加，元件的電阻值減小。通過測量元件的電阻值可以確定空氣的相對濕度。低濕高濕1.碳膜濕度片標準：

為了制定標準化檢定曲線，取相對濕度為33%時的電阻值R33為基準，在其他各個相對濕度下取比電阻值RU/R33與相對濕度建立對應關(guān)系，如圖1.29所示。缺點一：碳濕敏元件的一個缺點存在明顯的溫度系數(shù)。1.碳膜濕度片

應用：這類元件測濕精度較干濕表低，主要用在無線電探空儀和遙測設備中。缺點二：碳濕敏元件存在一定的升濕和降濕滯差2.高分子薄膜濕敏電容制作過程：傳感部分完全平鋪在一片玻璃基片上。首先在基片上真空噴涂一層金屬膜作為電容器的一個基底電極。然后在基底電極上均勻噴涂0.5～1μm厚的吸濕材料——醋酸纖維素。最后在吸濕材料上真空噴鍍上表面電極，表面電極的厚度為0.02μm，保證水汽分子能通過表面電極滲透進入吸濕層。2.高分子薄膜濕敏電容由于表面電極的厚度太薄，因而無法進行任何引線的焊接，基底電極實質(zhì)上是由兩塊相互分離的金屬膜組成，并分別引出焊接線，它們分別對表面電極形成兩個電容C1和C2。因而從基片引線測量其電容量，實際上為C1和C2的串聯(lián)值。元件在相對濕度為零時，其總電容量約為40pF，相對濕度達到100%時，其電容量可增加30%～50%。濕敏電容的特性:(1)溫度系數(shù)為0.05%～0.1%℃－1。(2)滯差在相對濕度為5%～90%內(nèi)低于1%。(3)在采取了防止污染物貼附的措施之后，其壽命為1年。(4)元件的滯后系數(shù)在常溫下可保持1s以下。影響濕敏電容滯后系數(shù)最主要