表面修饰超憎水材料露霜凝结机理及测湿技术研究中文摘要

露点仪是目前测湿最有效的方法，但现有露点仪凝结面通常由金属制成，存在有划痕、镜面污染等问题，对露霜的凝结时机造成影响，维护难度大。本项目从露霜凝结机理入手，结合对表面科学和高分子化工研究进展，创新提出将具有自清洁性能的表面修饰超憎水材料作为凝结面应用于露点测湿技术中，为露点测湿法在自然条件下的业务化应用提供了新思路。本项目针对该材料应用于露点测湿技术的基础理论和技术方法两个关键科学问题，提出了三个研究内容：表面修饰超憎水材料露霜凝结动力过程、表面修饰超憎水材料露霜凝结图像特征、搭建露霜凝结观测试验系统并试验。通过突破该材料面的露霜凝结机理、露霜凝结的影响因子与影响程度、以及露霜凝结时机和相态的识别等关键技术，实现基于表面修饰超憎水材料的露点测湿方法，从而有效提高露点仪的测量准确性和环境适应性。

露点仪是在低温条件下进行湿度探测的最有效的仪器。露点形成的基本条件之一是具备一个憎水的抛光表面。目前主要使用金属作为制作该表面的材料，然而露珠在金属表面的附着并非点接触，容易引起拉乌尔效应，导致测量的露点温度偏高；另一方面，金属材料在维护过程中产生的划痕和凹槽会导致结露的提前或露珠位置的漂移，引起较大的湿度测量误差。近年来，表面修饰的超憎水材料的研究为解决这一问题提供了新思路。一方面，露珠与超憎水材料的接触近似于点接触，可以较好地降低拉乌尔效应；另一方面，新材料不易有划痕、破损等引起的表面非对称问题。为寻找合适的镜面材料及研究镜面凝结状态的准确检测识别方法并用于露点测湿技术，本项目完成的主要工作和得到的结论有： 一是搭建了基于显微成像的露霜凝结观测试验系统，建立了露霜凝结过程的高时空分辨率的凝结图像特征库。 二是研究了高分子微球等新型超憎水材料的特性和制备工艺，研究表明露珠与该材料的接触近似于点接触。 三是研究了霜露凝结动力过程的基础理论，包括单个露滴的核化过程和增长机制。研究表明环境温度越低，露点温度越高、镜面温度越高或空气流速越快，都会导致露滴增长速度的加快。 四是分别研究了基于图像信息熵的图像特征提取技术、基于改进霍夫变换的圆检测算法以及基于多特征融合的霜露检测识别算法和Adaboost分类器，提高了了干净镜面、结露镜面和结霜镜面图像的检测识别准确率。 五是开展了一阶响应露点仪的研制。传统露点仪为二阶响应系统，本项目建立了露滴增长率与露点温度的关系，将湿度测量转化为一阶响应过程，提高了露点仪响应速度。实验表明，新型露点仪低温下的响应时间基本可以控制在10分钟以内。 本项目首次提出了采用新型表面超憎水材料作为露霜凝结面的新思路，并开展了新型表面材料的制备工艺、露霜凝结过程的基础理论、露霜图像的准确检测与识别、以及提高动态响应特性的研究和实验验证等工作，为新型露点仪的研制奠定了理论基础和技术支撑。

（1）特点

①干湿球温度差与干湿表系数的误差是影响相对湿度的主要因子。

②干湿表测湿误差引起的测湿误差，随着气温的降低而增大，气温越低，引起的相对湿度误差越大。

③干湿表系数相对误差在±1.5%以内时，所引起的测湿误差较小，但如果超过±15%，则引起的测湿误差就较大。

（2）人为测湿误差

①湿球纱布包扎不当；②湿球表面污染；③湿球加水不当；④融冰时机选择不当；⑤观测时机不当。

不同类型的干湿表，虽然形式不同，但测湿原理均相同。

如果湿球表面的温度与空气的湿度相等，且空气未饱和，显然，湿球表面的水汽密度要比周围空气中的水汽密度大，就有水汽从湿球表面向周围空气蒸发，以保持湿球表面处于饱和状态，但是，蒸发需要热量，从而引起湿球表面降温。湿球表面降温后，一方面减小了湿球表面的饱和水汽压，即减小了湿球表面的水汽密度，使得水汽扩散减慢；另一方面，在周围空气与湿球表面之间产生了温度梯度，造成热量从周围空气向湿球表面传导，来补充蒸发消耗的热量，最后蒸发需要的热量与从空气传导的热量达到热平衡，蒸发停止，湿球表面的降温也就停止。湿球表面降温的程度，与周围空气的湿度有关，若空气饱和，湿球表面就不会降温，湿球温度与干球温度相等。

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测湿公式是用干球和湿球温度表测量水汽压时所依据的半经验公式。即e=E(t′)-Ap(t-t′)。式中A为干湿表常数，t和t′分别是干球和湿球温度，E(t′)是t′的饱和水汽压，p是气压。

中文名称

测湿公式

英文名称

psychrometric formula

定　　义

用干球和湿球温度表测量水汽压时所依据的半经验公式。即e=E(t′)-Ap(t-t′)。式中A为干湿表常数，t和t′分别是干球和湿球温度，E(t′)是t′的饱和水汽压，p是气压。

应用学科

大气科学（一级学科），大气（二级学科）