《湿度的测量》PPT课件.ppt

1,第三章湿度的测量,向卫国,2,3.1湿度的定义和单位,室内大气湿度测量最精确的方法是称量法（或绝对法），它能直接称量出湿空气样本中所含的水汽质量。要确定大气湿度应首先定义混合比和比湿。,3,3.1湿度的定义和单位（续）,混合比湿空气中水汽质量mv与干空气质量ma之比，即=mv/ma,4,3.1湿度的定义和单位（续）,绝对湿度w单位体积的湿空气中所含水汽的质量。w=mv/V,5,3.1湿度的定义和单位（续）,比湿q湿空气中水汽质量与湿空气总质量（干空气质量加水汽质量）之比。q=mv/(ma+mv),6,3.1湿度的定义和单位（续）,水汽压e表示空气块中水汽含量的一个量。多数测湿元件能直接测量。是水汽在大气总压力中的分压力。它表示了空气中水汽的绝对含量的大小，以毫巴为单位。以满足道尔顿分压定律的理想气体为理论前提，对于湿空气中的水汽，用近似公式（3.4）,7,3.1湿度的定义和单位（续）,饱和水汽压eswi空气吸收水汽有一定限量，达到了限量就不再吸收，这个限量叫“饱和点”。空气中水汽达到饱和点时的水汽压，称为饱和水汽压（或称最大水汽张力）。分别对水面和冰面定义水面饱和水汽压：在固定的气压和温度下，水汽和平面纯净水面达到气液两相中性平衡时纯水蒸气的水汽压。冰面饱和水汽压：在固定的气压和温度下，水汽和平面纯净冰面达到气固两相中性平衡时纯水蒸气的水汽压。,8,9,饱和水汽压的特性,饱和水汽压和绝对温度的关系是克劳修斯克拉伯龙方程。根据公式可推导并计算出各个温度下的esw和esi，见表3.1和表3.2饱和水汽压是温度的函数，随温度升高而增大。在同一温度下，纯冰面上的饱和水汽压要小于纯水面上的饱和水汽压。,10,3.1湿度的定义和单位（续）,相对湿度U(%)压力为p、温度为T的湿空气，其水汽压e和水面饱和水汽压ew的比值百分数U=e/ew100%=/s100%=q/qs100%相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。空气完全干燥时，相对湿度为零。相对湿度越小，表示当时空气越干燥。当相对湿度接近于100%时，表示空气很潮湿，越接近于饱和。,11,3.1湿度的定义和单位（续）,露点温度Td和霜点温度TfTd的定义：指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。若冷却至Tf，使其对冰面达到饱和，此时温度Tf即为霜点温度。露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。,12,补充：毛发湿度表（计）,利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器。它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10时使用。,13,3.2干湿球湿度表,14,3.2.1基本原理,用一对并列装置的、形状完全相同的温度表，一支测气温，称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。当空气未饱和时，湿球因表面蒸发需要消耗热量，从而使湿球温度下降。与此同时，湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时，湿球温度就不再继续下降，从而出现一个干湿球温度差。干湿球温度差值的大小，主要与当时的空气湿度有关。空气湿度越小，湿球表面的水分蒸发越快，湿球温度降得越多，干湿球的温差就越大；反之，空气湿度越大，湿球表面的水分蒸发越慢，湿球温度降得越少，干湿球的温差就越小。,15,3.2.1基本原理（续）,单位时间通过单位面积的空气与湿球对流交换，传递给湿球的热量为Q单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量是M湿球蒸发消耗的热量为Qm令Q=Qm，可得湿度计算公式e干湿球温度表系数A，可近似区作6.210-4,16,3.2.1基本原理（续）,当然，干湿球的温差的大小还与其他一些因素有关，如湿球附近的通风速度、气压、湿球大小、湿球润湿方式等有关。可以根据干湿球温度值，并将一些其它因素考虑在内，从理论上推算出当时的空气湿度来。干湿球温度表是当前测湿的主要仪器，但不适用于低温（-10以下）使用。,17,3.2.2干湿球湿度表系数的特征,Monteith得到的A值与通风风速v和湿球直径d的微弱关系（表3.4）Harrison利用理想的开放系统的热力学内焓守恒定律，得到的A值为6.46510-4Wylie和Lalas得到的A值为6.2010-4上下我国所用的HM-5型通风干湿球温度表的A值与通风风速的关系曲线1，Wylie的关系曲线2，如图3.1,18,3.2.2干湿球湿度表系数的特征（续）,根据实验结果（图3.1），可以看出：A值随风速有很大的变化。小风速时数值较大，随风速的增加而迅速减小。当风速超过3m/s时，A值的变化很小，逐渐接近理论值（或称临界值）不同类型的湿度表的A值有差异，但在高风速时差异很小元件的特征直径d越小，A值随风速的变化越不明显，即在小风速时就可较早地趋近于临界值,19,3.2.3湿球结冰时的湿度计算公式,湿球结冰时，湿球的冰面直接升华成水汽。冰的升华损耗的热量与对流热交换相互平衡，公式（3.18）改为（3.23）,20,3.2.4干湿球湿度表的测湿精度,一般的玻璃温度表的读数可以估计到0.1。假设干湿温度表其中一支误读0.1，对计算相对湿度产生的误差如表3.6所示：温度低时误差大。如：气温为0度时，误差为2%，我国规定，-10以下就需停止使用,21,补充：通风干湿表观测方法,百叶箱通风干湿球表采用电动通风，使温度表球部维持在3.03.5m/s的气流速度，以提高准确性。整套仪器由一对感应部分为柱状的温度表、支架、三通管及通风系统组成。,22,补充：通风干湿表观测方法（续）,观测前的准备：巡视时，检查电路。观测前通风4分钟后，观测，观测完毕关闭通风。湿球结冰时，须先取下护套管，进行溶冰。由于故障或其它原因，无法通风时，应将两支温度表的通风保护管取下，按自然通风状态进行观测。气温低于-10.0时，湿球不作观测。水汽压、相对湿度、露点温度的查算。,23,3.3露点测定法,露点仪：能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。,24,3.3露点测定法（续）,露点仪的雏形如图3.3（与探空仪上所配的露点仪相似）主要部件：铜棒、薄的金属镜面、测温元件、加热器、显微镜。测量：加温镜面凝结注入冷冻液调整电流维持温度送样本空气减小电流镜面降温显微镜观测到凝结露斑,25,3.3露点测定法（续）,为提高测量的精度和速度，可以使用光电系统监视露滴的生成与消退。新型露点仪多采用半导体制冷系统，可以控制，初始阶段的冷却速率较快，而在接近露点前逐渐减缓其冷却速率。如图3.5,26,3.3露点测定法（续）,露点温度检测的精度取决于湿镜表面与镜面下的铂电阻温度表之间的温度梯度的大小。露点仪的测量精度可用科拉伯龙方程进行估计。由表3.7可以看出，露点仪是在低温下测湿的唯一有效方法。,27,3.3露点测定法（续）,影响露点仪测量精度的因素：凯尔文效应：镜面的结露温度低于真实的露点，其误差约为1乌拉尔特效应：空气和镜面不干净，偏高部分压力效应：测试空间内外有压差判断镜面凝结相态：低于0时必须判断相态操作失误：,28,3.4电学湿度表,基于空气湿度影响感湿材料的电学性能设计而成。,29,3.4.1碳膜湿度片,利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理，常用的有碳膜湿敏电阻和氯化锂湿度片两种。前者用高分子聚合物和导电材料碳黑，加上粘合剂配成一定比例的胶状液体，涂覆到基片上组成的电阻片；后者是在基片上涂上一层氯化锂酒精溶液，当空气湿度变化时，氯化锂溶液浓度随之改变从而也改变了测湿膜片的电阻。这类元件测湿精度较干湿表低，主要用在无线电探空仪和遥测设备中。,30,3.4.2高分子薄膜湿敏电容,是以高分子聚合物为介质的电容器，因吸收（或释放）水汽而改变电容值。它制作精巧，性能优良，常用在探空仪和遥测中。由芬兰Vaisala公司最先开发，称作“Humicap”，其结构如图3.8湿敏电容通常采用多谐波震荡器和低通滤波电路完成电容电压的转换。,31,3.4.2高分子薄膜湿敏电容（续）,湿敏电容的其它特性：温度系数：0.05%0.1%/滞差在相对湿度为5%90%内低于1%采取防污措施后，工作寿命为1年元件的滞后系数在常温下可保持在1s以下,32,3.5光学湿度计,吸收光谱法在现代湿度测量中占有一定的位置，而且是唯一用来测量快速脉动的方法。强水汽吸收带可在红外和紫外波段找到。,33,3.5光学湿度计（续）,根据Beer定律，单色光学辐射透过吸收介质的衰减可表示为：ln(F()/F0()=-wwlF0()发射光源的通量密度；F()到达检测器的通量密度；w水汽对该波长的吸收系数；w水汽密度（绝对湿度）；l光学路径。,34,3.5光学湿度计（续）,在w和l固定的情况下，测定比值F()/F0()，或某个输出电压V值，即可标定出相应的w值。现代光学湿度计多采用双通道的方式，以便达到绝对标定的目的。有两种方式：选择两个波长，一个是强水汽吸收带，一个是弱水汽吸收带选择一个已知水汽密度的样本通道，使用同一探测波长，比较待测样本和基准样本的值，以确定待测值,35,3.5光学湿度计（续）,最早开始投入使用的光学湿度计为紫外波段的拉曼阿尔法湿度计，工作波长为0.1216um，其光源管为充有氢气的直流激发的冷阴极电离管。管内加入了铀化氢，使谱线比较纯。光源管内还冲有适量的氖气作为缓冲气体。,36,3.5光学湿度计（续）,拉曼阿尔法湿度计未能解决的三个致命缺陷：在紫外水汽吸收线附近，存在着较强的氧气和臭氧吸收线。导致测量误差。光源管和检测管的寿命太短，只有几百到1000小时。仪器的分辨率为0.03露点，精度为0.6露点。不能探测大气中较小的湿度脉冲。,37,3.5光学湿度计（续）,转而进行红外湿度计的研制。缺陷：需要较长的吸收路径l，光源和检测元件有较大的温度系数。优势：其吸收谱线附近较少受到其它大气成分的干扰光源管和检测管可以使用通用的电子器件，使用寿命高达8000小时。,38,3.6湿度的控制和检定,恒湿箱和标准测湿仪器是校准和检定湿度仪器和元件的主要设备。恒湿箱的两个要求：能保持恒定的湿度数值；改变它的控制条件能迅速可靠地调整它的湿度值。湿度检测仪，应有高于待测仪器的精度和易于操作的两个特点。,39,3.6.1绝对测湿法（称重法）,是实验室内测湿的标准方法。原理：使体积为V的湿空气流过一个干燥管（或几个串联的干燥管），让干燥管把空气中的水汽全部吸收，然后称量干燥管所增加的质量，同时确定干燥管的空气体积或干空气的质量，便可直接确定空气的混合比或绝对湿度。原理图如3.17,40,3.6.1绝对测湿法（称重法）,绝对测湿法精度高，但周期长。露点仪也是一种可能用来作为标准湿度测量的仪器。为了提高恒湿箱的控制精度，可设法使其他物理量来确定箱内的湿度值。介绍三种常用方法。,41,3.6.2恒湿盐控湿法,试验证实，某些溶液（如流酸）的平衡相对湿度的温度效应很弱（表3.8）改变容器内溶液的浓度，可调整容器内空气的相对湿度，这种溶液称为恒湿盐。恒湿盐的选择要考虑它是否对元件有腐蚀作用。为了避免溶液在吸收时或释放水分后改变本身的浓度，多采用它们的饱和溶液。,42,3.6.3露点控湿法（双温法）,原理：利用控制温度来控制湿度。优点：借助控温和测温就可以直接控制和确定湿度。注意：保持管道的清洁，室内空气要除尘净化。,43,3.6.4部分压力法,假定检定容器内的气压为p，水汽压为e，若使容器内的气压降低一半，其中的水汽压同时也降低一半，在气温保持不变的条件下，相对湿度的数值也降低一半；反之压缩部分空气，使气压加大一倍，水汽压同时也加大一倍，同时相对湿度也加大了一倍。因此，只要知道初始的水汽压数值，就可获得不同的空气相对湿度。,