Meteorologia doświadczalna Wykład 6 Pomiary wilgotności powietrza

1. Meteorologia doświadczalnaWykład 6Pomiary wilgotności powietrza Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

2. Cykl hydrologiczny

3. Cykl hydrologiczny średni czas trwania 4.2 dnia • Parowanie • Kondensacja (chmury) • Opad • Retencja

4. Pomiary wilgotność • Pomiary wilgotności charakteryzują się stosunkowo małą dokładnością, która wynosi około 2% • Brak wzorca wilgotność utrudnia kalibracje przyrządów Przyjmować będziemy, że para wodna spełnia równanie stanu gazu doskonałego: Gęstość pary wodnej jest rzadko mierzona, znacznie częściej wyznacza się inne wielkości określające wilgotność powietrza.

5. Wilgotność względna e, E - aktualne i maksymalne ciśnienie pary wodnej czyli prężność. Prężność pary nasyconej zależy jedynie od temperatury powietrza jednak jest ona inna nad woda i nad lodem. Przybliżony wzór Magnusa Wilgotność względna powietrza określa stopień nasycenia powietrza parą wodną.

6. Wilgotność właściwa • Definiowana jest jako stosunek gęstości pary wodnej do gęstości powietrza • Jest wielkością niezmienniczą podczas procesów adiabatycznych w powietrzu w którym nie dochodzi do kondesacji pary wodnej

7. Stosunek zmieszania (masowy) Temperatura punktu rosy Deficyt (niedosyt) wilgotności Temperatura wirtualna

8. Wymagania WMO dotyczące dokładności pomiarów wilgotności • Wilgotności względnej w zakresie od 5-100% dokładności: 3 % dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznej 1 % dla potrzeb agrometeorologii • temperatura punktu rosy w zakresie -60 do 35 oC dokładności:  0.5 oC dla potrzeb klimatologii i meteorologii synoptycznej  0.1 oC dla potrzeb agrometeorologii • Prężność pary wodnej:  0.2 hPa

9. Podział metod obserwacyjnych Metody pomiaru wilgotności względnej • Termodynamiczne (psychrometr) • Absorpcyjne: Higrometr włosowy Higrometr pojemnościowy Higrometr oporowy Higrometr elektrolityczny Higrometr punktu rosy lub szronu

10. Metody pomiaru wilgotności bezwzględnej • Kondensacyjne (higrometr punktu rosy lub szronu) • Grawimetryczne (wagowe) • Wolumetryczne (objętościowe) • Optyczne -absorpcja promieniowania Higrometr Lyman Alfa Higrometr mikrofalowy Higrometr akustyczny

11. Pożądane cechy przyrządów do pomiaru wilgotności • Duża dokładność pomiaru w szerokim zakresie temperatur powietrza • Duża czułość pomiaru • Mała bezwładność • Duża odporność na wpływ innych czynników w tym zanieczyszczeń powietrza • Stabilność długookresowa • Odporność mechaniczna oraz na zakłócenia elektromagnetyczne

12. Pomiary wilgotności- Psychrometr • Psychrometr  pozwala na wyznaczenie prężności pary wodnej w atmosferze z pomiaru temperatur w układzie dwóch termometrów: suchego (zwykłego) oraz zwilżonego. Psychrometr nieaspiracyjny Augusta Psychrometr aspiracyjny Assmanna

13. Równanie psychrometryczne • Rozważamy termometr zwilżony zakładając, że powietrze opływające zbiornik zostaje nasycone parą wodną: e=E(t’)=E’ • Ponadto po pewnym czasie ustala się temperatura termometru zwilżonego t’ • Ciepło pobrane przez wodę wskutek parowania Q1 oraz ciepło oddane przez termometr Q2 wynoszą Empiryczne prawo Daltona opisujące parowanie ze zbiorniczka owiniętego batystem o powierzchni S.

14. Równanie psychrometryczne t=t-t’ – różnica psychrometryczna 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/s gdzie m1 jest masa powietrza suchego dopływającego do zbiornika w jednostce czasu, m2 jest masa powietrza które osiąga nasycenie.

15. 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 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

16. Poprawki zwiane z różnicą współczynnika termodyfuzji i dyfuzji pary wodnej 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.

17. Błędy pomiaru wilgotności psychrometrem Po rozwinięciu wzoru Clausiusa-Clapeyrona Dla t=20oC

18. Cechy psychrometrów • Prosta konstrukcja • Niedostateczna dokładność przy temperaturach po niżej zera • Stała czasowa termometru zwilżonego jest mniejsza niż suchego • Nie wymaga kalibracji na zawartość pary wodnej • Uzgadnia poprawkę na ciśnienie atmosferyczne • Brak skali • Musimy zawsze wiedzieć czy zbiornik termometru zwilżonego pokrywa lód czy woda

19. Źródła błędów psychrometrów • Termometry • Różnica psychrometryczna • Prędkość wentylacji • Zanieczyszczenia term. suchego i zwilżonego • Działanie i błędy term. zwilżonego poniżej temperatury zamarzania • Promieniowanie • Przepływ ciepła pomiędzy otoczeniem a term. zwilżonym

20. Metoda punktu rosy • Temperatura punktu rosy td zdefiniowana jest przez równania e=E(td). Jest więc temperaturą do jakiej trzeba ochłodzić izobarycznie powietrze aby nasyciło się parą wodną. • Higrometr punktu rosy wykorzystuje zjawisko skraplania się pary wodnej na schłodzonej powierzchni, która nie jest higroskopijna. • Przyrząd ten składa się z: • Małego zwierciadła • Elektrycznego układu chłodzącego wykorzystującego zjawisko Peltiera • Układu detektora, wykrywającego moment pojawienia się i znikania kondensatu. Najczęściej jest to układ optyczny. • Układu pomiaru temperatury (termometr oporowy lub termoelektryczny) • Układu oczyszczania zwierciadła

21. Czujnik pojemnościowy - humicap • Absorpcja pary wodnej zmienia stałą dielektryczną specjalnie wykonanych kondensatorów, w których jedna z okładek jest porowata. Związane z tym niewielkie zmiany pojemności, rzędu kilku pF wymagają zwykle włączenia do generatora drgań elektrycznych. • Czujnik charakteryzuje się małą stałą czasową < 1s (wentylacja 6m/s).

22. Elektroniczne higrometry absorpcyjne oraz adsorpcyjne • Wykorzystują higroskopijne własności niektórych substancji, które w dynamicznej równowadze z parą wodną otaczającego powietrza wymieniają z nim taką ilość pary wodnej, że ciśnienie pary nasyconej nad tą substancją jest równe ciśnieniu pary wodnej otoczenia. • Czujniki tego typu dzielimy na: • Higrometryczne wykorzystujące wodny roztwór substancji higroskopijnych (soli) tzn. elektrolit którego stężenie jest funkcja wilgotności. Stężenie jest zaś związane z opornością • Higrometryczne wykorzystujące higroskopijne substancje stałe, w których oporność jest funkcja wilgotności. Dzielą się na dwie grupy: absorpcyjne oraz adsorpcyjne.

23. W czujnikach adsorpcyjnych para wodna z otoczenia jest pochłaniana tylko w powierzchniowej warstwie czujnika. Dzielą się one na : • Węglowe (miara wilgotności jest zmienny opór włókien węglowych) • Tlenowe (miara wilgotności jest zmienny opór oraz pojemność cienkich warstw tlenków) • Polimerowe (miara wilgotności jest zmienna pojemność cienkich warstw polimerów) • W czujnikach absorpcyjnych para wodna z otoczenia pochłaniana jest przez całą objętość czujnika ze względu na jego mikroporowatą strukturę.

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

25. skondensowana woda Er e włos Teoria higrometru włosowego Wewnątrz mikrokanału powierzchnia jest wklęsła a zatem Er <E. e=Er Gdy ciśnienie pary rośnie, krzywizna maleje a włos się rozciąga. Ze wzoru Kelwina

26. D średnica szczeliny , M moduł sprężystości włosa, M=M(T) Zakładamy iż: n jest liczna szczelin Po scałkowaniu mamy: Czułość: dl/l dla włosa wynosi 2.5% dl/l dla błony organicznej 3.5%

27. Źródła błędów higrometrów włosowych • Błąd zawyżania wskazań w wyniku wysuszenia włosów • Błąd temperaturowy • Błędy radiacyjne • Błędy zwiane z zanieczyszczeniem włosa • Błędy bezwładnościowe zwłaszcza przy niskich temperaturach. • Wpływ histerezy • Błąd położenia zera (włos „płynie”) • Błędy starzenia • Błąd związanie z zamarzaniem

28. Pomiary optyczne- Lyman Alfa • Para wodna posiada w ultrafiolecie (linia Lymana  = 0.1215 µm) silne pasmo absorpcyjne. Zmniejszenie natężenia promieniowania o 1/e ma miejsce na około ułamkach centymetra drogi optycznej. gdzie Io - natężenie źródła promieniowania, I – natężenie zarejestrowane przez fotodetektor, v- gęstość pary wodnej ( wilgotność absolutna), l - droga optyczna, k współczynnik absorpcji. Zaletą tej metody jest mała stała czasowa rzędu 10-3 s dlatego też używana jest do pomiarów turbulentnych zmian pary wodnej.  Czułość przyrządu sięga 1 mg

29. Higrometr podczerwony • Wykorzystuje pochłanianie promieniowania dla długości fal w przedziale 2-10 m. Podobnie jak w przypadku Lyman alfa wykorzystuje się prawo Lamberta Beera. • Czułość przyrządu wzrasta dla małych wilgotności dlatego stosuje się je często w niskich temperaturach. • Stała czasowa rządu 5s • Wpływ temperatury powietrza jest pomijalny w przeciwieństwie do ciśnienia • Wykrywanie zmian gęstości pary wodnej na poziome 1 mg

30. Higrometr mikrofalowy • Pomiary wykonuje się przy użyciu refraktometru, który jest najbardziej dokładnym przyrządem do pomiaru gęstości w gazach. • Metoda opiera na wyznaczeniu częstości drgań własnych rezonatora wnękowego. • Częstość ta zależy od przenikalności dielektrycznej powietrza a ta z kolei od ciśnienia, temperatury i wilgotności powietrza. 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

31. Czujnik wilgotności względnej HIH3610 firmy Honewall

33. Charakterystyka czujnika HIH3610

34. Cyfrowy czujnik temperatury i wilgotności SHT15 i SHT75

36. Poprawki na nieliniowość i efekt temperaturowy czujnika wilgotności

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

38. Pomiary wielkości przepływu • Pomiary prędkości cieku wodnego • Pomiary wilgotności gleby