湿度测量方法ppt课件.ppt

在通风与空调工程中 空气的湿度与温度是两个相关的热工参数 它们具有同样的重要意义 湿度控制有何应用呢 第四章湿度测量 1 在纺织行业的应用 对纺织纤维性能的影响 在相对湿度增大时 由于纤维吸湿后的分子间距离增大 故纤维的硬度和脆性随之降低 使纤维的柔软性大为改善 机械表面与纤维间的摩擦或纤维间的相互摩擦 不可避免的会引起纤维带电 当纤维与机体带有不同电荷时 会妨碍纤维的拉伸 梳理 交织 卷绕过程的顺利进行 提高空气的相对湿度 可以使纤维的比电阻降低 以增加电荷散逸的速度 从而消除静电 2 在空气调节的应用 提高人体舒适感 环境湿度过低时 体表汗液蒸发量增加 皮肤会感觉过于干燥 而湿度过大时 体表出的汗不能及时 充分地蒸发掉 积于皮肤表面 使人体不舒适感觉加大 因此 为了提高人体热舒适性 应正确控制室内相对湿度值 3 在卷烟业的应用 对烟丝质量的影响 在制烟过程中 烟丝的破损率及质量与储存时的空气湿度有着重要的关系 储存时空气过于干燥 则烟丝易破碎成烟沫 气味也挥发出去 烟丝质量随之降低 通常 储丝库的温度需要维持在18 25 之间 相对湿度要保持在70 以上 在此环境条件下 烟丝才不易破碎 飘尘现象也较轻 烟味也较纯正 4 在通信行业的应用 确保设备可靠性 为避免因空气干燥引起静电 烧坏电路板 造成线路瘫痪 从而引发事故 同时保持设备的最佳运转状态 延长设备的使用寿命 通信行业动力机房环境对湿度和温度有着严格的要求 5 在航天科技中的应用 将乘员舱大气湿度控制于乘员的舒适水平 在乘员舱大气中 航天员呼吸 蒸发和洗涤都会造成水蒸气增加 甚至达到饱和状态 在失重情况下 水蒸气可以在任何冷表面凝结成水珠 且随机存在于任何部位或飘浮在大气之中 早期的载人飞船 随处存在的冷凝水成为令人十分头疼的问题 双子星座 飞船曾采用铺设吸水材料的办法简单处理 现代载人航天器使用一种带有孔板输出机构的冷凝热交换器 以5 通风气流把冷凝水引出排水细孔 再经动态水 气分离器把水和气体分开 新式的湿度控制装置除湿效果好 寿命长 循环空气阻力小 6 在其他场合的应用 受湿度影响较大的场合 还有如计算机房 印刷车间 洁净室 手术室 实验室 半导体生产车间 博物馆 档案馆等 7 大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的 我们称其为湿空气 干空气的成分主要是氮 78 氧 21 氩 0 93 二氧化碳 0 03 及其它微量气体 在湿空气中水蒸汽的含量虽少 但其变化却会对空气环境的干燥和潮湿程度产生重要的影响 且使湿空气的物理性质随之发生改变 8 常温常压下干空气可视为理想气体 而湿空气中的水蒸汽一般处于过热状态 且含量很少 也可近似看作理想气体 PwV mwRwT或Pwvw RwTPnV mnRnT或Pnvn RnT干空气用下标g表示 水蒸汽用下标n表示 根据道尔顿定律 湿空气的压力应等于干空气的压力与水蒸汽的压力之和 B Pg Pn海平面的标准大气压为101325Pa 9 第1节概述 一 空气湿度的表示方法 湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度 表示空气湿度的常用方法有 绝对湿度 相对湿度和含湿量三种 1 绝对湿度 绝对湿度定义为在每立方米湿空气 或其他气体 在标准状态下 0 760mmHg 所含水蒸气的重量 即湿空气中的水蒸气的密度 以字符 表示 单位为克 米3 式中Pn 空气中水蒸气分压力 Pa T 空气的干球绝对温度 K w 空气的干球摄氏温度 Rn 水蒸气的气体常数 Rn 461J kg k 10 2 相对湿度相对湿度就是空气中水蒸汽分压力Pn与同温度下饱和水蒸汽分压力Pb之比值 相对湿度越小 就表示是空气离饱和态越远 尚有吸收更多水蒸气的能力 即空气越干燥 吸收水蒸气能力越强 反之 相对湿度越大 吸收水蒸汽能力越弱 即空气越潮湿 相对湿度反映了湿空气中水蒸汽含量接近饱和的程度 故又称饱和度 11 空气的相对湿度是干球温度 湿球温度 风速和大气压力的函数 12 绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽的质量 而不能说明湿空气干燥或潮湿的程度及吸湿能力的大小 相对湿度表征湿空气中水蒸气接近饱和含量的程度 值小 说明湿空气饱和程度小 吸收水蒸气的能力强 值大则说明湿空气饱和程度大 吸收水蒸气的能力弱 13 3 含湿量含湿量就是湿空气中 每千克干空气所含有的水蒸汽的质量 所以 当大气压力为定值 含湿量是水蒸气分压力的函数 14 二 气体湿度测量方法常见的湿度测量方法有 动态法 双压法 双温法 分流法 静态法 饱和盐法 硫酸法 露点法 干湿球法和吸湿法 干湿球法露点法吸湿法 15 双压法 双温法是基于热力学P V T平衡原理 平衡时间较长 分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合 由于采用了现代测控手段 这些设备可以做得相当精密 却因设备复杂 昂贵 运作费时费工 主要作为标准计量之用 其测量精度可达 2 以上 静态法中的饱和盐法 是湿度测量中最常见的方法 简单易行 但饱和盐法对液 气两相的平衡要求很严 对环境温度的稳定要求较高 用起来要求等很长时间去平衡 低湿点要求更长 特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时 每次开启都需要平衡6 8小时 16 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度 是热力学的直接结果 准确度高 测量范围宽 计量用的精密露点仪准确度可达 0 2 甚至更高 但用现代光 电原理的冷镜式露点仪价格昂贵 常和标准湿度发生器配套使用 干湿球法 这是18世纪就发明的测湿方法 历史悠久 使用最普遍 干湿球法是一种间接方法 它用干湿球方程换算出湿度值 而此方程是有条件的 即在湿球附近的风速必需达到2 5m s以上 普通用的干湿球温度计将此条件简化了 所以其准确度只有57 RH 干湿球也不属于静态法 不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度 吸湿法电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业 近年来 国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步 湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化 智能化 多参数检测的方向迅速发展 为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件 也将湿度测量技术提高到新的水平 17 第二节干湿球与露点法湿度检测 干湿球湿度检测是根据干湿球温度差效应原理进行湿度测量 干湿球温度差效应是指在潮湿物体表面的水分蒸发而冷却的效应 冷却的程度取决于周围空气的相对湿度 大气压力B以及风速 当大气压力B和风速v不变时 利用被测空气相应于湿球温度下饱和水蒸气压力和干球温度下的水蒸气分压力之差 与干湿球温度之差之间存在的数量关系确定空气湿度 测量空气的干 湿球温度 就可以在i d图中查出 根据干球温度和干 湿球温差从 通风干湿表用相对湿度表 中查出相对湿度 18 其数量关系的数学表达式为 Pb s Pn A w s B式中 Pb s 湿球温度下饱和水蒸气压力 Pn 空气中水蒸气分压力 w s 分别为空气的干 湿球温度 B 大气压力 A 与风速有关的系数 通风速度影响系数A 湿球温度造成系数A的变化 辐射造成系数A的误差 系数A是湿球直径 通风速度 温度 压力 和气流中水分含量的函数 严格来说随每支具体的干湿球及其所处的热力学和动力学状态不同而异 19 将上式代入前式 可得相对湿度计算公式为 根据 w s分别对应有确定的Pb Pb s值 所以根据干 湿球温度计的读数差 即可由上式确定被测空气的相对湿度 20 一 普通干湿球温度计 由两支相同的温度计组成 其中一支温度计的温包部包有潮湿的纱布 即湿球温度计 干湿球温度计装置在同一支架上 湿球温度计的球部表面潮湿纱布中的水分不断进行蒸发 而水分的蒸发强度则仅据周围空气的气象条件而定 当空气的相对湿度愈低 湿球温度计上的水分蒸发愈强 湿球温度就愈低 干 湿球温差就愈大 反之 周围空气的相对湿度愈高 干 湿球温度差就愈小 21 干球温度计 湿球温度计 刻度盘 纱布 水槽 22 特点无风速控制 无屏蔽辐射水易污染测量误差较大注意 湿球温度计安装时 要求温度计的球部离开水杯上沿至少2 3cm 应使湿球温度计周围空气流速保持在2 5m s以上 使A为常数 23 通风干湿球温度计 阿斯曼 构造温度计置于金属套管内微型风机 特点湿球附近风速固定在2 5m s金属套管屏蔽辐射蒸馏水随时滴入 24 25 二 干湿球电信号传感器与温度计 干湿球电信号传感器是一种将温度参数转换成电信号的仪表 也叫电动干湿球温度计 它和干湿球温度计的作用原理相同 主要差别是干球和湿球用两支微型套管式镍电阻 或其他电阻温度计 所代替 另外增加一个微型轴流通风机 以便在镍电阻周围造成一恒定风速的气流 此恒定气流速度一般为2 5m s以上 提高测量精度 26 通过调节可调电阻R的滑动触头 使检流计为0 可得UDE UAB 根据这一关系计算出RDE和相对湿度的关系 在可调电阻上进行分度 实现相对湿度的测量 27 三 露点法湿度测量 露点法测量相对湿度的基本原理为 先测定露点温度 l 然后确定对应于 l的饱和蒸气压力Pl 显然 Pl即为被测空气的水蒸气压力Pn 因此 可用下式求出空气的相对湿度 式中Pl 对应被测湿度空气露点温度的饱和水蒸气压力 Pb 饱和水蒸气压力 露点温度是指被测湿空气冷却到水蒸气达到饱和状态并开始凝结出水分的对应温度 水的饱和蒸气压力随温度的降低而逐渐下降 在同样的空气水蒸气压力下 温度越低 则空气的水蒸气压与同温度下水的饱和蒸气压差值越小 当空气温度下降到某一温度时 空气中的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等 此时 空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠 相对湿度为100 RH 该温度 称为空气的露点温度 简称露点 如果这一温度低于0 时 水蒸气将结霜 又称为霜点温度 两者统称为露点 空气中水蒸气压越小 露点越低 因而可用露点表示空气中的湿度 28 露点温度的测定方法 先把一物体表面加以冷却 一直冷却到与该表面相邻近的空气层中的水蒸气开始在表面上凝集成水分为止 开始凝集水分的瞬间 其邻近空气层的温度 即为被测空气的露点温度 保证露点法测量温度精确的关键 是如何精确地测定水蒸气开始凝结的瞬间空气温度 用于直接测量露点的仪表有经典的露点湿度计与光电式湿度计等 29 露点湿度计 充满乙醚溶液 主要缺点 当冷却表面上出现露珠的瞬间 需立即测定表面温度 但一般不易测准 而容易造成较大的测量误差 30 露点湿度计 测量时在黄铜盒中注入乙醚的溶液 然后用橡皮鼓气球将空气打入黄铜盒中 并由另一管口排出 使乙醚得到较快速度的蒸发 当乙醚蒸发时即吸收了乙醚自身热量使温度降低 当空气中水蒸气开始在镀镍黄铜盒外表面凝结时 插入盒中的温度计读数就是空气的露点 测出露点以后 再从水蒸气表中查出露点温度的水蒸气饱和压力Pl和干球温度下饱和水蒸气的压力Pb 就能算出空气的相对湿度 31 光电式露点湿度计 光电式露点湿度计是使用光电原理直接测量气体露点温度的一种电测法湿度计 其测量准确度高 可靠性强 使用范围广 尤其适用于低温状态 影响测量精度的因素 高度光洁的露点镜 高精度的光学与热电制冷调节系统 采样气体需洁净 32 露点测量中应该注意的若干问题 一 镜面污染对露点测量的影响在露点测量中 镜面污染是一个突出的问题 其影响主要表现在两个方面 一是拉乌尔效应 二是改变镜面本底放射水平 拉乌尔效应是由水溶性物质造成的 如果被测气体中携带这种物质 一般是可溶性盐类 则镜面提前结露 使测量结果产生正偏差 若污染物是不溶于水的微粒 如灰尘等 则会增加本底的散射水平 从而使光电露点仪发生零点漂移 此外 一些沸点比水低的容易冷凝的物质 例如有机物 的蒸气 不言而喻将对露点的测量产生干扰 因此 无论任何一种类型的露点仪都应防止污染镜面 一般说来 工业流程气体分析污染的影响是比较严重的 但即使是在纯气的测量中镜面的污染亦会随时间增加而积累 33 二 露点仪测量条件的选择在露点仪的设计中要着重考虑直接影响结露过程热质交换的各种因素 这个原则同样适用于自动化程度不太高的露点仪器操作条件的选择 被测气体的温度通常都是室温 因此当气流通过露点室时必然要影响体系的传热和传质过程 当其它条件固定时 加大流速将有利于气流和镜面之间的传质 特别是在进行低霜点测量时 流速应适当提高 以加快露层形成速度 但是流速不能太大 否则会造成过热问题 这对制冷功率比较小的热电制冷露点仪尤为明显 流速太大还会导致露点室压力降低而流速的改变又将影响体系的热平衡 所以在露点测量中选择适当的流速是必要的 流速的选择应视制冷方法和露点室的结构而定 一般的流速范围在0 4 0 7L min 1之间 为了减小传热的影响 可考虑在被测气体进入露点室之前进行预冷处理 34 在露点测量中镜面降温速度的控制是一个重要问题 对于自动光电露点仪是由设计决定的 而对于手控制冷量的露点仪则是操作中的问题 因为冷源的冷却点 测温点和镜面间的热传导有一个过程并存在一定的温度梯度 所以热惯性将影响结露 霜 的过程和速度 给测量结果带来误差 这种情况又随使用的测温元件不同而异 例如由于结构关系 铂电阻感温元件的测量点与镜面之间的温度梯度比较大 热传导速度也比较慢 从而使测温和结露不能同步进行 而且导致露层的厚度无法控制 这对目视结露来说将产生负误差 35 另一个问题是降温速度太快可能造成 过冷 我们知道 在一定条件下 水汽达到饱和状态时 液相仍然不出现 或者水在零度以下时仍不结冰 这种现象称为过饱和或 过冷 对于结露 或霜 过程来说 这种现象往往是由于被测气体和镜面非常干净 乃至缺少足够数量的凝结核心而引起的 Suomi在实验中发现 如果一个高度抛光的镜面并且其干净程度合乎化学要求 则露的形成温度要比真实的露点温度低几度 36 过冷现象是短暂的 共时间长短和露点或霜点温度有关 这种现象可以通过显微镜观察出来 解决的办法之一是重复加热和冷却镜面的操作 直到这种现象消除为止 另一个解决办法是直接利用过冷水的水汽压数据 并且这样作恰恰与气象系统低于零度时的相对湿度定义相吻合 由上可见 无论是从热惯性或过冷现象来考虑 降温速度都不宜太快 如果超过合理范围 则降温速度愈快 热惯性也愈大 露点测量的误差就愈大 也越容易出现过冷 最佳降温速度一般通过实验来确定 37 HNP 50型冷镜式露点仪 技术指标露点温度测量范围 65 20 最大制冷温差 105 露点温度测试准确度DEW 0 3PPM V 换算精度0 1 RH 换算精度0 1 显示灵敏度 0 1 样气压力 0 1MPa cm2样气流量 0 4 1 0L min显示器 16x2液晶屏额定工作电压 220VAC50Hz外形尺寸 W 360 x D 350 x H 135mm重量 8 6Kg 38 便携式温湿度露点测量仪 只要计算机与测量仪相连 可随时将温湿度露点值通过串口存入计算机的数据库中 还可以定时自动导入数据 39 40 能够把温湿度露点以曲线的形式显示出来 选择历史数据曲线 几年数据曲线 也可以选择最近几天或几个月的数据曲线 可以任意选择 测量仪和测量参数可任意选择 选中那一部分参数 曲线就显示那一部分参数的图形 本控件还具有对曲线的处理功能 控件有图形缩放 移动图形 查看图形数据 打印等功能 41 第三节氯化锂电阻湿度传感器 氯化锂 LiCl 是一种在大气中不分解 不挥发 也不变质而具有稳定的离子型无机盐类 其吸湿量与空气的相对湿度成一定函数关系 随着空气相对湿度的增减变化 氯化锂吸湿量也随之变化 只有当它的蒸气压等于周围空气的水蒸气分压力时才处于平衡状态 因此 随着空气相对湿度的增加 氯化锂的吸湿量也随之增加 从而使氯化锂中导电的离子数也随之增加 最后导致它的电阻减小 当氯化锂的蒸气压高于空气中的水蒸气分压力时 氯化锂放出水分 导致电阻增大 氯化锂电阻湿度传感器就是根据这个原理制成的 属于吸湿法测量 根据氯化锂的吸湿特性和氯化锂吸湿后电阻变化特性 42 一 传感器氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状两种形式 43 注意 为了避免氯化锂溶液发生电解 电极两端应接交流电 量程窄 一般为15 20 例如 0 05 的浓度对应感湿范围为80 100 0 2 的浓度对应的感湿范围为60 80 环境温度对输出影响较大 因此要进行温度补偿 最高使用温度55 当大于55 氯化锂溶液容易蒸发 44 在聚碳酸酯基片上制成一对梳状金电极 然后浸涂溶于聚乙烯醇的氯化锂胶状溶液 其表面再涂上一层多孔性保护膜而成 氯化锂是潮解性盐 这种电解质溶液形成的薄膜能随着空气中水蒸汽的变化而吸湿或脱湿 感湿膜的电阻随空气相对湿度变化而变化 当空气中湿度增加时 感湿膜中盐的浓度降低 梳状 传感器使用交流电桥测量其阻值 不允许用直流电源 以防氯化锂溶液发生电解 最高使用温度55 当大于55 时 氯化锂溶液将蒸发 使用环境应保持空气清洁 无粉尘 纤维等 45 氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关 采用某一浓度制作的元件在其有效的感湿范围内 其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系 当湿度低于其有效的感湿范围时 其阻值迅速增加 趋于无限大 而当高于该范围时 其阻值变得非常小 乃至趋于零 每一传感器的测量范围较窄 故应按照测量范围的要求 选用相应的量程 为扩大测量范围 可采用多片组合传感器 46 47 氯化锂传感器 测量电桥 合成 放大 检波 电压电流转换器 热敏电阻 放大 检波 电压电流转换器 二 变送器将氯化锂湿度测头接入交流电桥 此电桥将传感器的电阻信号转变为交流电压信号 此电压经放大 检波整流变成与相对湿度成一定函数关系的直流电压 再经电压 电流转换器转换成标准0 10mA的电流信号 0 10mA 0 10mA 温 湿度变送器输出的标准信号 便于远距离传送 记录和调节 测量和调节精度高 常用于高精度的温 湿度测量和调节系统 48 三 新型氯化锂湿度传感器优点 长期工作稳定性好 制作湿度测量仪时会有较高的精度 响应迅速 缺点 有结露时易失效 它特别适合空调系统使用 49 第四节高分子湿度传感器 一 高分子电容式湿度传感器 在高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜 水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放 随着这种水分子吸附或释放 高分子薄膜的介电系数将发生相应的变化 因为介电系数随空气中的相对湿度变化而变化 所以只要测定电容就可测得相对湿度 根据电容公式可知 在电容两个极板的面积和间距不变的情况下 当介电常数发生变化时将引起电容值的变化 50 特点 迅速吸湿 脱湿 滞后小 响应快 不受气流速度影响 测量范围宽 抗污染能力强 稳定性好 51 HMD60Y温湿度变送器 52 接通电源后 53 电流和相对湿度成线性比例关系 4 20mA对应于0 100 54 二 高分子电阻式湿度传感器 高分子电阻式湿度传感器主要使用高分子固体电解质材料制作感湿膜 由于膜中的可动离子而产生导电性 随着湿度的增加 其电离作用增强 使可动离子的浓度增大 电极间的电阻值减小 当湿度减小时 电离作用也随之减弱 可动离子的浓度也减小 电极间的电阻值增大 这样 湿度传感器对水分子的吸附和释放情况 可通过电极间电阻值的变化检测出来 从而得到相应的湿度值 55 使用高分子固体电解质材料制作感湿膜 当相对湿度大时 膜中的可移动离子浓度增大 电阻减少 当相对湿度降低时 膜中的可运动离子浓度减少 电阻阻值增大 这样可通过电极间的电阻值的变化测量相对湿度 56 HPR MQ M52R M52R 是一款环保型的高分子湿度传感器 在空调 加湿器 除湿机等民用家电产品中得到了广泛的应用 57 58 59 60 61 第五节金属氧化物湿度传感器 一 金属氧化物陶瓷湿度传感器由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成 烧结体上有微孔 可使湿敏层吸附或释放水分子 造成其电阻值的改变 主要有 MgCr2O4 TiO2陶瓷湿度传感器 NiO陶瓷湿度传感器 特点 工作范围宽 稳定性好 寿命长 耐环境能力强 62 2 主要特性与性能 1 电阻一湿度特性MgCr2O4 TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性 随着相对湿度的增加 电阻值急骤下降 基本按指数规律下降 在单对数的坐标中 电阻 湿度特性近似呈线性关系 当相对湿度由0变为100 RH时 阻值从107 下降到104 即变化了三个数量级 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相对湿度 R 63 2 电阻 温度特性是在不同的温度环境下 测量陶瓷湿度传感器的电阻 湿度特性 从图可见 从20 到80 各条曲线的变化规律基本一致 具有负温度系数 其感湿负温度系数为 0 38 RH 如果要求精确的湿度测量 需要对湿度传感器进行温度补偿 20 40 60 80 100 103 104 105 106 107 108 相对湿度 20 40 60 80 R MgCr2O4 TiO2系湿度传感器的电阻 温度特性 64 MgCr2O4 TiO2系湿度传感器的时间响应特性 20 40 60 80 100 0 10 20 30 94 RH50 RH 1 RH50 RH t s RH 3 响应时间响应时间特性如图 根据响应时间的规定 从图中可知 响应时间小于10s 65 4 稳定性制成的MgCr2O4 TiO2系陶瓷类湿度传感器 需要实验 高温负荷实验 大气中 温度150 交流电压5V 时间104h 高温高湿负荷试验 湿度大于95 RH 温度60 交流电压5V 时间104h