計量論壇

論大氣基本物理參數“相對濕度”測量技術的理論誤差

摘要：根據量子化學的最新研究結論，在地球宏觀大氣環境中水蒸氣并不存在單分子狀態，而是多種不同水蒸氣分子簇成份的混合物。在這樣的條件下，本文通過對近似氣體的分餾概念，討論了露點法濕度測量技術是否能測量出大氣的正確含水量，以及在這樣的條件下的露點法濕度測量的理論測定誤差。

1. 引 言

“濕度”是影響地球大氣層氣候狀態至關重要的一個基本參數。然而，“濕度”的測量卻是大氣測量技術中的一個難題，由于直接測定大氣中的水分含量是一件十分不容易的工作。所以近100年來，關于大氣的“濕度”都采用間接的測定露點溫度的辦法。首先先測定“露點溫度”然后再推算出“相對濕度”然后再換算到“絕對濕度”的間接的、過度的測量手段。100多年來露點法已經成為濕度測定的經典和標準，在科研和工農業生產中得到了迅速發展的廣泛應用。但是，露點法測定相對濕度還是面臨著許多難堪的問題。除了精度低（理論最高精度不能超過±1%），測定讀數不可靠之外。測定的不確定度是露點法的一個致命弱點。

濕度的測定和控制除了在常溫常濕環境中的應用外，在一些現代重要的工業產品的生產環境中，在航天、國防等重要部門，需要超高濕度和超低濕度的控制。而濕度測量的不確定度會直接導致劣次產品比例的上升。所謂的不確定度如從通俗的角度來理解，也可以稱為自檢能力。

2.相對濕度測量設備所面臨的自檢和自我校準的困境

無論是哪一種計量工具，長度單位的測量儀器也好、重量單位的測量儀器也好、測量時間的鐘表也好。都要能達到自檢的要求。自檢似乎是作為度量衡器具最起碼的要求。但是已知各種“相對濕度”的測量儀表，不管是哪一種卻沒有一種可以達到自檢的要求。

所謂精度自檢，就是對于任意的一種計量技術，用這種技術自己通過一定的方式來檢查這種計量技術自身精度的做法。

例如長度計量，我們使用的是尺。如果有二把是米尺，六把市尺。那么首先這六把市尺必須是同樣長短的。二把米尺也必須是同樣長短的。其次任意的三把市尺加在一起應該等于任意一把米尺的長度。這就是長度計量最低要求的自檢方式。

例如天平的砝碼，相同量值的砝碼必須重量相等，一個10克的砝碼，必須和一個5克、兩個2克、一個1克的砝碼加在一起的重量相等。……

那么，適合濕度儀的自檢方式是什么樣的呢？

現代物理學告訴我們，存在于大氣中的水蒸氣在處于不飽和狀態的時候，當其他大氣參數發生變動的時候，濕度的量值將發生符合分壓定理，也符合氣態方程的變化。

所以，對于任意環境的未知濕度氣體，當氣體樣本處在密封條件下的時候，樣本所包含的水蒸氣又不發生相變的條件下，不管該密封環境的溫度，體積或壓力有怎樣的變化，任何時刻這個樣本氣體的“相對濕度”的量值是可以按照氣態方程嚴格地計算得到的。因而，校驗一個濕度儀測量的數值準還是不準。只需要對同一個環境的被測氣體多取幾個樣本。分別調整這些樣本的溫度、壓力和體積為不同的狀態。然后，分別檢查濕度儀能否從每次不同調整狀態樣本氣體的測定中得到符合計算結果的“相對濕度”量值就可以完成自檢的要求了。

“濕度”的測定其實根本不需要制造什么標準濕度發生器。但是，作為濕度計量的標準儀器——“露點法濕度測量技術”卻偏偏不能做到自檢這一點，不能通過這樣的自檢過程。而且，凡是經過了標準濕度發生器校準的任何其他類型的濕度儀表都不能通過這樣的自檢過程。

在這些自檢條件下，現有濕度儀得到的測定值往往表現為和計算值相比沒有規則的，上下竄動的結果。這個現象使全世界的計量研究人員至今無措手足。迫不得已，濕度計量專家就制定了一整套的濕度儀校準規范。最后規定，只能以經過校準的濕度儀在環境條件下的測定值作為確定值。

從計量技術的通義上來說，通不過自檢過程就說明這個方法不正確，通不過自檢所測定得到的數值就是錯誤的。所以對于無法達到自檢要求的“露點法測定技術”來說，這“露點法”的技術和理論就應該是錯誤的。

3.現代水蒸氣的背景技術

進入21世紀，關于水蒸氣在量子化學范圍內的一個重大研究成果就是：

水蒸氣分子在宏觀大氣環境里并不存在單分子結構的實驗和研究。

有關實驗的報告和論文、著作，已經很多。自然大氣環境中不存在單分子狀態的水蒸氣的宏觀事實。也已得到科學界的普遍認同。但是，奇怪的是，這樣大的實質性發現，卻在所有和水蒸氣有關的物理、氣象、航天航空航海、干燥技術以及生物、醫學、農業等領域沒有繼續引起一點點的波浪或水花。這難道不值得深思嗎？

關于水的各種異常的理化特性，一直是人們研究的重點。許多和水有關的不解之謎、世界難題，難道不能在這個量子化學的發現中找到一點啟示嗎？有關水分子簇的探討，早在1887年就有人已經提出了。但是這些都是在固態和液態的水的環境里的討論，對于氣體，對于氣態的水蒸汽和水蒸氣分子簇有關的研究卻是21世紀的最新動態。

4. 氣態水分子簇概念

根據一些報告氣態水分子簇的事實主要表現在三個方面：

1.水蒸氣在大氣中以遠不止一種（通常超過5-6種）的、相對穩定的絡合結構（分子簇）形式存在，用化學分子式來表示就是：

n* H2O
+
H+
（其中的n為一些具有穩定結構的絡合體內的水分子個數）

這或許是一個不太容易理解的化學概念，那么讓我們用一句及其通俗的語言來描繪的話，就是：

原來：

我們都以為已經是十分了解的水蒸氣，卻是一種我們并不了解的、由好多種不同的水蒸氣成分組成的混合氣體。

2. 各種水蒸氣分子簇成分，在溫度和壓力的變動中存在動態的平衡過程。

3. 溫度越低，n數小的分子簇成分越少。

未完

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2012-11-22 06:55 上傳