湿度测量仪器课件

湿度测量仪器1.2.1湿度的定义和单位大气中的湿度（Humidity）及其变化与天气变化有密切的关系。大气中的水汽是形成云雾、降水现象的重要因素，大气中水汽的水相转换是重要的能量传递方式。因此，湿度的变化往往是天气变化的前奏。低层大气中的水汽含量还直接影响农作物的生长；在工业生产方面也对湿度条件提出种种要求。因此空气湿度是重要的观测项目之一。1.2.1湿度的定义和单位湿度：表示空气中水汽含量的物理量。1.混合比γ：湿空气中水汽质量为MV，干空气质量为Ma：2.比湿q：3.绝对湿度ρv：单位体积的湿空气中所含水汽质量,即:水汽密度、水气浓度。4.水汽压当e<<P5.饱和水汽压水面饱和水汽压esw

：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esi

：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。世界气象组织(WMO)1966年推荐戈夫-格雷奇(Goff-Gratch)公式：(1)纯水表面饱和水汽压的对数为（0--100℃）(2)冰面的饱和水汽压对数（-100℃--0）7.相对湿度压力为P、温度为T的湿空气，其水汽压与水面饱和水汽压的比值的百分数。8.露点温度(Td)、霜点温度(Tf)Td定义：T、γ的湿空气，P不变，降温至Td使其对水面饱和时的温度Tf定义：T、γ的湿空气，P不变，降温至Tf使其对冰面饱和时的温度另外可导出以下常用关系式:1.2.2干湿球温度表结构：利用两支球部大小性状等配对的温度表，放在同一环境中（如百叶箱），其中一支用来测定空气温度，称为干球（DryBulb）；另一支球部包上湿润的纱布，称为湿球（WetBulb）。蒸发失去热量。湿球温度降低空气的流动，补给湿球热量。1.干湿球温度表的原理由于蒸发，湿球表面不断有耗散蒸发潜热，使湿球温度下降；由于湿球与四周空气有温差，则在稳定平衡时，湿球温度表蒸发支出的热量应等于与四周热空气交换得到的热量。单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量：式中γ为空气的混合比，γs(Tw)为湿球温度等于Tw时的饱和混合比；k为水汽扩散系数。因此湿球蒸发消耗的热量为：其中称为干湿温度表系数,可取作单位时间通过单位面积的湿空气与湿球对流热交换，传递给湿球的热量为：1.干湿球温度表的原理h：热扩散系数;T为干球温度;TW为湿球温度.令Q=Qm，设γ=0.622×e/p，γs(Tw)≈0.622×es(Tw)/p，可得到湿度计算公式：(1)式称为干湿表(绝对湿度)方程.（1）2.干湿球温度表系数特征影响A值的因子 利用干湿表方程计算湿度的主要问题是确定干湿表系数A值。从A值的定义可知，热扩散系数h和水汽扩散系数k是通风速度的函数，所以，A值必然与风速有关。即d=10mmd=4mm（1）N.Sworykin：A与风速的关系式中V的单位为m/s,在p=1013hPa，T=17

C，Tw=11

C条件下的实验结果。（2）Wylieardlalas(1981)被WMO定为标准干湿球温度表2.干湿球温度表系数特征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进临界值。曲线1——HM-5型通风干湿球温度表的A值与通风风速的关系曲线曲线2——Wylie的关系曲线2.干湿球温度表系数特征湿球温度表与空气之间的热交换特性A值存在的这种现象的主要原因是在推导（1）式时忽略了湿球温度表和空气之间的辐射热交换QR：考虑到整个湿球温度表的热交换过程是在蒸发消耗潜热与辐射热交换和对流热交换之间平衡，即：（1）式变为：2.干湿球温度表系数特征令：，实际的干湿表系数Monteith

提出：根据n=0.5，即实际A´的相对误差与风速的二次方根成反比，与湿球的直径的二次方根成正比。从物理过程可以看出，对流热交换随风速的增加而增加，而辐射热交换的热量却变化很小，因此当风速较大时，可以不考虑辐射热交换的影响。其结果是大风速时的A值与它的理论推算值接近。2.干湿球温度表系数特征除了辐射热交换之外，还可能由其它的热交换项参加总的热量平衡，例如：（1）湿球温度表的上部（未包扎湿球纱布部分）往下传递热量；（2）湿球的蒸馏水杯通过湿球纱布往上传递热量；（3）当湿球温度表距防辐射罩或套管臂接近时，湿球表面与通风罩内臂之间会产生辐射热交换。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，因此公式（1）将改写为：4.干湿球温度表的测试精度一般的玻璃温度表的读数可以估计到±0.1℃。假设干球或湿球中任意一支温度表误读0.1℃，对计算相对湿度产生的误差如表1.10所示。4.干湿球温度表的测试精度从图1.19中看出，图中给出不同的相对湿度下，在不同干球温度时干湿球温度差的变化。可见相对湿度变化1%，干湿球温度差的变化低温时比高温时要小的多。例如在－40℃时，相对湿度由1变化至100%。湿球温度只增加了0.25℃。因而干湿球温度表不适于在低温下测量大气湿度。按照我国现行规定，－10℃以下，就需停止使用干湿球温度表。1.2.3毛发湿度表和湿度计实验证明：相对湿度由0%变到100%时，毛发将伸长其本身长度的2.5%，但在各不同的湿度上其伸长量是不均等的。表1.11列出不同相对湿度情况下，毛发伸长量对总伸长量△L0的百分比。

从表上可以看出：相对湿度变化相同时，低湿时毛发伸长量大；高湿时毛发伸长量小。也就是湿度小时，毛发灵敏度大；湿度大时，毛发灵敏度小。测湿原理：毛发伸长量与相对湿度的关系相对湿度0--100%时，长度变化ΔL其中：毛发的滞后效应：测湿原理：毛发吸收水汽使长度变化，设：ω.单位体积含水量；A.横切面积变化为：测湿原理：解释：人的毛发贯串着许多细孔，通常，这些细孔内充满了呈弯月面的水。当空气湿度变化时，水汽便在细孔中凝结或蒸发，使水的弯月面曲率随之发生变化，从而引起毛细压力的变化。当空气相对湿度降低时，水的弯月面变得更弯曲，毛细压力增大而细孔收缩，这就引起毛发总长度的缩短。当相对湿度上升时，弯月面逐渐变得平直起来。毛细压力减小而细孔的宽度增大，使毛发伸长；空气饱和时，细孔水面是平坦的，这时毛发最长。毛发湿度表

（HairBarothermohygrogram）毛发湿度表

（HairBarothermohygrogram）当气温低于－10.0℃,湿度改由毛发表测定。毛发湿度表的误差：毛发感应湿度变化的滞后性随温度的降低、湿度的减小而增大。毛发湿度表的误差湿度的影响相对湿度为40%时的滞后时间为90%的三倍。当毛发在相对湿度＜30%的空气中搁置较久，会发生瘫痪现象（失去感应湿度变化的特性），这时应放在饱和空气中，才能逐渐恢复正常感应湿度的能力。温度影响分两个方面：一方面是毛发本身随温度的改变而发生长度改变（如图1.23所示）。另一方面，固定毛发的金属架也随温度升降而胀缩，毛发随温度虽也有热胀冷缩现象，但都是不规则的，显然，两者因胀缩情况不一，将引起示度的误差，又因毛发在不同相对湿度下增加量不等，则由温度引起的毛发长度变化，在不同的湿度下将引起不同的误差，湿度小时，因单位刻度间隔宽，影响就小，湿度大时就大。1.5℃由实验得知，在－20.0℃时落后时间比10.0℃时大9倍，－40.0℃以下，毛发表几乎不感应湿度变化。自动记录相对湿度连续变化的仪器毛发湿度计（HairHygrometer）毛发湿度计

（HairHygrometer）感应原理：同毛发湿度计，但为了增大拉力，感应部分由一束脱脂的毛发（约40—42根）组成它的感应部分。毛发湿度计

（HairHygrometer）传递放大部分:传递放大作用和调整放大倍率的作用。

自记部分自记部分与温度计相同。

1.2.4露点湿度计

（Drew-pointHygrometer）在一个光洁的金属镜面上等压降温，当温度降至空气的露点温度（Drew-pointTemperature）时，金属面上开始有微小的露珠凝结。测定金属片的表面温度，就可确定流过镜面样本空气的露点温度Td。当温度低于零度，镜面上的凝结物可能是小水滴，也可能是小冰晶，后者所处温度则为霜点温度Tf。由于整个过程中空气中的水汽压不变时，可以应用饱和水汽压的计算公式计算出水汽压的大小。1.2.4露点湿度计

（Drew-pointHygrometer）露点仪的组成：感应器：高度抛光的金属镜面、测温元件热控装置：冷却器、加热器凝结观测装置：光源系统、显微镜系统露点温度的测量：一般5次取平均先降温，镜面出现露点时，记为：再升温，最后一个露珠消失时，记为：这是一次完整记录1.2.4露点湿度计

（Drew-pointHygrometer）为了提高观测的精度和速度，可以使用光电系统监视露滴的生成和消退。将干镜的信号作为湿镜信号本底，抵消其镜面污染物的散射。影响露点仪测量精度的因素：式中K为波尔兹曼常数；

为水表面张力系数；

为水分子容积；

为露滴的曲率半径。在同温、同压下，弯曲水面饱和水汽压与平面饱和水汽压的关系为：结论：露滴的饱和水汽压高于平面饱和水汽压。因此，镜面的结露温度低于真实露点温度，误差约为-0.1℃。1.凯尔文效应：弯曲水面饱和水汽压esw.r；纯水平面饱和水汽压esw影响露点仪测量精度的因素：2.拉乌尔特（Rault)效应：由于空气和镜面有杂质，特别是有一定量的可溶性物质时，使饱和水汽压低于同温度下的洁净空气和镜面的饱和水汽压。降低的数值与溶液的克分子浓度有关。其中esw,n

:为空气中和镜面有杂质时的饱和水汽压；

n:杂质的克分子数；

N：总克分子数结论：这种效应将使露点温度值偏高。影响露点仪测量精度的因素：3、部分压力效应：仪器的空气循环系统可使测试空间内外存在一定的气压差。根据道尔顿分压定律，进入测试空间空气样本的水汽压，将按压差以同样的比例降低。例：如果要求水汽压测量的精度为5%，则在大气压力为1000hpa

时，室内外压差应小于5hpa。4、正确判断镜面凝结相态：当露点温度低于0℃时，注意判断镜面的凝结相态。将水滴判断为冰晶，或将冰晶判断为水滴，都将造成测量误差。温度越低，误差越大。影响露点仪测量精度的因素：6、温度测量的准确性：露点湿度计严格地说，利用铂电阻测得的露点温度，并不是真正的空气的露点温度，而是与空气相接触的某一湿镜表面的露点温度。它决定于湿镜表面结露的特性和状态，也决定于冷却过程的速度及冷却面的滞后性。5、操作失误操作不当将给测量结果带来较大误差。如降温太快，镜面将生成大露珠，将露珠蒸发完时，往往加热过量，导致测量过高。1.2.5电学湿度计

（ElectricHygrometer）主要应用水分对测湿材料的导电性能的影响来制作。1.碳膜湿度片材料：碳膜湿度片用溶胀性较好的高分子聚合物——羟乙基纤维素和聚丙烯酰胺为感湿材料，加上导电材料碳黑，以及分散剂凝胶配制成胶状液体，浸渍到聚苯乙烯片基上。1.碳膜湿度片原理：高分子聚合物吸湿后膨胀，使悬浮于其中的碳粒子接触概率减少，元件的电阻值增大；反之，当湿度降低时，聚合物脱水收缩，使碳粒子相互接触概率增加，元件的电阻值减小。通过测量元件的电阻值可以确定空气的相对湿度。低湿高湿1.碳膜湿度片标准：

为了制定标准化检定曲线，取相对湿度为33%时的电阻值R33为基准，在其他各个相对湿度下取比电阻值RU/R33与相对湿度建立对应关系，如图1.29所示。缺点一：碳湿敏元件的一个缺点存在明显的温度系数。1.碳膜湿度片

应用：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。缺点二：碳湿敏元件存在一定的升湿和降湿滞差2.高分子薄膜湿敏电容制作过程：传感部分完全平铺在一片玻璃基片上。首先在基片上真空喷涂一层金属膜作为电容器的一个基底电极。然后在基底电极上均匀喷涂0.5～1μm厚的吸湿材料——醋酸纤维素。最后在吸湿材料上真空喷镀上表面电极，表面电极的厚度为0.02μm，保证水汽分子能通过表面电极渗透进入吸湿层。2.高分子薄膜湿敏电容由于表面电极的厚度太薄，因而无法进行任何引线的焊接，基底电极实质上是由两块相互分离的金属膜组成，并分别引出焊接线，它们分别对表面电极形成两个电容C1和C2。因而从基片引线测量其电容量，实际上为C1和C2的串联值。元件在相对湿度为零时，其总电容量约为40pF，相对湿度达到100%时，其电容量可增加30%～50%。湿敏电容的特性:(1)温度系数为0.05%～0.1%℃－1。(2)滞差在相对湿度为5%～90%内低于1%。(3)在采取了防止污染物贴附的措施之后，其寿命为1年。(4)元件的滞后系数在常温下可保持1s以下。影响湿敏电容滞后系数最主要