湿度测量 幻灯片.ppt
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1、湿度湿度测量量 第1页,共84页,编辑于2022年,星期日第五章第五章 湿度测量湿度测量2023/1/102 25.15.1概述概述5.25.2常用测湿仪器常用测湿仪器5.35.3标准仪器和校准标准仪器和校准第2页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.0为何要何要进行行湿湿度度观测?5.1.1空空气湿气湿度的定度的定义5.1.2表示表示湿湿度的度的参参量量2023/1/105.1 概述概述5.1.3 空空气湿气湿度的度的测量方法量方法第3页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.0 5.1.0 为何要进行湿度观测为何要进行湿度观测?大气中的湿度及其变化与天气变化有密切的关系:大气中的
2、湿度及其变化与天气变化有密切的关系:n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;n低层大气中的水汽含量还直接影响农作物的生长;n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因此,空气湿度是重要的观测项目之一。第4页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.1 空气湿度的定义空气湿度的定义一、概念一、概念v空气湿度,简称湿度,是表示空气中水汽含量和潮湿空气湿度,简称湿度,是表示空气中水汽含量和潮湿程度的物理量。程度的物理量。v地面观测中测定的是离地面地面观测中测定的是离地面1.50
3、米高度处的湿度。米高度处的湿度。第5页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.1 空气湿度的定义空气湿度的定义二、地面气象观测中测定的几种湿度量二、地面气象观测中测定的几种湿度量(一)水汽压(一)水汽压(e):大气中水汽所具有的压强,也称水汽张力。是:大气中水汽所具有的压强,也称水汽张力。是大气压强的一部分。单位:百帕(大气压强的一部分。单位:百帕(hPa),取一位小数,),取一位小数,v空气中水汽达到饱和状态时的水汽压称为饱和水汽压空气中水汽达到饱和状态时的水汽压称为饱和水汽压(或最大水汽(或最大水汽张力),以张力),以eW表示,是温度的函数。表示,是温度的函数。(二)相对湿度(二)相对
4、湿度(U):空气中实有水汽压与同一温、压条件下的饱和:空气中实有水汽压与同一温、压条件下的饱和水汽压的百分比,取整数。水汽压的百分比,取整数。(三)露点温度(三)露点温度(td):湿空气在水汽含量不变的条件下,等压冷却:湿空气在水汽含量不变的条件下,等压冷却到饱和时的温度。单位到饱和时的温度。单位,取一位小数。,取一位小数。(5-1)第6页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.2 表示湿度的参量表示湿度的参量常用的几种如下:常用的几种如下:(1)湿空气的混合比)湿空气的混合比r:空气中水汽质量:空气中水汽质量mv与干空气(与水汽与干空气(与水汽相结合成湿空气)质量相结合成湿空气)质量ma
5、之比,即之比,即(5-2)(2)比湿)比湿q(湿空气的质量浓度或水汽含量):水汽质量(湿空气的质量浓度或水汽含量):水汽质量mv与此水与此水汽所在的湿空气质量汽所在的湿空气质量mv+ma之比,即之比,即(3)水汽浓度(混合气体中水汽密度或绝对湿度)水汽浓度(混合气体中水汽密度或绝对湿度)V:水汽质量:水汽质量mv与混合气体所占有的容积与混合气体所占有的容积V之比,即之比,即(5-3)(5-4)第7页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.2 表示湿度的参量表示湿度的参量(4)湿空气样本中水汽的摩尔份数:由干空气质量)湿空气样本中水汽的摩尔份数:由干空气质量ma和水汽质量和水汽质量mv组成的
6、湿空气样本中水汽的摩尔份数组成的湿空气样本中水汽的摩尔份数V,是,是水汽摩尔数水汽摩尔数nV与样本的与样本的摩尔总数摩尔总数nV+na之比之比:(5-5)式中,式中,nV=mV/MV;na=ma/Ma样本中干空气的摩尔数。样本中干空气的摩尔数。(5)水汽压)水汽压e:空气中水汽部分作用在单位面积上的压力,多数测:空气中水汽部分作用在单位面积上的压力,多数测湿元件能直接测量的湿度量值。当湿空气的总压为湿元件能直接测量的湿度量值。当湿空气的总压为p和混合比为和混合比为r时,水汽压时,水汽压e定义为定义为(5-7)(6)饱和水汽压:分为纯水汽的饱和水汽压)饱和水汽压:分为纯水汽的饱和水汽压及及湿空气
7、的饱和水汽压。湿空气的饱和水汽压。纯水汽的饱和水汽压纯水汽的饱和水汽压eW(或(或ei):相对于水的纯水汽的饱和水汽压):相对于水的纯水汽的饱和水汽压eW,就,就是在相同的温度和气压下,与具有平表面的纯水共处于中性平衡状态的水是在相同的温度和气压下,与具有平表面的纯水共处于中性平衡状态的水汽压。汽压。第8页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.2 表示湿度的参量表示湿度的参量v同理,相对于冰的纯水汽的饱和水汽压同理,相对于冰的纯水汽的饱和水汽压ei可依此类推。可依此类推。eW和和ei只与只与温度有关。温度有关。v湿空气的饱和水汽压湿空气的饱和水汽压eW:在气压:在气压p和温度和温度T下,
8、相对于水面的湿空气下,相对于水面的湿空气饱和和水汽压定义为饱和和水汽压定义为(5-8)同理,在气压同理,在气压p和温度和温度T下,相对于冰面的湿空气饱和水汽压下,相对于冰面的湿空气饱和水汽压ei定义为定义为(5-9)式中,式中,rW和和ri湿空气对水面、冰面的饱和混合比。湿空气对水面、冰面的饱和混合比。v纯水饱和水汽压和湿空气的饱和水汽压之间的关系:在气象学所涉纯水饱和水汽压和湿空气的饱和水汽压之间的关系:在气象学所涉及的气压和温度的范围内,及的气压和温度的范围内,eW=eW,ei=ei 。其误差在其误差在0.5%以内。以内。第9页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.2 表示湿度的参量
9、表示湿度的参量(7)热力学露点温度)热力学露点温度Td和霜点温度和霜点温度Tfv热力学露点温度热力学露点温度Td:气压为:气压为p和混合比为和混合比为r的湿空气,在给定气压的湿空气,在给定气压下,相对于水面达到饱和状态时,其饱和混合比与给定的混合比下,相对于水面达到饱和状态时,其饱和混合比与给定的混合比r相等相等的湿空气所处的温度。的湿空气所处的温度。v热力学霜点温度热力学霜点温度Tf:气压为:气压为p和混合比为和混合比为r的湿空气,在给定气压下,的湿空气,在给定气压下,相对于冰面达到饱和状态时,其饱和混合比与给定的混合比相等的湿相对于冰面达到饱和状态时,其饱和混合比与给定的混合比相等的湿空气
10、所处的温度。空气所处的温度。第10页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.2 表示湿度的参量表示湿度的参量(8)气压为)气压为p和温度为和温度为T的湿空气相对于水面的相对湿度的湿空气相对于水面的相对湿度Uw:v等于此湿空气中水汽的摩尔份数等于此湿空气中水汽的摩尔份数V,与在相同温度,与在相同温度T和相同气压和相同气压p的的湿空气达到相对于水面的饱和状态所应有的水汽摩尔份数湿空气达到相对于水面的饱和状态所应有的水汽摩尔份数vw之之比的百分数。比的百分数。(5-11)第11页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.3 空气湿度的测量方法空气湿度的测量方法气象上用于测量空气湿度的方法,主要
11、有以下几种:气象上用于测量空气湿度的方法,主要有以下几种:(1)干湿表法)干湿表法:利用蒸发表面冷却降温的程度随湿度:利用蒸发表面冷却降温的程度随湿度而变的原理来测定水汽压。而变的原理来测定水汽压。主要用于气象观测工作,也常用作校准。主要用于气象观测工作,也常用作校准。(2)吸收法)吸收法:利用吸湿物质吸湿后的尺度变化或电性:利用吸湿物质吸湿后的尺度变化或电性能变化来测相对湿度。能变化来测相对湿度。主要用于自动测量上,常用吸湿物质有毛发、肠膜元主要用于自动测量上,常用吸湿物质有毛发、肠膜元件、氯化锂、氧化铝等。件、氯化锂、氧化铝等。(3)凝结法)凝结法:测量凝结面降温产生凝结时的温度,即:测量
12、凝结面降温产生凝结时的温度,即露点温度。露点温度。可用于气象观测或工作标准。可用于气象观测或工作标准。第12页,共84页,编辑于2022年,星期日5.1.3 空气湿度的测量方法空气湿度的测量方法(4)电磁辐射吸收法)电磁辐射吸收法:利用水汽对电磁辐射的吸收:利用水汽对电磁辐射的吸收来测量湿度。来测量湿度。在电磁波谱中,最有用的区域是紫外区和红外区。在电磁波谱中,最有用的区域是紫外区和红外区。因此,这项技术常归类为光学测湿法。因此,这项技术常归类为光学测湿法。(5)称重法)称重法:直接对一个空气样品的水汽含量进行:直接对一个空气样品的水汽含量进行绝对的测量,并以混合比表示此空气样品的湿度。绝对的
13、测量,并以混合比表示此空气样品的湿度。此方法准确度高,但方法复杂,需要时间长,操作此方法准确度高,但方法复杂,需要时间长,操作复杂,一般只在实验室用来对参考标准器提供绝对复杂,一般只在实验室用来对参考标准器提供绝对校准。校准。第13页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1干干湿湿球球湿湿度表度表5.2.2 毛毛发湿湿度表和毛度表和毛发湿湿度度计5.2.3露点露点湿湿度表度表5.2.4 电电学湿学湿度表度表2023/1/1014145.2 常用测湿仪器常用测湿仪器5.2.5电磁磁辐射吸收射吸收湿湿度表度表第14页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表一、
14、测量原理一、测量原理二、干湿表测湿系数二、干湿表测湿系数A三、干湿表的测量误差来源三、干湿表的测量误差来源四、低于冰点时湿球的操作四、低于冰点时湿球的操作第15页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表一、测量原理一、测量原理(一)结构与测湿原理(一)结构与测湿原理图图 5 1 干湿球湿度表干湿球湿度表主要由两支型号完全一样的温度表组成。主要由两支型号完全一样的温度表组成。其中一支温度表的感应部分的表面包上其中一支温度表的感应部分的表面包上润湿的纱布,称为润湿的纱布,称为湿球或冰球湿球或冰球;另一支;另一支温度表的感应部分则简单地裸置于空气温度表的感应部分则简单
15、地裸置于空气中,称为中,称为干球干球。两支温度表置于相同。两支温度表置于相同的环境之中。的环境之中。当空气中的水汽含量未达饱和时,湿球当空气中的水汽含量未达饱和时,湿球表面的水份不断然发,消耗湿球的热量表面的水份不断然发,消耗湿球的热量而降温;同时又从流经湿球的空气中不而降温;同时又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗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衡时,湿球温度就不再继续下降。从而。从而维持了一相对稳定的干湿球温度差。维持了一相对稳定的干湿球温度差。第16页,共84页,编辑于2
16、022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表v干湿球温度差值的大小,主要与当时的空气湿度有干湿球温度差值的大小,主要与当时的空气湿度有关关。空气湿度越小,湿球表面水分蒸发就越快,湿。空气湿度越小,湿球表面水分蒸发就越快,湿球温度降得越多,干湿球温度差就越大;反之,湿球温度降得越多,干湿球温度差就越大;反之,湿度大,湿球水份蒸发慢,湿球温度降低得少,干湿度大,湿球水份蒸发慢,湿球温度降低得少,干湿球温度差就小。球温度差就小。当然干湿球温度差值的大小还与其它一些因素,如湿球附近的当然干湿球温度差值的大小还与其它一些因素,如湿球附近的通风速度、气压、湿球大小、润湿方式等有关。通风速度、气压、
17、湿球大小、润湿方式等有关。v我们可以根据干湿球温度值,以及一些其它因素,我们可以根据干湿球温度值,以及一些其它因素,从理论上推算出当时的空气湿度来从理论上推算出当时的空气湿度来。第17页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表(二)干湿表实用测湿公式(二)干湿表实用测湿公式v湿球球部同时进行两个热量吸收过程:湿球球部同时进行两个热量吸收过程:(a)球部表面水分蒸发,带走(吸收)湿球球部热量;(b)球部温度低于周围气温,从周围空气吸收热量;v二者到达平衡,湿球温度不再下降,由此可求出干湿表实用测二者到达平衡,湿球温度不再下降,由此可求出干湿表实用测湿公式湿公式第1
18、8页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表(a)单位时间内湿球表面纱布上蒸发单位时间内湿球表面纱布上蒸发M克水分,带走热量克水分,带走热量Q:(5-15)(5-14)式中,式中,S:湿球球部的表面积,:湿球球部的表面积,etW:湿球温度下的饱和水汽压,:湿球温度下的饱和水汽压,e:当:当时空气中的水汽压,时空气中的水汽压,P:当时的气压,:当时的气压,C:随风速而变的系数。:随风速而变的系数。L蒸发潜热。蒸发潜热。由道尔顿蒸发定律由道尔顿蒸发定律式中式中S:进行热交换的表面积,即湿球球部表面积,:进行热交换的表面积,即湿球球部表面积,t:干球温度,:干球温度,
19、tW:湿:湿球温度,球温度,k:热量交换系数。:热量交换系数。(c)当球部表面水分蒸发带走球部热量,与球部从周围空气吸热相等时,当球部表面水分蒸发带走球部热量,与球部从周围空气吸热相等时,湿球温度就不再下降而稳定在某一个数值上,此时湿球温度就不再下降而稳定在某一个数值上,此时Q=Q.=(b)单位时间内湿球球部从周围空气吸收的热量单位时间内湿球球部从周围空气吸收的热量Q:第19页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表v即:即:此式即为此式即为干湿表实用测湿公式干湿表实用测湿公式。式中,式中,A=k/(CL)为为干湿表测湿系数干湿表测湿系数。(5-16)式中,式中
20、,e:当时空气中的水汽压。:当时空气中的水汽压。etW:湿球温度下的饱和水汽压。:湿球温度下的饱和水汽压。P:当时的气压。:当时的气压。t:干球温度,:干球温度,tW:湿球温度。:湿球温度。第20页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表一、测量原理一、测量原理二、干湿表测湿系数二、干湿表测湿系数A三、干湿表的测量误差来源三、干湿表的测量误差来源四、低于冰点时湿球的操作四、低于冰点时湿球的操作第21页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表二、干湿表测湿系数二、干湿表测湿系数A影响干湿表测湿系数影响干湿表测湿系数A的因素:的因素:
21、v从实用测湿公式来看,干湿表系数从实用测湿公式来看,干湿表系数A=k/(CL)主要取决于流经湿主要取决于流经湿球球部的风速。球球部的风速。v实际上实际上A值也与湿度大小、形状、质料以包裹的纱布和湿润方式值也与湿度大小、形状、质料以包裹的纱布和湿润方式疗关。疗关。可以从理论上来计算可以从理论上来计算A值,但实用上决定值,但实用上决定A值都用实验直接测定。值都用实验直接测定。第22页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表对于固定形状、大小的干湿表来说,对于固定形状、大小的干湿表来说,A值基本上只与风速有关,如图值基本上只与风速有关,如图 5 2所示。所示。在通风速
22、率较低时,在通风速率较低时,A值显值显著地受通风速率的影响著地受通风速率的影响;在通风速率为在通风速率为35m/s(对(对常规尺度的温度表而言)常规尺度的温度表而言)或更高时或更高时,对于设计精良,对于设计精良的干湿表,的干湿表,A值实质上就值实质上就不再随通风速率而变化不再随通风速率而变化。图 52 A值随风速变化的测定结果第23页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表从从A值随风速的变化关系,我们可以得到一个启示,值随风速的变化关系,我们可以得到一个启示,为了使湿球温度为了使湿球温度读数稳定,简化湿度计算,最好用人工通风方法在湿球附近维持较大读数稳定,简化
23、湿度计算,最好用人工通风方法在湿球附近维持较大的固定风速的固定风速(世界气象组织推荐(世界气象组织推荐24m/s),),使使A值保持为一常值保持为一常数数,以便在实践中具体实现测湿公式成立的理想条件。,以便在实践中具体实现测湿公式成立的理想条件。第24页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表一、测量原理一、测量原理二、干湿表测湿系数二、干湿表测湿系数A三、干湿表的测量误差来源三、干湿表的测量误差来源四、低于冰点时湿球的操作四、低于冰点时湿球的操作第25页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表三、干湿表的测量误差来源三、干湿表的
24、测量误差来源(a)温度表的示值误差)温度表的示值误差:湿球湿球/冰球温度误差会引起相对湿度的显著计算冰球温度误差会引起相对湿度的显著计算误差误差。空气温度空气温度()由湿球由湿球(冰球冰球)温度误差引温度误差引起的相对湿度误差起的相对湿度误差(%)(tx)=0.5K(tx)=0.1K306012202751014308210512040.53030.54020.55021当当t0时为湿球时为湿球;当当t0时为冰球。时为冰球。v条件:条件:相对湿度相对湿度=50%;湿球湿球/冰球温度误差量冰球温度误差量=(tx)。v结果:结果:由此湿球由此湿球/冰球温度冰球温度(包含误包含误差差)计算相对湿度引
25、起了显计算相对湿度引起了显著误差。著误差。第26页,共84页,编辑于2022年,星期日5.2.1 干湿球湿度表干湿球湿度表 因此,在干湿表方法的测量中,必须知道温度表在其实际测温范因此,在干湿表方法的测量中,必须知道温度表在其实际测温范围内的示值误差,以便在应用湿度查算表之前可以将所有读数予围内的示值误差,以便在应用湿度查算表之前可以将所有读数予以修正。以修正。(b)温度表的滞后系数)温度表的滞后系数:要使得干湿表的准确度为最高,就需要使干:要使得干湿表的准确度为最高,就需要使干球温度表和湿球温度表具有近乎相同的滞后系数;对于球部形状尺寸球温度表和湿球温度表具有近乎相同的滞后系数;对于球部形状
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