低温环境相对于湿度测量的分析与研究

卜天容

广西壮族自治区计量检测研究院广西

引言

随着社会经济的发展，人们对湿度关注程度越来越高。湿度测量最早用于气象方面，现在已扩展到科学研究、工业、农业、仓储运输、日常生活等各个领域。每到冬季，气候异常干燥。保持室内相对湿度可预防感冒。其一，环境相对湿度过低使流感病毒和致病力强的革兰氏阳性菌繁殖速度加快，而且随粉尘扩散，引起疾病流行。其二，环境相对湿度过低可使人的呼吸系统抵抗力下降，诱发和加重呼吸系统疾玻低温相对湿度测量是测湿过程中比较特殊的部分，较多用于气象中的高空探测、电子仪器设备环境试验的模拟运输和储存以及食品的保鲜。有些计量部门的湿度校准实验室配备有能够提供低温环境的标准湿度发生器，用来在0℃以下环境中校准相对湿度计和传感器。

1、相对湿度相关阐述

相对湿度是指在一定的温度下，空气中水蒸气分压与相同温度下饱和水蒸气压的比值。当温度高于0℃时，水只能以一种稳定的热力学状态存在，它可以是气体，即水蒸气，同时水蒸气也可能冷凝成水，就是结露。当温度低于零度时，水既可以以气体存在，也可以呈固体存在，即结冰(霜)。与我们的直觉相反，水在0℃以下还存在第三种热力学状态--过冷水。0℃以下的液态水是一种不稳定状态，它的能级处于水蒸气和冰之间。在温度0℃～-40℃范围内，过冷水存在的现象还是比较普遍的。计算0℃以下时的相对湿度有两种截然不同的方法，我们称之为标准方法和WMO方法(WMO为世界气象组织)。

2、相对湿度的计算方法

相对湿度是单位体积空气内实际所含的水气密度（用d1表示）和同温度下饱和水气密度（用d2表示）的百分比，即RH（%）=d1/d2x100%；另一种计算方法是：实际的空气水气压强（用p1表示）和同温度下饱和水气压强（用p2表示）的百分比，即RH（%）=p1/p2x100%。利用干湿球温度计算相对湿度的公式，则相对湿度U的计算公式：

（1）

3、低温环境相对于湿度测量方法

3.1相对湿度计算的标准方法

结合上述的标准计算方法，会在环境温度高于0℃和低于0℃时，分别有不同的公式计算出水面上或冰面上的饱和水蒸气压值。式中E为水蒸气分压，通常通过仪器测量得到，最常用的仪器是镜面式的露点仪，可以准确测量气体的露点温度或霜点温度。通过上文提到的计算公式，可以得知露点温度下或霜点温度下饱和水蒸气压，即气体环境温度下的水蒸气分压值E，如果忽略露点或霜点所造成的温度差别，则水蒸气分压E是不变的。

在计算相对湿度的标准方法中，如果是露点，则计算水面上的饱和水蒸气压，是霜点则计算冰面上的饱和水蒸气压。同样，当环境温度高于0℃时，计算水面上的饱和水蒸气压，温度低于0℃时，则计算冰面上的饱和水蒸气压。这样通过公式(1)计算得到的相对湿度最大值为100%RH。

3.2WMO方法计算相对湿度

WMO方法与标准方法计算相对湿度的差异只发生在当气体温度低于0℃的时候，在大气环境中，气温低于0℃时水蒸气往往冷凝成过冷水(而不是冰或霜)。实际上，当用镜面露点仪测量露点在0℃～-20℃范围时，镜面上也容易形成过冷水。镜面上的过冷水是不稳定的，此时的镜面温度低于镜面上结霜时的温度，但其水蒸气压值是相同的。

由于过冷水现象容易发生在云层中和大气层上方，世界气象组织早在50年前就决定采用水面上的饱和水蒸气压值而不考虑气温是多少。这样就导致在给定的温度下，饱和水蒸气压值高于同一温度下冰面上方的饱和水蒸气压值。WMO的目的是为了防止在大气中出现过冷水时相对湿度超过100%RH，在这种情况下，我们可以把被过冷水所饱和的大气认为是被过量的冰所饱和。依据WMO的计算方法所得到的100%RH的相对湿度值实际上要大于由标准方法计算出的100%RH。还有重要的一点是，无论使用哪一种方法，水蒸气分压值是完全一样的，只是饱和水蒸气压值不同，这取决于大气中的水是冰还是过冷水。

3.3分析与建议

WMO方法和标准方法计算相对湿度的唯一不同是饱和水蒸气压基于水面还是冰面，气温越低，水面和冰面上的饱和水蒸气压值相差越大，因而两种方法计算相对湿度所造成的差别越大。对于校准实验室和计量检测部门，通常是采用上文提到的标准方法计算0℃以下的相对湿度。在湿度量值传递系统中，广泛使用镜面式的精密露点仪作为湿度量传标准器。依据精密露点仪的检定规程，在镜面温度低于0℃时，仪器应配有判断镜面上生成的是霜(冰)还是露(过冷水)的装置。用露点仪做标准器校准相对湿度计时，必须修正霜和过冷水对计算相对湿度所带来的偏差。

4、优化方案

由渗透管湿度发生器作为湿度标准源，产生一定露点值的标准湿气，流过安装有被校准湿度计的取样器。取样器安放在恒温恒湿箱中，设定好需要的环境温度。在取样器的出口处，连接湿度测量的标准仪器---精密露点仪。整个气路连接要求密封良好，不能有泄露。选取两只铂电阻温度计，一只安装在湿度计取样器内部，另一只放在恒温恒湿箱中，用来监测箱体内温度的均匀性。在恒温恒湿箱降温的过程中，管路中要保持流过有适当干燥的气体，以防止湿度计取样器和气体管路内部在温度降到0℃以下后发生结霜的状况。

结束语

综上所述，相对湿度对人类健康、工业生产都有着重要意义，这就需要不断加强低温环境下，相对湿度的测量研究，保证相对湿度的测量精度，从而为改善生活环境、生产环境奠定基矗

参考文献

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