论湿度测量技术的理论错误，转帖自“科学网”

霁雪

论大气基本物理参数“相对湿度”测量技术的理论误差

摘要：根据量子化学的最新研究结论，在地球宏观大气环境中水蒸气并不存在单分子状态，而是多种不同水蒸气分子簇成份的混合物。在这样的条件下，本文通过对近似气体的分馏概念，讨论了露点法湿度测量技术是否能测量出大气的正确含水量，以及在这样的条件下的露点法湿度测量的理论测定误差。

1. 引 言

“湿度”是影响地球大气层气候状态至关重要的一个基本参数。然而，“湿度”的测量却是大气测量技术中的一个难题，由于直接测定大气中的水分含量是一件十分不容易的工作。所以近100年来，关于大气的“湿度”都采用间接的测定露点温度的办法。首先先测定“露点温度”然后再推算出“相对湿度”然后再换算到“绝对湿度”的间接的、过度的测量手段。100多年来露点法已经成为湿度测定的经典和标准，在科研和工农业生产中得到了迅速发展的广泛应用。但是，露点法测定相对湿度还是面临着许多难堪的问题。除了精度低（理论最高精度不能超过±1%），测定读数不可靠之外。测定的不确定度是露点法的一个致命弱点。

湿度的测定和控制除了在常温常湿环境中的应用外，在一些现代重要的工业产品的生产环境中，在航天、国防等重要部门，需要超高湿度和超低湿度的控制。而湿度测量的不确定度会直接导致劣次产品比例的上升。所谓的不确定度如从通俗的角度来理解，也可以称为自检能力。

2.相对湿度测量设备所面临的自检和自我校准的困境

无论是哪一种计量工具，长度单位的测量仪器也好、重量单位的测量仪器也好、测量时间的钟表也好。都要能达到自检的要求。自检似乎是作为度量衡器具最起码的要求。但是已知各种“相对湿度”的测量仪表，不管是哪一种却没有一种可以达到自检的要求。

所谓精度自检，就是对于任意的一种计量技术，用这种技术自己通过一定的方式来检查这种计量技术自身精度的做法。

例如长度计量，我们使用的是尺。如果有二把是米尺，六把市尺。那么首先这六把市尺必须是同样长短的。二把米尺也必须是同样长短的。其次任意的三把市尺加在一起应该等于任意一把米尺的长度。这就是长度计量最低要求的自检方式。

例如天平的砝码，相同量值的砝码必须重量相等，一个10克的砝码，必须和一个5克、两个2克、一个1克的砝码加在一起的重量相等。……

那么，适合湿度仪的自检方式是什么样的呢？

现代物理学告诉我们，存在于大气中的水蒸气在处于不饱和状态的时候，当其他大气参数发生变动的时候，湿度的量值将发生符合分压定理，也符合气态方程的变化。

所以，对于任意环境的未知湿度气体，当气体样本处在密封条件下的时候，样本所包含的水蒸气又不发生相变的条件下，不管该密封环境的温度，体积或压力有怎样的变化，任何时刻这个样本气体的“相对湿度”的量值是可以按照气态方程严格地计算得到的。因而，校验一个湿度仪测量的数值准还是不准。只需要对同一个环境的被测气体多取几个样本。分别调整这些样本的温度、压力和体积为不同的状态。然后，分别检查湿度仪能否从每次不同调整状态样本气体的测定中得到符合计算结果的“相对湿度”量值就可以完成自检的要求了。

“湿度”的测定其实根本不需要制造什么标准湿度发生器。但是，作为湿度计量的标准仪器——“露点法湿度测量技术”却偏偏不能做到自检这一点，不能通过这样的自检过程。而且，凡是经过了标准湿度发生器校准的任何其他类型的湿度仪表都不能通过这样的自检过程。

在这些自检条件下，现有湿度仪得到的测定值往往表现为和计算值相比没有规则的，上下窜动的结果。这个现象使全世界的计量研究人员至今无措手足。迫不得已，湿度计量专家就制定了一整套的湿度仪校准规范。最后规定，只能以经过校准的湿度仪在环境条件下的测定值作为确定值。

从计量技术的通义上来说，通不过自检过程就说明这个方法不正确，通不过自检所测定得到的数值就是错误的。所以对于无法达到自检要求的“露点法测定技术”来说，这“露点法”的技术和理论就应该是错误的。

3.现代水蒸气的背景技术

进入21世纪，关于水蒸气在量子化学范围内的一个重大研究成果就是：

水蒸气分子在宏观大气环境里并不存在单分子结构的实验和研究。

有关实验的报告和论文、著作，已经很多。自然大气环境中不存在单分子状态的水蒸气的宏观事实。也已得到科学界的普遍认同。但是，奇怪的是，这样大的实质性发现，却在所有和水蒸气有关的物理、气象、航天航空航海、干燥技术以及生物、医学、农业等领域没有继续引起一点点的波浪或水花。这难道不值得深思吗？

关于水的各种异常的理化特性，一直是人们研究的重点。许多和水有关的不解之谜、世界难题，难道不能在这个量子化学的发现中找到一点启示吗？有关水分子簇的探讨，早在1887年就有人已经提出了。但是这些都是在固态和液态的水的环境里的讨论，对于气体，对于气态的水蒸汽和水蒸气分子簇有关的研究却是21世纪的最新动态。

4. 气态水分子簇概念

根据一些报告气态水分子簇的事实主要表现在三个方面：

1.水蒸气在大气中以远不止一种（通常超过5-6种）的、相对稳定的络合结构（分子簇）形式存在，用化学分子式来表示就是：

n* H2O
+
H+
（其中的n为一些具有稳定结构的络合体内的水分子个数）

这或许是一个不太容易理解的化学概念，那么让我们用一句及其通俗的语言来描绘的话，就是：

原来：

我们都以为已经是十分了解的水蒸气，却是一种我们并不了解的、由好多种不同的水蒸气成分组成的混合气体。

2. 各种水蒸气分子簇成分，在温度和压力的变动中存在动态的平衡过程。

3. 温度越低，n数小的分子簇成分越少。

未完

霁雪

4.1对气态水分子簇概念的实际理解

大气状态中的水蒸气，不管是以那种n数的分子簇形式存在，不管总共有多少种不同n数的气态水分子簇同时存在，只要它们是同时地存在于同一个环境中，那么，它们就应该被看作是一些各不相同的气体。

尽管他们裂解后的最终结果在化学角度都是H2O，但是我们仍然不能够在物理和气象等方面，把他们混捆地理解为是同一种H2O气体。而应该用不同的气体的混合物概念来理解、分析和推断作为这些H2O混合气体的总和的“水蒸气”的各种理化特性。

因为，现代科学至今还没有实际的分离出来过任何的一种水分子簇的单体，所以我们无法断定所有的水分子簇成分是否具有相同的理化特性。但是如果我们不是将水蒸气以混合物的角度来考虑，我们就有可能将某一种水蒸气分子簇成份所具有的一种或两种理化特性。错误地理解为是全部水蒸气的特性。这样的做法，在已经证实水蒸气分子簇的存在面前，于科学的严谨性是不符合的。

既然水蒸气本身是混合气体，那么我们所已经了解的水的和水蒸气的那些特征，到底是混合气体中的哪一种成份的特征呢。是全部都属于某一种水蒸气分子簇成份的特征呢？或者有些是这种水蒸气分子簇成份的特征，而有些是另一种水蒸气分子簇成份的特征呢？

对于实际上只是某一种水蒸气成份特征的特征，相对于其他的水蒸气成份来说这些特性会是怎样的呢？

在目前的条件下，由于前卫科技对水蒸气分子簇的研究进展比较慢。过于笼统的追究各种水分子簇加在一起总有多少特征，未免为时过早了。但是至少在目前我们已经可以集中精力对于水蒸气的——相变过程，即水蒸气混合成份的相变凝结过程，进行深入的讨论了。

设想，当水蒸气被了解到是由水蒸气的混合物组成的时候，在发生相变的条件下会可能是各种不同的成份同时同步进行相变的吗？还是应该有先后，参差进行的？

4.2分馏的概念

按照分馏的常识：像氧气和氮气两种不同的气体混合到一起的时候，由于有不同的相变点。所以在气体提炼厂里，可以利用不同的相变（沸点）点，把这两种气体份开来。另外在石油工业里的分馏塔中各种不同的石油气成份也是根据不同的相变特点从石油气中分离了出来。

从化学已有的理论上我们知道，各种不一样的水蒸气成份，它们必定是具有不同的相变温度和相变曲线的。那么，例如当天气变化的时候，大气环境中所有的各种水蒸气分子簇的成份，他们会是同时在高空里变成云和雨的吗？

回答显然是不可能的！

类似的问题可以提出好多好多。但是，许多属于水蒸气分子簇成份气体相变现象的物理机理。在目前科学界和理论气象学对于水蒸气混合物，还远没有足够认识的条件下，大部份的疑问实际上得不到确切的结论。

但是关于物理学中“相对湿度和露点”的概念。却是一个已经可以明确了的必须再探讨的内容了。

前面已经介绍了，水蒸气是有好几种不同分子簇成份气体混合而成的。那么在测定相对湿度的冷镜式露点仪的测试腔内，会发生不同成分的同时析出吗？根据所有的已有的知识，我们知道，这些不同的水蒸气成份，必然地不可能同时析出。那么这样的情况对露点法湿度的测定起到的是怎样的作用呢？

5.分馏过程对露点法湿度测量的影响

5.1水蒸气混合成份在露点仪内部的分馏现象

毫无疑问地，在露点法湿度仪的内部，当镜面温度降低导致露珠在冷镜面上析出的时候。不可能期望所有各种水蒸气分子簇混合成分，都会同时达到露点，不可能期望在冷镜面上同步地析出数量上成比例的不同水蒸气分子簇成份的冷凝露珠来。因而在事实上，当露点式湿度仪的冷镜面上发生结露的时候，必然是只有一种，在当时环境下最容易达到露点的水蒸气分子簇成份率先发生了结露，而其他的那些分子簇成份则一点反应都没有，依然保持原来的分布状态。并不会参与在露点法湿度仪内部产生结露的过程。

这就是我们关注的，在露点仪内部所发生的“分馏”现象的实际过程。

这就是说：作为在目前全世界湿度测定中最基础的标准仪器设备：“冷镜式露点湿度仪”其实只能测量大气环境中所有水蒸气中极小一部分，而没有可能测量到所有水蒸气成份的全部。

因而，“冷镜式露点湿度仪”测定得到的相对湿度值，必然是大大偏低的。

5.2分馏过程对露点法湿度测量的图解分析

下面是一个在常温常压条件下，关于冷镜式露点湿度仪的测量误差的分析示意图。

常温常压常湿条件是露点湿度仪最基本的使用环境。至于超低湿度<1%RH和超高湿度>99%RH，超低温度-100C-0C和超高温度>150C环境里的湿度测量和理论误差，将在以后另外的专题论文里继续讨论。



未完

霁雪

图中我们假设，大气环境中的水蒸气只是由两种成份组成。它们分别是P 分1、和P分 2，两条灰色线所代表的水蒸气分子簇成份，这样我们通常所测量得到的水的气液两相线（图中的黑色粗线）就是这样的两条（n条）分子簇成份的两相线的叠加线。

除非两条分子簇成份的两相线有高度的重合或者是平行的，当冷镜面的温度逐渐降低的时候，在靠近镜面极薄的一层空气中，必然地只可能有一种分子簇成份会发生结露现象。如在上图中所示：那条浅灰色线所代表的水蒸气分子簇成份P分2在相同的降温环境中首先发生相变了。

图中可见：由P分2所发生的相变实际上代表的压力差是P分2，其数值要比黑线所代表的压力差P总小得多。

按照相对湿度的物理定义，

RH=e/E *100%

其中的e在图中就是B点温度时的饱和气压值PB，E就是图中A点温度时的饱和气压值PA的比值。也就是：

RH= PB/PA *100%

即

RH= (PA-P总)/PA*100%



但是从图中我们看到：P总>> P分2的。

如果我们用“干度”来代表P总，那么，在露点法的测量过程中，错误地用P总来替代了实际导致结露发生的P分2，其结果就是“干度”被扩大了好几倍。

用数值来举例的话，假设，当露点法测定得到的相对湿度值是70%时，我们理解为当时的干度是30%，由于实际的发生的结露的压差是P分2，它仅占P总的四分子一左右，那么这时实际上的干度就只有7.5%了，再折算为相对湿度，就是92.5%。这个92.5%的相对湿度值，就是在这个例子里被露点法误测为70%相对湿度的正确湿度值。

在实际大气环境中，水蒸气的分子簇成份远不止两种，分子簇成分的动态分布还和气压，地理位置，海拔高度等环境因素有十分复杂的变化联系。所以并不存在一种通过“干度”来折算正确“相对湿度”的途径。

需要指出的是，实际大气中水蒸气的“相对湿度值”并不因为测量手段的改变而改变。需要改变的只是人们对于从“露点法”错误测量数值，所延伸出来的对于水的一些错误认识而已。

霁雪

6. 结论

从上面的分析指明了，露点法湿度测定是一种包含“理论性设计错误”的测定方法。

对于从露点法这样的一个低估了湿度或扩大了干度的湿度测定方法，其测定误差的根源是因为大气中的水蒸气是由许多不同n数的分子簇成份造成的，100多年前的露点法湿度仪的设计者，100多年前的科学并没有了解到水蒸气本身是混合气体的实质，因而是露点法湿度仪的测定误差是属于一种设计理念上的错误，所以这种错误是无法避免，也不可能用任何方法来校准的。

因而，作为湿度测定基础和标准仪器设备——“冷镜式露点湿度仪”。其实只是 错误地测量了大气环境中所有水蒸气中的极小一部分，而没有测量到所有水蒸气的全部成份。

在认清了这样的一个客观错误事实之后，从现在开始，不管是在气象还是航天等什么行业的范围里，如果继续地使用冷镜式露点仪作为相对湿度的标准测定手段或者以由冷镜式露点仪校准的各种机械或电子湿度仪器来测量湿度，就是一种明知故犯和固步自封了。



7.展望

计量技术一直没有满足于露点法湿度测量的不确定性，所以各种新的类型的湿度测量手段，也一直有推出，诸如，利用红外线或微波来远距离测量相对湿度的仪器。正是当前湿度测量技术的热门项目。但是，这些新的测量手段同样面临一个，是测量全部的气态水分子簇家属的含量还是测量这些气体水分子簇成分中的一种。是测量和露点法所测到的哪一种的分子簇成分，还是测到了另一种露点法所没有测到的成分？

甚至于气象卫星的云图，红外水汽图，目前都是按照“露点法湿度测定”的读数来校准。因而，也就不知道倒底代表的是水蒸气家属中的哪一种？

当科学还没有充分地认识大气中水蒸气分子簇的实际状况的时候，露点法的测定结果确实给科学研究特别是气象学的研究带来了不少疑难，事实上，在许多理论上本来应该是接近100%湿度的环境，在露点法面前就变成是远不饱和的了。这种严重的测量错误大幅度地误导了理论物理和理论气象学对于云微物理过程的研究。造成了一系列严重的错误判断。直接导致了许许多多在气象学里的错误理论和概念。

需要认真对待的是：

露点法100多年来，已经是根深蒂固了，错误的测量结果在事实上已经被科学界完全地接受了，并且由此推出了一大批的误导性的后继理论。

例如关于水汽输送的理论，水蒸气过饱和的理论等等，就是这样的一些以被低估的湿度测量值为依据的典型后继错误理论。

新的能够通过自检要求的湿度测量仪器已经应运而生。

然而，科学面临的不仅是全面更换所有的湿度测定仪器的问题。那些在各种科研领域，被露点法错误测定值误导的一系列的理论和研究必将迎接一个海啸般的冲击而重生。

liuyuji

能看到不同的观点，不同的想法，对大家来说是一种机会

刘彦刚

回复 4# 霁雪


    我觉得：用例如“当天气变化的时候，大气环境中所有的各种水蒸气分子簇的成份，他们会是同时在高空里变成云和雨的吗？”作为该问题的论据有些牵强哦！最起码广宽的天空不可能是温度和湿度均匀度如我们精密露点仪那么好的恒温恒湿箱吧？量友们说是吗？

zhouyanhua

学习当中，对湿度一直有一个比较模糊的概念。谢谢了！！

霁雪

回复 6# 刘彦刚

刘先生提出的疑问，没有正面回应我所提出的，在化学领域里的研究成果——水蒸气是由多种分子团簇结构成分组成的混合气体。这个已经是世界上公认的事实。

说起来露点仪是一种精密仪器。只要有一点点的和水的露点较接近的有机气体混在空气中的时候。露点仪就没法使用。

经过精确控制的恒湿环境，仍然不能摆脱是水蒸气混合气体的大规律。所以从湿度发生器提供出来的标准湿度的气体。实际上无法确定有多少比例n1分子团簇成分，有多少n2分子团簇成分……仍然不能确定各种不同的分子团簇成分凭什么有可能会同步地成比例地在冷镜上凝结为露。


回避问题和转移话题不是解决问题的办法。除非你能证明水蒸气不是混合气体。

否则就不能排除露点法设计原理的理论性错误。

理论性的错误是不能用技术手段来弥补的。希望大家认真思考。

liuyuji

我不能确定现在露点法设计原理有没有问题，但是我觉得用精密露点仪做普通温湿度表的检定校准性能上是足够的。
还是那句话，能看到新的理论出来是一件很让人高兴的事。

霁雪

实际上，早一些时候我已经在本网提出了一个揭示露点仪实际使用中的巨大误差的问题。http://www.gfjl.org/thread-164329-1-1.html
一直没有人看也没有回复。

不过现在是冬天，冬天也不要紧，我们可以采用我上面一开始就提到的自检的办法来检验湿度仪。看看误差是不是太大了一点。

清早先测量室外环境的温度和湿度，然后用大塑料袋装几大袋早上室外的空气。装的时候在里面各放一个校准过的电子温湿度仪。然后，分别记下每隔一小时的温度和湿度值。
随着塑料袋里的温度的升高，相对湿度必然有规律的下降。所以现在可以检查一下了。看看每个湿度仪的量值是否有一个可以和计算值保持在10%的误差范围以内？
湿度仪如果有上下偏差不妨取平均值。

即使在过去，没有化学的研究成果的支持，露点法测不准的问题一直是存在的。以前不好解释，现在有解释的理论依据了。为什么抱住错误不放？

霁雪

回复 9# liuyuji

用误差大于30%的标准湿度测定值，去校验只有10%左右波动的其他类型的仪表，精度自然是足够了。实际的问题是，即使一根树伢子用它来测定湿度也比露点法的准。

霁雪

回复 9# liuyuji

露点仪本身的设计理论误差是可以通过实验来证实的。所以你如果看不请我的论述，可以做实验。
值得你高兴的不止是新理论，能从一个中国人这里看到这样新理论的出现，你应该更高兴。

我设计的新的湿度仪正在申请专利中已经有一年了，应该快通过了，希望得到大家的支持，首先是理论，然后是协作制造，然后是协作销售。全世界的！

谢谢回复