Измерение относительной влажности при отрицательных температурах

Еще раз напомним, что относительная влажность RH газа над водой (льдом) – отношение парциального давления водяного пара e к давлению насыщенного пара E_w(t') [E_i(t')] при данных значениях давления и температуры газа t', %:

RH_w = 100 e/ E_w(t')

RH_i = 100 e/ E_i(t')

В области отрицательных температур возникает неоднозначность в определении давления насыщенного пара. Водяной пар может быть насыщенным относительно «плоской поверхности льда» и относительно «плоской поверхности воды». В последнем случае подразумевается возможность существования воды в жидкой фазе в переохлажденном состоянии при температурах вплоть до -60ºС (смотрите кривую S на диаграмме состояния воды). Многие, вероятно, наблюдали это явление, когда переохлажденная чистая вода в пластиковой бутылке при легком ударе за несколько секунд превращается в ледяную глыбу. Похожие явления происходят при аномальном погодном явлении, называемом «ледяной дождь».

В связи с этим в соответствии с РМГ 75-2014 при отрицательных температурах различают две единицы измерения относительной влажности:

- относительная влажность газа над льдом;

- относительная влажность газа над водой.

Относительная влажность воздуха над водой при отрицательной температуре широко используются в метеорологической практике. Это объясняется тем, что в свободной атмосфере отсутствуют центры кристаллизации и процесс перехода «лишнего» водяного пара в твердую фазу затруднен. Иная ситуация наблюдается в замкнутых объемах, например, в холодильных камерах. Здесь на поверхностях, зачастую покрытых инеем, свободно конденсируется (кристаллизуется) избыточный водяной пар и его «перенасыщения» не происходит.

Следует отметить, что в действующем до 2005 года ГОСТ 8.221-76 «ГСИ. Влагометрия и гигрометрия. Термины и определения» понятия «лёд и иней» как альтернатива «вода и роса» отсутствовали, что порождало массу недоразумений, так как на практике под терминами относительная влажность и точка росы широко использовались относительная влажность и над водой, и над льдом, и точка росы, и точка инея. До сих пор трудно понять в каких единицах выражаются значения влажности при отрицательных температурах в нормативных документах, выпущенных до 2005 года.

Очень часто в технической документации на приборы для измерения влажности не указывается в каких единицах измеряется влажность при отрицательных температурах (относительная влажность над водой или льдом, точка росы или инея).

На рисунке ниже приведен график температурной зависимости значения относительной влажности над водой, соответствующей 100% относительной влажности над льдом. Физический смысл графика состоит в том, что область, лежащая выше кривой, термодинамически неравновесна и при первой же возможности (например, наличии центра кристаллизации - льдинки, пылинки, поверхности) происходит выпадение инея из воздуха. Примеры таких явлений мы время от времени наблюдаем, обнаруживая ледяную корку на своем автомобиле с подветренной стороны.

Зависимость значения относительной влажности воздуха над водой при 100% относительной влажности над льдом от температуры.

При необходимости измерения относительной влажности воздуха над льдом гигрометром, измеряющим влажность над водой, в показания термогигрометра следует вводить поправку, учитывающую разницу давлений насыщенного водяного пара над водой и льдом.

Эта поправка рассчитывается следующим образом:

По определению

RH_w = 100 e/ E_w(t')

RH_i = 100 e/ E_i(t'), где

RH_w, RH_i - относительная влажность воздуха над водой и льдом, соответственно;

e - парциальное давление водяного пара;

E_w(t') и E_i(t') - парциальные давления водяного пара, насыщенного относительно поверхности воды и льда, соответственно.

Отсюда легко выводится соотношение для пересчета относительной влажности воздуха, насыщенного относительно воды, в относительную влажность воздуха, насыщенного относительно льда:

RH_i = RH_w (E_w(t')/ E_i(t'))

В таблице 1 приведены значения поправочных коэффициентов (E_w(t')/ E_i(t')) при различных температурах, на которые нужно умножать показания термогигрометра, измеряющего относительную влажность над водой, чтобы получить значение относительной влажности воздуха над льдом.

Температура	-0	-10	-20	-30	-40
-0	1	1,104	1,219	1,347	1,489
-1	1,010	1,115	1,231	1,361	1,504
-2	1,020	1,126	1,243	1,374	1,519
-3	-1,030	1,137	1,256	1,388	1,534
-4	1,040	1,148	1,269	1,402	1,549
-5	1,050	1,160	1,281	1,416	1,565
-6	1,061	1,171	1,294	1,430	1,580
-7	1,071	1,183	1,307	1,445	1,596
-8	1,082	1,195	1,320	1,459	1,612
-9	1,093	1,207	1,334	1,474	1,628

Пример 1.

Показания термогигрометра при температуре -22ºС - 76 % относительной влажности над водой.

Для перевода в значение относительной влажности воздуха над льдом необходимо:

1) определить из таблицы 1 значение поправочного коэффициента для температуры -22ºС. Искомое значение коэффициента 1,243 находим на пересечении столбца -20ºС и -2ºС.

2) Умножаем поправочный коэффициент на показания термогигрометра:

76 % x 1,243 = 94,5 %.

Таким образом, относительная влажность воздуха над льдом составляет 94,5 %.

А вот как выглядит подобный пересчет с помощью нашего калькулятора:

Практически все выпускаемые нами средства измерения влажности имеют возможность выбора единицы относительной влажности. Перед началом работы с прибором внимательно прочитайте Руководство по эксплуатации и убедитесь, что гигрометр сконфигурирован в соответствии с Вашими требованиями.