第四章 湿度测量

第四章湿度测量 主要授课内容湿度的表示方法湿度的测量方法干湿球法简单干湿球湿度计 通风干湿球湿度计 阿斯曼 露点法光电式露点湿度计吸湿法氯化锂电阻式高分子电阻式 高分子电容式金属氧化物陶瓷电阻式 金属氧化物膜电阻式 第一节湿度测量概述 一 湿度的表示方法绝对湿度 相对湿度 含湿量 所以测得被测空气的水蒸气分压力 及干球温度即可求得绝对湿度 1 绝对湿度 每m3湿空气在标况下 0 1大气压 所含湿空气的重量 即水蒸气密度 单位为g m3 由气体状态方程 第一节湿度测量概述 水汽压e 表示空气块中水汽含量的一个量 多数测湿元件能直接测量 是水汽在大气总压力中的分压力 它表示了空气中水汽的绝对含量的大小 以毫巴为单位 以满足道尔顿分压定律的理想气体为理论前提 对于湿空气中的水汽 用近似公式 3 4 第一节湿度测量概述 饱和水汽压eswi空气吸收水汽有一定限量 达到了限量就不再吸收 这个限量叫 饱和点 空气中水汽达到饱和点时的水汽压 称为饱和水汽压 或称最大水汽张力 分别对水面和冰面定义水面饱和水汽压 在固定的气压和温度下 水汽和平面纯净水面达到气液两相中性平衡时纯水蒸气的水汽压 冰面饱和水汽压 在固定的气压和温度下 水汽和平面纯净冰面达到气固两相中性平衡时纯水蒸气的水汽压 第一节湿度测量概述 饱和水汽压和绝对温度的关系是克劳修斯 克拉伯龙方程 饱和水汽压是温度的函数 随温度升高而增大 在同一温度下 纯冰面上的饱和水汽压要小于纯水面上的饱和水汽压 2 相对湿度 空气中水蒸气分压力Pn与同温度下饱和水蒸气分压力Pb的比值 Pb s 相应于湿球温度的饱和水蒸气压力 Pb 干球温度对应的饱和水蒸气压力 B 大气压力 A 与风速有关的系数 第一节湿度测量概述 相对湿度U 压力为p 温度为T的湿空气 其水汽压e 和水面饱和水汽压ew 的比值百分数U e ew 100 s 100 q qs 100 相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度 空气完全干燥时 相对湿度为零 相对湿度越小 表示当时空气越干燥 当相对湿度接近于100 时 表示空气很潮湿 越接近于饱和 应用理想气体状态方程水蒸气 3 含湿量 空气由干空气和湿空气组成 每kg干空气所含水蒸气的量 称为含湿量 符号d 单位g kg 干空气 因为水蒸气与干空气均匀混合 故Vn Vw Tn Tw 又 Rn 461 Rw 287 所以 当大气压力为定值 含湿量是水蒸气分压力的函数 3 含湿量 二 气体湿度测量方法干湿球法简单干湿球湿度计 通风干湿球湿度计 阿斯曼 露点法光电式露点湿度计吸湿法氯化锂电阻式 高分子电阻式 高分子电容式金属氧化物陶瓷电阻式 金属氧化物膜电阻式 第一节湿度测量概述 露点温度Td和霜点温度TfTd的定义 指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下 冷却到饱和时的温度 形象地说 就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度 若冷却至Tf 使其对冰面达到饱和 此时温度Tf即为霜点温度 露点温度本是个温度值 可为什么用它来表示湿度呢 这是因为 当空气中水汽已达到饱和时 气温与露点温度相同 当水汽未达到饱和时 气温一定高于露点温度 所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度 第一节湿度测量概述 12 毛发湿度表 计 利用脱脂人发 或牛的肠衣 具有空气潮湿时伸长 干燥时缩短的特性 制成毛发湿度表或湿度自记仪器 它的测湿精度较差 毛发湿度表通常在气温低于 10 时使用 1 普通干湿球温度计 构造同精度温度计两支 脱脂纱布 蒸馏水特点无风速控制 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 第二节干湿球与露点法湿度检测 用一对并列装置的 形状完全相同的温度表 一支测气温 称干球温度表 另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布 称湿球温度表 当空气未饱和时 湿球因表面蒸发需要消耗热量 从而使湿球温度下降 与此同时 湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给 当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时 湿球温度就不再继续下降 从而出现一个干湿球温度差 干湿球温度差值的大小 主要与当时的空气湿度有关 空气湿度越小 湿球表面的水分蒸发越快 湿球温度降得越多 干湿球的温差就越大 反之 空气湿度越大 湿球表面的水分蒸发越慢 湿球温度降得越少 干湿球的温差就越小 第二节干湿球与露点法湿度检测 单位时间通过单位面积的空气与湿球对流交换 传递给湿球的热量为Q单位时间通过单位湿球面积蒸发水分的质量是M湿球蒸发消耗的热量为Qm令Q Qm 可得湿度计算公式e干湿球温度表系数A 可近似区作6 2 10 4 第二节干湿球与露点法湿度检测 一 干湿球法湿度测量 测得干球温度和湿球温度可计算相对湿度 适用范围 大于0 测量误差1 2 第二节干湿球与露点法湿度检测 一 干湿球法湿度测量 第二节干湿球与露点法湿度检测 当然 干湿球的温差的大小还与其他一些因素有关 如湿球附近的通风速度 气压 湿球大小 湿球润湿方式等有关 可以根据干湿球温度值 并将一些其它因素考虑在内 从理论上推算出当时的空气湿度来 干湿球温度表是当前测湿的主要仪器 但不适用于低温 10 以下 使用 第二节干湿球与露点法湿度检测 A值随风速有很大的变化 小风速时数值较大 随风速的增加而迅速减小 当风速超过3m s时 A值的变化很小 逐渐接近理论值 或称临界值 不同类型的湿度表的A值有差异 但在高风速时差异很小元件的特征直径d越小 A值随风速的变化越不明显 即在小风速时就可较早地趋近于临界值 1 普通干湿球温度计 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 百叶箱通风干湿球表采用电动通风 使温度表球部维持在3 0 3 5m s的气流速度 以提高准确性 整套仪器由一对感应部分为柱状的温度表 支架 三通管及通风系统组成 2 电动干湿球温度计 将湿信号转换成电信号 有利于远传 构造 轴流风机 镍电阻 湿球纱布 盛水杯 测量桥路 测量桥路 两个桥路通过电阻R连接 构成双电桥 2 电动干湿球温度计 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 观测前的准备 巡视时 检查电路 观测前通风4分钟后 观测 观测完毕关闭通风 湿球结冰时 须先取下护套管 进行溶冰 由于故障或其它原因 无法通风时 应将两支温度表的通风保护管取下 按自然通风状态进行观测 气温低于 10 0 时 湿球不作观测 水汽压 相对湿度 露点温度的查算 二 露点法湿度测量 露点温度 将被测空气冷却 当湿空气冷却到水蒸气达到饱和并开始凝结出水分时所对应的温度 先测定露点温度tL 根据tL确定该温度下饱和水蒸气压力PL PL即为被测空气的水蒸气分压力Pn 1 露点湿度计 采用两只玻璃棒温度计 一只测量干球温度 另一只放入黄铜盒内测量露点温度 根据测得的露点温度和干球温度通过查表得到对应的露点温度下的饱和蒸气压力和干球温度下的饱和蒸气压力 缺点 露点温度不易测准 2 光电式露点湿度计 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 HNP 50型冷镜式露点仪 技术指标露点温度测量范围 65 20 最大致冷温差 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 HNP 50型冷镜式露点仪 露点温度检测的精度取决于湿镜表面与镜面下的铂电阻温度表之间的温度梯度的大小 露点仪的测量精度可用科拉伯龙方程进行估计 可以看出 露点仪是在低温下测湿的唯一有效方法 HNP 50型冷镜式露点仪 影响露点仪测量精度的因素 凯尔文效应 镜面的结露温度低于真实的露点 其误差约为1 乌拉尔特效应 空气和镜面不干净 偏高部分压力效应 测试空间内外有压差判断镜面凝结相态 低于0 时必须判断相态操作失误 第三节氯化锂电阻湿度计 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 一 传感器形式 梳状 柱状 柱状 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 扩大氯化锂湿度计的测量范围 扩大氯化锂湿度计的测量范围 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 第四节高分子湿度传感器 一 高分子电容式湿度传感器 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 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 一 高分子电容式湿度传感器 一 高分子电容式湿度传感器 二 高分子电阻式湿度传感器 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 二 高分子电阻式湿度传感器 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 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 二 金属氧化物膜湿度传感器 原理 将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上 采用烧结或烘干的方法使之固化成膜 这种膜的含湿量随着外界空气的含湿量的变化而变化 含湿量的变化又引起电阻阻值的变化 通过测量电阻之间的阻值即可测量相对湿度 特点 传感器电阻的对数值与湿度成线性关系 测湿范围 工作温度范围宽 第七节饱和盐溶液湿度校正装置 关键 实现不同范围内维持恒定的相对湿度空间 可作基准的高精度标定仪器 水的饱和蒸气压是温度的函数 温度愈高 饱和蒸气压也愈高 当向水中加入盐类 溶液中的水分蒸发受到限制 使其饱和蒸气压降低 降低的程度与盐类的种类有关 根据不同的盐类对应的饱和蒸气压不同 即对应的相对湿度不同实现湿度传感器的标定 常见测湿度的方法比较 SHT71温度 湿度复合传感器 选用SENSIRION公司的SHT71温度 湿度复合传感器 该传感器是该公司最新推出的数字化产品 直接输出数字信号 通过一根数据线与微处理器相连 因此可简化硬件电路设计 接口电路图 电源引脚 供应电压在2 4 5 5V之间 串口时钟输入引脚 SCK 同步微控制器和传感器之间的通信 数据引脚 DATA DATA三态引脚用来向设备输入 或输出数据 SHT71温度 湿度复合传感器 52 3 6湿度的控制和检定 恒湿箱和标准测湿仪器是校准和检定湿度仪器和元件的主要设备 恒湿箱的两个要求 能保持恒定的湿度数值 改变它的控制条件能迅速可靠地调整它的湿度值 湿度检测仪 应有高于待测仪器的精度和易于操作的两个特点 53 3 6 1绝对测湿法 称重法 是实验室内测湿的标准方法 原理 使体积为V的湿空气流过一个干燥管 或几个串联的干燥管 让干燥管把空气中的水汽全部吸收 然后称量干燥管所增加的质量 同时确定干燥管的空气体积或干空气的质量 便可直接确定空气的混合比或绝对湿度 54 3 6 1绝对测湿法 称重法 绝对测湿法精度高 但周期长 露点仪也是一种可能用来作为标准湿度测量的仪器 为了提高恒湿箱的控制精度 可设法使其他物理量来确定箱内的湿度值 介绍三种常用方法 55 3 6 2恒湿盐控湿法 试验证实 某些溶液 如流酸 的平衡相对湿度的温度效应很弱改变容器内溶液的浓度 可调整容器内空气的相对湿度 这种溶液称为恒湿盐 恒湿盐的选择要考虑它是否对元件有腐蚀作用 为了避免溶液在吸收时