Meteorologia doświadczalnaMeteorologia doświadczalnaWykład 6Wykład 6

Pomiary wilgotności powietrzaPomiary wilgotności powietrza

Krzysztof MarkowiczKrzysztof Markowicz

kmark@igf.fuw.edu.plkmark@igf.fuw.edu.pl

Cykl hydrologicznyCykl hydrologiczny

Cykl hydrologicznyCykl hydrologiczny średni czas trwania 4.2 dnia średni czas trwania 4.2 dnia

ParowanieParowanie

Kondensacja (chmury)Kondensacja (chmury)

OpadOpad

Retencja Retencja

Pomiary wilgotnośćPomiary wilgotność

Pomiary wilgotności charakteryzują się stosunkowo małą Pomiary wilgotności charakteryzują się stosunkowo małą dokładnością, która wynosi około 2%dokładnością, która wynosi około 2%Brak wzorca wilgotność utrudnia kalibracje przyrządówBrak wzorca wilgotność utrudnia kalibracje przyrządów

TR

eV

TR

e v ]m/g[

T

e217

T

e

R3

v

Przyjmować będziemy, że para wodna spełnia równanie Przyjmować będziemy, że para wodna spełnia równanie stanu gazu doskonałego:stanu gazu doskonałego:

Gęstość pary wodnej jest rzadko mierzona, znacznie Gęstość pary wodnej jest rzadko mierzona, znacznie częściej wyznacza się inne wielkości określające wilgotność częściej wyznacza się inne wielkości określające wilgotność powietrza.powietrza.

Wilgotność względnaWilgotność względna

e, Ee, E - aktualne i maksymalne ciśnienie pary wodnej czyli - aktualne i maksymalne ciśnienie pary wodnej czyli prężność. Prężność pary nasyconej zależy jedynie od prężność. Prężność pary nasyconej zależy jedynie od temperatury powietrza jednak jest ona inna nad woda i temperatury powietrza jednak jest ona inna nad woda i nad lodem.nad lodem.

%100)t(E

ef

tb

at

o10EE Przybliżony wzór Magnusa

Wilgotność względna powietrza określa stopień nasycenia powietrza parą wodną.

23.5470 T4.9283log - 2937.4/T- Elog 1010

Wilgotność właściwaWilgotność właściwa

Definiowana jest jako stosunek gęstości pary wodnej do Definiowana jest jako stosunek gęstości pary wodnej do gęstości powietrzagęstości powietrzaJest wielkością niezmienniczą podczas procesów Jest wielkością niezmienniczą podczas procesów adiabatycznych w powietrzu w którym nie dochodzi do adiabatycznych w powietrzu w którym nie dochodzi do kondesacji pary wodnejkondesacji pary wodnej

vqRT

epd

RT

ev

]kg/g[p

e622

e)1(p

e622q

ep

e

dry

v

Stosunek zmieszania

(masowy) q

Temperatura punktu rosy )e(Et 1d

Deficyt (niedosyt) wilgotności eE

Temperatura wirtualna )q608.01(TTw

Wymagania WMO dotyczące dokładności Wymagania WMO dotyczące dokładności pomiarów wilgotnościpomiarów wilgotności

Wilgotności względnej w zakresie od 5-100% dokładności:Wilgotności względnej w zakresie od 5-100% dokładności:

3 % dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznej3 % dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznej

1 % dla potrzeb agrometeorologii1 % dla potrzeb agrometeorologii

temperatura punktu rosy w zakresie -60 do 35 temperatura punktu rosy w zakresie -60 do 35 ooC C

dokładności:dokładności:

0.5 0.5 ooC dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznejC dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznej

0.1 0.1 ooC dla potrzeb agrometeorologiiC dla potrzeb agrometeorologii

Prężność pary wodnej: Prężność pary wodnej:

0.2 hPa0.2 hPa

Podział metod obserwacyjnychPodział metod obserwacyjnych Metody pomiaru wilgotności względnej Metody pomiaru wilgotności względnej

Termodynamiczne (psychrometr)Termodynamiczne (psychrometr)

Absorpcyjne:Absorpcyjne:

Higrometr włosowyHigrometr włosowy

Higrometr pojemnościowyHigrometr pojemnościowy

Higrometr oporowyHigrometr oporowy

Higrometr elektrolitycznyHigrometr elektrolityczny

Higrometr punktu rosy lub szronuHigrometr punktu rosy lub szronu

Metody pomiaru wilgotności bezwzględnejMetody pomiaru wilgotności bezwzględnej

Kondensacyjne (higrometr punktu rosy lub szronu)Kondensacyjne (higrometr punktu rosy lub szronu)

Grawimetryczne (wagowe)Grawimetryczne (wagowe)

Wolumetryczne (objętościowe)Wolumetryczne (objętościowe)

Optyczne -absorpcja promieniowania Optyczne -absorpcja promieniowania

Higrometr Lyman Alfa Higrometr Lyman Alfa

Higrometr mikrofalowyHigrometr mikrofalowy

Higrometr akustycznyHigrometr akustyczny

Pożądane cechy przyrządów do pomiaru Pożądane cechy przyrządów do pomiaru wilgotnościwilgotności

Duża dokładność pomiaru w szerokim zakresie Duża dokładność pomiaru w szerokim zakresie temperatur powietrzatemperatur powietrza

Duża czułość pomiaruDuża czułość pomiaru

Mała bezwładnośćMała bezwładność

Duża odporność na wpływ innych czynników w tym Duża odporność na wpływ innych czynników w tym zanieczyszczeń powietrzazanieczyszczeń powietrza

Stabilność długookresowaStabilność długookresowa

Odporność mechaniczna oraz na zakłócenia Odporność mechaniczna oraz na zakłócenia elektromagnetyczneelektromagnetyczne

Pomiary wilgotności- PsychrometrPomiary wilgotności- PsychrometrPsychrometr  pozwala na wyznaczenie Psychrometr  pozwala na wyznaczenie prężności pary wodnej w atmosferze z prężności pary wodnej w atmosferze z pomiaru temperatur w układzie dwóch pomiaru temperatur w układzie dwóch termometrów: suchego (zwykłego) oraz termometrów: suchego (zwykłego) oraz zwilżonego.zwilżonego.

Psychrometr nieaspiracyjny AugustaPsychrometr nieaspiracyjny Augusta

Psychrometr Psychrometr aspiracyjny Assmannaaspiracyjny Assmanna

Równanie psychrometryczneRównanie psychrometryczne

Rozważamy termometr zwilżony zakładając, że Rozważamy termometr zwilżony zakładając, że powietrze opływające zbiornik zostaje nasycone parą powietrze opływające zbiornik zostaje nasycone parą wodną: wodną: e=E(t’)=E’e=E(t’)=E’Ponadto po pewnym czasie ustala się temperatura Ponadto po pewnym czasie ustala się temperatura termometru zwilżonego t’termometru zwilżonego t’

Ciepło pobrane przez wodę wskutek parowania QCiepło pobrane przez wodę wskutek parowania Q11 oraz oraz ciepło oddane przez termometr Qciepło oddane przez termometr Q22 wynoszą wynoszą

mLQ1 )'tt(hSQ2

p

)e'E(S)v(cm

Empiryczne prawo Daltona opisujące parowanie ze zbiorniczka owiniętego batystem o powierzchni S.

tAp'EpL)v(c

h)'tt('Ee

Równanie psychrometryczne

t=t-t’ – różnica psychrometryczna

L)v(c

hA stała psychrometryczna

Stała psychrometryczna nie jest oczywiście wielkością stałą gdyż zależy od konstrukcji psychrometru, prędkości wentylacji. Dla psychrometru Augusta przyjmuje się wartość A=0.0007947, zaś dla psychrometru Assmanna A=0.000622 przy stałej prędkości wentylacji v=2 m/sA=0.000622 przy stałej prędkości wentylacji v=2 m/s

2

1

m

mcc

gdzie m1 jest masa powietrza suchego dopływającego do zbiornika w jednostce czasu, m2 jest masa powietrza które osiąga nasycenie.

nv

n1AA

A definiuje się dla v=10 m/s. Po wyżej tej prędkości należy uwzględniać efekty grzania dynamicznego

W psychrometrze Augusta prędkość wentylacji zmienia się co wpływa na stałą psychrometryczną.

Dopiero w psychrometrze aspiracyjnym prędkość wentylacji jest kontrolowana i najczęściej ustalana na poziomie 2 m/s. Wentylacja jest wymuszana przez obracający się wiatraczek

L

C

m

m

L

CA p

2

1p

Czynnik n dla v=0 wynosi 1, zaś dla v>>1 wynosi 0. Dla prędkości wiatru w przedziale od 2.5 do 4 m/s wynosi około 0.56

Poprawki zwiane z różnicą współczynnika Poprawki zwiane z różnicą współczynnika termodyfuzji i dyfuzji pary wodnejtermodyfuzji i dyfuzji pary wodnej

np

D

K

L

CA

K - współ. termodyfuzji 1.846x10-5,

D - współ. dyfuzji pary wodnej 2.22x10-5.

Tak więc tempo wymiany ciepła oraz pary wodnej jest zróżnicowane i tylko w bardzo prostym podejściu można zakładać, iż wielkości mają tę samą wartość.

Różnica psychrometryczna jest więc funkcją nie tylko wilgotności powietrza lecz wielu innych czynników z których główne to prędkość wentylacji ciśnienie atmosferyczne, przewodnictwo cieplne psychrometru.

Błędy pomiaru wilgotności psychrometremBłędy pomiaru wilgotności psychrometrem

E

tAp

E

'E

E

ef

Po rozwinięciu wzoru Clausiusa-Clapeyrona

)TT(

RT

L1EE o2o

22 RT

L

E

Ap

RT

L

t

f

C1.0/%1C1/%10t

f oo

Dla t=20oC

Cechy psychrometrówCechy psychrometrów

Prosta konstrukcjaProsta konstrukcjaNiedostateczna dokładność przy temperaturach po niżej Niedostateczna dokładność przy temperaturach po niżej zerazeraStała czasowa termometru zwilżonego jest mniejsza niż Stała czasowa termometru zwilżonego jest mniejsza niż suchegosuchegoNie wymaga kalibracji na zawartość pary wodnejNie wymaga kalibracji na zawartość pary wodnejUzgadnia poprawkę na ciśnienie atmosferyczneUzgadnia poprawkę na ciśnienie atmosferyczneBrak skali Brak skali Musimy zawsze wiedzieć czy zbiornik termometru Musimy zawsze wiedzieć czy zbiornik termometru zwilżonego pokrywa lód czy wodazwilżonego pokrywa lód czy woda

Źródła błędów psychrometrówŹródła błędów psychrometrów

TermometryTermometry

Różnica psychrometrycznaRóżnica psychrometryczna

Prędkość wentylacjiPrędkość wentylacji

Zanieczyszczenia term. suchego i zwilżonegoZanieczyszczenia term. suchego i zwilżonego

Działanie i błędy term. zwilżonego poniżej temperatury Działanie i błędy term. zwilżonego poniżej temperatury zamarzaniazamarzania

PromieniowaniePromieniowanie

Przepływ ciepła pomiędzy otoczeniem a term. zwilżonymPrzepływ ciepła pomiędzy otoczeniem a term. zwilżonym

Metoda punktu rosyMetoda punktu rosy

Temperatura punktu rosy tTemperatura punktu rosy td d zdefiniowana jest przez równania zdefiniowana jest przez równania

e=E(te=E(tdd). Jest więc temperaturą do jakiej trzeba ochłodzić ). Jest więc temperaturą do jakiej trzeba ochłodzić

izobarycznie powietrze aby nasyciło się parą wodną.izobarycznie powietrze aby nasyciło się parą wodną.

Higrometr punktu rosyHigrometr punktu rosy wykorzystuje zjawisko skraplania się wykorzystuje zjawisko skraplania się pary wodnej na schłodzonej powierzchni, która nie jest pary wodnej na schłodzonej powierzchni, która nie jest higroskopijna. higroskopijna.

Przyrząd ten składa się z:Przyrząd ten składa się z:

Małego zwierciadłaMałego zwierciadła

Elektrycznego układu chłodzącego wykorzystującego Elektrycznego układu chłodzącego wykorzystującego zjawisko Peltierazjawisko Peltiera

Układu detektora, wykrywającego moment pojawienia się i Układu detektora, wykrywającego moment pojawienia się i znikania kondensatu. Najczęściej jest to układ optyczny.znikania kondensatu. Najczęściej jest to układ optyczny.

Układu pomiaru temperatury (termometr oporowy lub Układu pomiaru temperatury (termometr oporowy lub termoelektryczny)termoelektryczny)

Układu oczyszczania zwierciadłaUkładu oczyszczania zwierciadła

Czujnik pojemnościowy - humicapCzujnik pojemnościowy - humicap

Absorpcja pary wodnej zmienia stałą dielektryczną Absorpcja pary wodnej zmienia stałą dielektryczną specjalnie wykonanych kondensatorów, w których specjalnie wykonanych kondensatorów, w których jedna z okładek jest porowata. Związane z tym jedna z okładek jest porowata. Związane z tym niewielkie zmiany pojemności, rzędu kilku pF niewielkie zmiany pojemności, rzędu kilku pF wymagają zwykle włączenia do generatora drgań wymagają zwykle włączenia do generatora drgań elektrycznych.elektrycznych.

Czujnik charakteryzuje się małą stałą czasową Czujnik charakteryzuje się małą stałą czasową < 1s (wentylacja 6m/s).< 1s (wentylacja 6m/s).

Elektroniczne higrometry absorpcyjne oraz Elektroniczne higrometry absorpcyjne oraz adsorpcyjneadsorpcyjne

Wykorzystują higroskopijne własności niektórych substancji, Wykorzystują higroskopijne własności niektórych substancji, które w dynamicznej równowadze z parą wodną które w dynamicznej równowadze z parą wodną otaczającego powietrza wymieniają z nim taką ilość pary otaczającego powietrza wymieniają z nim taką ilość pary wodnej, że ciśnienie pary nasyconej nad tą substancją jest wodnej, że ciśnienie pary nasyconej nad tą substancją jest równe ciśnieniu pary wodnej otoczenia.równe ciśnieniu pary wodnej otoczenia.

Czujniki tego typu dzielimy na:Czujniki tego typu dzielimy na:

1)1) Higrometryczne wykorzystujące wodny roztwór substancji Higrometryczne wykorzystujące wodny roztwór substancji higroskopijnych (soli) tzn. elektrolit którego stężenie jest higroskopijnych (soli) tzn. elektrolit którego stężenie jest funkcja wilgotności. Stężenie jest zaś związane z funkcja wilgotności. Stężenie jest zaś związane z opornościąopornością

2)2) Higrometryczne wykorzystujące higroskopijne substancje Higrometryczne wykorzystujące higroskopijne substancje stałe, w których oporność jest funkcja wilgotności. Dzielą się stałe, w których oporność jest funkcja wilgotności. Dzielą się na dwie grupy: absorpcyjne oraz adsorpcyjne.na dwie grupy: absorpcyjne oraz adsorpcyjne.

W czujnikach adsorpcyjnych para wodna z otoczenia W czujnikach adsorpcyjnych para wodna z otoczenia jest pochłaniana tylko w powierzchniowej warstwie jest pochłaniana tylko w powierzchniowej warstwie czujnika. Dzielą się one na :czujnika. Dzielą się one na :

1)1) Węglowe (miara wilgotności jest zmienny opór włókien Węglowe (miara wilgotności jest zmienny opór włókien węglowych)węglowych)

2)2) Tlenowe (miara wilgotności jest zmienny opór oraz Tlenowe (miara wilgotności jest zmienny opór oraz pojemność cienkich warstw tlenków)pojemność cienkich warstw tlenków)

3)3) Polimerowe (miara wilgotności jest zmienna Polimerowe (miara wilgotności jest zmienna pojemność cienkich warstw polimerów)pojemność cienkich warstw polimerów)

W czujnikach absorpcyjnych para wodna z otoczenia W czujnikach absorpcyjnych para wodna z otoczenia pochłaniana jest przez całą objętość czujnika ze pochłaniana jest przez całą objętość czujnika ze względu na jego mikroporowatą strukturę. względu na jego mikroporowatą strukturę.

Higrometr deformacyjnyHigrometr deformacyjny

Przyrząd ten działa na zasadzie Przyrząd ten działa na zasadzie zmiany długości włosów lub błon zmiany długości włosów lub błon organicznych, reagujących na zmiany organicznych, reagujących na zmiany wilgotności względnej. Jest to cenna i wilgotności względnej. Jest to cenna i dość niezwykła własność tych dość niezwykła własność tych prostych czujników. prostych czujników. Dla ujemnych temperatur wzrasta Dla ujemnych temperatur wzrasta znacznie bezwładność. Pomiar jest znacznie bezwładność. Pomiar jest możliwy do -40°Cmożliwy do -40°C. . 

Teoria higrometru włosowegoTeoria higrometru włosowegoskondensowana woda

e

Er

włos

Wewnątrz mikrokanału powierzchnia jest wklęsła a zatem Er <E.

e=Er

Gdy ciśnienie pary rośnie, krzywizna maleje a włos się rozciąga.

E

E

E

ef r

r

2

TR

1

rvEeE

Ze wzoru Kelwina r

2p

TR

dpflnd

v

D

dD

M

dp

D średnica szczeliny , M moduł sprężystości włosa, M=M(T)

nldDdl n jest liczna szczelin

Po scałkowaniu mamy:

flnTAl

dl

M

nDRA v

Czułość:

f

ATl

df

dl dl/l dla włosa wynosi 2.5%

dl/l dla błony organicznej 3.5%

Zakładamy iż:

Źródła błędów higrometrów włosowychŹródła błędów higrometrów włosowych

Błąd zawyżania wskazań w wyniku wysuszenia włosówBłąd zawyżania wskazań w wyniku wysuszenia włosów

Błąd temperaturowyBłąd temperaturowy

Błędy radiacyjneBłędy radiacyjne

Błędy zwiane z zanieczyszczeniem włosaBłędy zwiane z zanieczyszczeniem włosa

Błędy bezwładnościowe zwłaszcza przy niskich Błędy bezwładnościowe zwłaszcza przy niskich temperaturach.temperaturach.

Wpływ histerezyWpływ histerezy

Błąd położenia zera (włos „płynie”)Błąd położenia zera (włos „płynie”)

Błędy starzeniaBłędy starzenia

Błąd związanie z zamarzaniemBłąd związanie z zamarzaniem

Pomiary optyczne- Lyman AlfaPomiary optyczne- Lyman Alfa

Para wodna posiada w ultrafiolecie (linia Lymana Para wodna posiada w ultrafiolecie (linia Lymana = 0.1215 = 0.1215 µm) silne pasmo absorpcyjne. µm) silne pasmo absorpcyjne.

Zmniejszenie natężenia promieniowania o 1/e ma miejsce na Zmniejszenie natężenia promieniowania o 1/e ma miejsce na około ułamkach centymetra drogi optycznej.około ułamkach centymetra drogi optycznej.

vkloeII

gdzie Igdzie Ioo - natężenie źródła promieniowania, I – natężenie - natężenie źródła promieniowania, I – natężenie

zarejestrowane przez fotodetektor, zarejestrowane przez fotodetektor, vv - gęstość pary - gęstość pary

wodnej ( wilgotność absolutna), l - droga optyczna, k wodnej ( wilgotność absolutna), l - droga optyczna, k współczynnik absorpcji. współczynnik absorpcji. Zaletą tej metody jest mała stała czasowa rzędu 10Zaletą tej metody jest mała stała czasowa rzędu 10-3-3 s s dlatego też używana jest do pomiarów turbulentnych dlatego też używana jest do pomiarów turbulentnych zmian pary wodnej. zmian pary wodnej. Czułość przyrządu sięga 1 mgCzułość przyrządu sięga 1 mg

Higrometr podczerwonyHigrometr podczerwony

Wykorzystuje pochłanianie promieniowania dla długości Wykorzystuje pochłanianie promieniowania dla długości fal w przedziale 2-10 fal w przedziale 2-10 m. Podobnie jak w przypadku m. Podobnie jak w przypadku Lyman alfa wykorzystuje się prawo Lamberta Beera.Lyman alfa wykorzystuje się prawo Lamberta Beera.

Czułość przyrządu wzrasta dla małych wilgotności Czułość przyrządu wzrasta dla małych wilgotności dlatego stosuje się je często w niskich temperaturach.dlatego stosuje się je często w niskich temperaturach.

Stała czasowa rządu 5sStała czasowa rządu 5s

Wpływ temperatury powietrza jest pomijalny w Wpływ temperatury powietrza jest pomijalny w przeciwieństwie do ciśnienia przeciwieństwie do ciśnienia

Wykrywanie zmian gęstości pary wodnej na poziome Wykrywanie zmian gęstości pary wodnej na poziome

1 mg1 mg

Higrometr mikrofalowyHigrometr mikrofalowy

Pomiary wykonuje się przy użyciu refraktometru, który jest Pomiary wykonuje się przy użyciu refraktometru, który jest najbardziej dokładnym przyrządem do pomiaru gęstości w najbardziej dokładnym przyrządem do pomiaru gęstości w gazach.gazach.

Metoda opiera na wyznaczeniu częstości drgań własnych Metoda opiera na wyznaczeniu częstości drgań własnych rezonatora wnękowego.rezonatora wnękowego.

Częstość ta zależy od przenikalności dielektrycznej Częstość ta zależy od przenikalności dielektrycznej powietrza a ta z kolei od ciśnienia, temperatury i powietrza a ta z kolei od ciśnienia, temperatury i wilgotności powietrza. wilgotności powietrza.

o

1

o

1

f

f 1 i o są przenikalnościami dielektrycznym powietrza suchego i wilgotnego, zaś f1 i fo częstością drgań własnych dla powietrza suchego i wilgotnego.

Higrometr ma stałą czasowa na poziomie 0.5 s

Czujnik wilgotności względnej HIH3610 Czujnik wilgotności względnej HIH3610 firmy Honewallfirmy Honewall

Charakterystyka Charakterystyka czujnika HIH3610czujnika HIH3610

Cyfrowy czujnik temperatury i wilgotności Cyfrowy czujnik temperatury i wilgotności SHT15 i SHT75SHT15 i SHT75

Poprawki na nieliniowość i efekt Poprawki na nieliniowość i efekt temperaturowy czujnika wilgotnościtemperaturowy czujnika wilgotności

Pomiary hydrologicznePomiary hydrologiczne

Podstawowa wielkość hydrologiczna to Podstawowa wielkość hydrologiczna to stan stan wodywody-- jest to wysokość położenia zwierciadła jest to wysokość położenia zwierciadła wody liczona od umownego poziomu. Mierzy wody liczona od umownego poziomu. Mierzy się go na posterunkach wodowskazowych się go na posterunkach wodowskazowych przy pomocy łat z podziałką centymetrową przy pomocy łat z podziałką centymetrową lub pływaka, który po wyposażeniu w lub pływaka, który po wyposażeniu w urządzenie samopiszące staje się urządzenie samopiszące staje się limnigrafemlimnigrafem. Po przystosowaniu do pomiarów . Po przystosowaniu do pomiarów stanu mórz stają się stanu mórz stają się mareografemmareografem..

Pomiary wielkości przepływu Pomiary wielkości przepływu

Pomiary prędkości cieku wodnegoPomiary prędkości cieku wodnego

Pomiary wilgotności glebyPomiary wilgotności gleby