空氣溼度及其測量方法

2021-01-14 空調試驗室

      先來個問題：你認為在什麼地方唱歌最容易跑調？

      我們的聲帶由一對左右對稱的黏膜組成。發聲時，從氣管和肺衝出的氣流不斷衝擊聲帶，引起聲帶振動而發聲。聲帶通過控制氣流，來控制我們說話或唱歌的聲調。有意思的是，在乾燥的環境中，唱歌很難不走調。

      研究人員統計了遍布全球的3700多種語言後，他們發現，擁有複雜音調的語言——比如粵語、越南語和許多非洲語言——更容易出現在地球上潮溼的地區。由此猜測，正是溼度賦予了語言豐富的聲調。

      研究顯示，絕大多數有著複雜聲調的語言，都出現在東南亞和非洲的熱帶地區，少量位於北美、亞馬孫流域和紐幾內亞的潮溼地區。而非多聲調語言，例如包括英語在內的各種歐洲語言，一般都出現在更乾燥的地方——寒冷的北方或者乾燥的沙漠。

      之所以產生這種有趣的格局，是因為空氣的溼度大小會影響聲帶的彈性。聲帶表面的黏液層中的水分和多糖體有固定比例，以保持黏液層鬆軟、有彈性，這是發聲的關鍵。吸入乾燥的空氣會讓聲帶脫水，導致黏液層的粘稠度上升，彈性下降，很難發出複雜的聲調。


一、溼度的定義
      比較經典的說法：空氣溼度（簡稱溼度）是表示空氣中的水汽含量和潮溼程度的物理量。

      溼度的表示方式有很多種，常用的有絕對溼度、比溼、混合比、相對溼度和露點等。

      日常生活中所指的溼度常為相對溼度，用%RH（Relative Humidity）表示，即氣體中的水蒸氣壓與其氣體的飽和水蒸氣壓的百分比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。
                                               溼度的表達方式
  

      AH: 絕對溼度（Absolute Humidity）, 單位質量或體積空氣中所含溼氣的多少，單位g/kg或g/m3；
      SH: 飽和溼度（Saturation Point Humidity)，單位質量或體積空氣中所能保有的最大溼氣量。



二、溼度的檢測與分類
      對於溼度的檢測人類發明了很多方法，根據工作原理的不同進行分類，一般有如下幾種：
1）伸縮式
      這是使用歷史較久的傳感器， 如最早出現的毛髮溼度計。主要是根據測定材料的在不同溼度時伸縮不同進行溼度測量， 材料選用毛髮、尼龍絲等。由於毛髮、尼龍絲溼度敏感元件的反應速度慢，相對溼度與輸出位移量的變化不成線性關係，使用的時間長久之後，易塑性變形和老化，但這種敏感元件因具有構造簡單，工作可靠，價廉和不需要經常維護等優點，雖然精度不高(一般為±15%)，但能滿足舒適性空調等一般要求。


毛髮溼度計構造原理圖


一種毛髮溼度計


      頭髮對溼度很敏感，空氣潮溼時，直發會變彎，而捲髮會更卷。瑞士的物理學家索斯爾也發現了這一有趣的現象，然後他利用頭髮製造了世界上第一個頭髮溼度計。

      索斯爾將一束1英寸長的頭髮一端固定到螺釘上，另一端則穿過滑輪，與一重物相連。頭髮吸水溼潤之後會變短，帶動重物向上移動。索斯爾則根據重物移動的距離，來計算空氣的溼度。

      雖然頭髮溼度計很粗糙，你甚至可以自己在家動手做，但一直到上世紀60年代，頭髮溼度計才退出歷史舞臺，被電子溼度計取代。


2）蒸髮式
      也稱為乾濕球溼度計，利用當大氣壓力和風速不變時，水分蒸發時必須向外界吸收熱能這一效應研製而成。方法是採用兩個相同的溫度傳感器分別放於被測溼度場和飽和溼度場中，當空氣中的相對溼度發生變化時， 兩個溫度傳感器就會出現差值，從而測定空氣中的相對溼度。

      放在飽和溼度場的溫度傳感器測出的溫度就叫做溼球溫度，為什麼叫「溼球」呢？因為要營造飽和溼度場，所以該傳感器探頭被一個用水浸溼的棉球包裹著，所以很形象的稱為「溼球溫度」。與之相對的，放在被測環境中未浸溼的那個傳感器測出的溫度，我們稱為「幹球溫度」。

乾濕球溼度計原理圖


      這種方法可靠、簡單、便於維護、容易判斷是否故障。但要注意三點：一、溼球處的風速要達到2.5m/s以上；二、溼球紗布需要經常更換；三、溼球紗布處的供水要保證不能斷，使紗布一直保持溼潤。


3）露點式
      當一固體冷卻至足以使周圍水蒸氣凝固時，固體上面開始結露。測出此物體表面的溫度，即露點溫度。獲得此量後， 再加上溫度和氣壓，就可以換算為任何需要的溼度表示。


4）電子式
      利用材料的電特性與空氣中溼度變化呈現一定的關係確定氣體溼度。主要有：①電阻式，利用吸溼性能較好的物質吸附水汽後電阻發生變化而製得， 但由於電阻受溫度影響較大， 固有的溫度係數使其不能工作在很寬的溫度範圍內。②電容式，利用感溼材料吸水後介電常數發生變化而改變電容值。它與電阻型溼度計相比有顯著的優勢：靈敏度高， 功耗低， 溫漂小， 其優良的性能受到了科學家們的普遍關注。由於易於與COMS工藝相結合， 便於實現小型化、集成化， 因此現在市面上出售的溼度計絕大部分都是電容型的。

      上述四種溼度測量方式中，使用最廣泛的是蒸髮式（乾濕球溼度計）與電子式（相對溼度傳感器）。

       我們在空調實驗室中測量溼度，通常用溼球溫度，因為這種方式精度較高，但有個缺點，零度以下時無法測量溼度，因為紗布上的水結冰了，無法通過蒸發的方式體現溼度了。這時就可以用相對溼度傳感器來測量溼度。

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