表面修飾超憎水材料露霜凝結機理及測濕技術研究

露點儀是在低溫條件下進行濕度探測的最有效的儀器。露點形成的基本條件之一是具備一個憎水的拋光表面。目前主要使用金屬作為制作該表面的材料，然而露珠在金屬表面的附著并非點接觸，容易引起拉烏爾效應，導致測量的露點溫度偏高；另一方面，金屬材料在維護過程中產生的劃痕和凹槽會導致結露的提前或露珠位置的漂移，引起較大的濕度測量誤差。近年來，表面修飾的超憎水材料的研究為解決這一問題提供了新思路。一方面，露珠與超憎水材料的接觸近似于點接觸，可以較好地降低拉烏爾效應；另一方面，新材料不易有劃痕、破損等引起的表面非對稱問題。為尋找合適的鏡面材料及研究鏡面凝結狀態(tài)的準確檢測識別方法并用于露點測濕技術，本項目完成的主要工作和得到的結論有： 一是搭建了基于顯微成像的露霜凝結觀測試驗系統，建立了露霜凝結過程的高時空分辨率的凝結圖像特征庫。 二是研究了高分子微球等新型超憎水材料的特性和制備工藝，研究表明露珠與該材料的接觸近似于點接觸。 三是研究了霜露凝結動力過程的基礎理論，包括單個露滴的核化過程和增長機制。研究表明環(huán)境溫度越低，露點溫度越高、鏡面溫度越高或空氣流速越快，都會導致露滴增長速度的加快。 四是分別研究了基于圖像信息熵的圖像特征提取技術、基于改進霍夫變換的圓檢測算法以及基于多特征融合的霜露檢測識別算法和Adaboost分類器，提高了了干凈鏡面、結露鏡面和結霜鏡面圖像的檢測識別準確率。 五是開展了一階響應露點儀的研制。傳統露點儀為二階響應系統，本項目建立了露滴增長率與露點溫度的關系，將濕度測量轉化為一階響應過程，提高了露點儀響應速度。實驗表明，新型露點儀低溫下的響應時間基本可以控制在10分鐘以內。 本項目首次提出了采用新型表面超憎水材料作為露霜凝結面的新思路，并開展了新型表面材料的制備工藝、露霜凝結過程的基礎理論、露霜圖像的準確檢測與識別、以及提高動態(tài)響應特性的研究和實驗驗證等工作，為新型露點儀的研制奠定了理論基礎和技術支撐。

露點儀是目前測濕最有效的方法，但現有露點儀凝結面通常由金屬制成，存在有劃痕、鏡面污染等問題，對露霜的凝結時機造成影響，維護難度大。本項目從露霜凝結機理入手，結合對表面科學和高分子化工研究進展，創(chuàng)新提出將具有自清潔性能的表面修飾超憎水材料作為凝結面應用于露點測濕技術中，為露點測濕法在自然條件下的業(yè)務化應用提供了新思路。本項目針對該材料應用于露點測濕技術的基礎理論和技術方法兩個關鍵科學問題，提出了三個研究內容：表面修飾超憎水材料露霜凝結動力過程、表面修飾超憎水材料露霜凝結圖像特征、搭建露霜凝結觀測試驗系統并試驗。通過突破該材料面的露霜凝結機理、露霜凝結的影響因子與影響程度、以及露霜凝結時機和相態(tài)的識別等關鍵技術，實現基于表面修飾超憎水材料的露點測濕方法，從而有效提高露點儀的測量準確性和環(huán)境適應性。

（1）特點

①干濕球溫度差與干濕表系數的誤差是影響相對濕度的主要因子。

②干濕表測濕誤差引起的測濕誤差，隨著氣溫的降低而增大，氣溫越低，引起的相對濕度誤差越大。

③干濕表系數相對誤差在±1.5%以內時，所引起的測濕誤差較小，但如果超過±15%，則引起的測濕誤差就較大。

（2）人為測濕誤差

①濕球紗布包扎不當；②濕球表面污染；③濕球加水不當；④融冰時機選擇不當；⑤觀測時機不當。

不同類型的干濕表，雖然形式不同，但測濕原理均相同。

如果濕球表面的溫度與空氣的濕度相等，且空氣未飽和，顯然，濕球表面的水汽密度要比周圍空氣中的水汽密度大，就有水汽從濕球表面向周圍空氣蒸發(fā)，以保持濕球表面處于飽和狀態(tài)，但是，蒸發(fā)需要熱量，從而引起濕球表面降溫。濕球表面降溫后，一方面減小了濕球表面的飽和水汽壓，即減小了濕球表面的水汽密度，使得水汽擴散減慢；另一方面，在周圍空氣與濕球表面之間產生了溫度梯度，造成熱量從周圍空氣向濕球表面?zhèn)鲗В瑏硌a充蒸發(fā)消耗的熱量，最后蒸發(fā)需要的熱量與從空氣傳導的熱量達到熱平衡，蒸發(fā)停止，濕球表面的降溫也就停止。濕球表面降溫的程度，與周圍空氣的濕度有關，若空氣飽和，濕球表面就不會降溫，濕球溫度與干球溫度相等。

本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目 審核 。

測濕公式是用干球和濕球溫度表測量水汽壓時所依據的半經驗公式。即e=E(t′)-Ap(t-t′)。式中A為干濕表常數，t和t′分別是干球和濕球溫度，E(t′)是t′的飽和水汽壓，p是氣壓。

中文名稱

測濕公式

英文名稱

psychrometric formula

定　　義

用干球和濕球溫度表測量水汽壓時所依據的半經驗公式。即e=E(t′)-Ap(t-t′)。式中A為干濕表常數，t和t′分別是干球和濕球溫度，E(t′)是t′的飽和水汽壓，p是氣壓。

應用學科

大氣科學（一級學科），大氣（二級學科）