湿球温度测试

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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
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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
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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。

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3.2 干湿球湿度表
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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。
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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。
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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）
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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。 我国规定，-10℃以下就需停止使用
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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3.0—3.5 m/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。

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补充：通风干湿表观测方法（续）
1. 2. 3. 4.
5. 6.
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。


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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.2.2 干湿球湿度表系数的特征
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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(λ) / F0(λ)) = - αwρw l F0(λ)—发射光源的通量密度； F(λ)—到达检测器的通量密度； αw— 水汽对该波长的吸收系数； ρw —水汽密度（绝对湿度）； l —光学路径。
第三章 湿度的测量
向卫国
1
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。

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3.1 湿度的定义和单位（续）

混合比 γ 湿空气中水汽质量 mv 与干空气质量 ma 之 比，即
γ = mv / ma
3
3.1 湿度的定义和单位（续）

绝对湿度
ρw
单位体积的湿空气中所含水汽的质量。
ρw
=
mv / V
4
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)
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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）
1.
2.
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。
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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
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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 6.2 × 10-4
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3.2.1 基本原理（续）



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 6.465 × 10-4 Wylie和Lalas得到的A值为 6.20 × 10-4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
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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。
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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’ / ew’ × 100 % = γ / γs × 100 % = q / q s × 100 % 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。
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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。
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3.5 光学湿度计（续）

1.
2.
3.
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。
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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。 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。
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优势：

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：
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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。
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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。
25
3.3 露点测定法（续）
1.
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

32
3.5 光学湿度计（续）



在αw和 l 固定的情况下，测定比值F(λ) / F0(λ) ，或某 个输出电压 V 值，即可标定出相应的 ρw 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
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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。
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3.1 湿度的定义和单位（续）




露点温度 Td 和霜点温度 Tf Td 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。
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3.2.2 干湿球湿度表系数的特征（续）
1.
2.
3.
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
差约为1℃
2. 3. 4. 5.
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：
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3.4 电学湿度表
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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。
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3.4.2 高分子薄膜湿敏电容（续）
1. 2.
3.
4.
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
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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。