第6章湿度测量

第六章湿度测量§6.1湿度的意义§6.2干湿球湿度计§6.3露点湿度计§6.4电子式湿度计§6.5湿度计校准§

6.6

思考题

在通风与空调工程中，空气的温度与湿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？§

6.1

概述6.1.1

意义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。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。§6.1.2

基本概念

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w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。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、含湿量、露点。1．绝对湿度（少用）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ρ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；θw——空气的干球摄氏温度，℃；Rn——水蒸气的气体常数，Rn＝461J/(kg.k)。

2.相对湿度（多用）用RH表示。通常为空气中所含水蒸气量(水蒸气压Pn)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压Pb)的百分比。1）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；2）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。

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。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。φ值小，说明湿空气饱和程度小，吸收水蒸气的能力强；φ值大则说明湿空气饱和程度大，吸收水蒸气的能力弱。

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。当大气压力为定值，含湿量是水蒸气分压力的函数。4.露点

空气湿度达到饱和时的温度。露点本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？由于当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点相同；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。在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点。露点越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。二、气体湿度测量方法常见的湿度测量方法：

1）动态法:双压法、双温法、分流法；

2）静态法：饱和盐法、硫酸法;

3）露点法；

4）干湿球法；

5）吸湿法。①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。②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。③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。④干湿球法是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。⑤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。§6.2

干湿球湿度计1）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。2）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φ、大气压力B以及风速。

3）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h-d图中查出φ;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φ。

其数量关系的数学表达式为：

Pb,s－Pn=A(θw－θs)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；

θw、θs——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。

将上式代入前式，可得相对湿度计算公式为：

根据θw、θs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。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。干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽特点无风速控制，无屏蔽辐射水易污染测量误差较大注意：

①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，②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。通风干湿球温度计（阿斯曼）构造

温度计置于金属套管内;采用铂电阻温度传感器；微型风机；特点

湿球附近风速固定在2.5m/s金属套管屏蔽辐射数显电动通风干湿球湿度计测量精度大大提高，二级标准湿度计，干、湿球测量温度可达±0.08℃，相对湿度误差≦2%RHTwTs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。§

6.3露点湿度计基本原理：先测定露点温度θl，然后确定对应于θl的饱和蒸气压力Pl。显然，Pl即为被测空气的水蒸气压力Pn。故可用下式求出空气的相对湿度。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。概念：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。露点湿度计由一个镀镍的黄铜盒，盒中插着一支温度计和一个鼓气橡皮球等组成；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。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。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。露点测量中注意事项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；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。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：Δ105℃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）360x（D）350x（H）135mm重量：8.6Kg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。

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。§

6.4电子式湿度计适用场合：洁净及常温场合使用；年漂移量：一般为2%左右，甚至更高；有效使用年限：一次标定的有效使用时间为1年或2年；比较：一般而言，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。§

6.4.1

氯化锂电阻湿度传感器1）物性：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；2）原理：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；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*氯化锂的吸湿特性和吸湿后电阻变化特性氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状一、传感器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。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。R1R2R3R4rrrrABRAB=f()75~95%55~75%35~55%15~35%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4～20mA的电流信号。4～20mA4～20mA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。

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。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%RH，例如，0.05%的浓度对应感湿范围为80%-100%RH，0.2%的浓度对应的感湿范围为60%-80%RH。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。§

6.4.2

高分子湿度传感器是一个电容器；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。一、电容式：高分子电容式湿度传感器结构图特点：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。高分子电容式湿度传感器电容值与相对湿度的关系HMD60Y温湿度变送器测量系统接线图变送器接线图接通电源后电压电流电流和相对湿度成线性比例关系：4～20mA对应于0～100％二、电阻式材料：高分子固体电解质材料制作感湿膜；工作过程：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；工作原理：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。

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。高分子电阻式湿度传感器电阻与相对湿度的关系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。三、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。

1、类别：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107Ω下降到104Ω，即变化了三个数量级。20406080100103104105106107108相对湿度/%R/Ω

（2）电阻—温度特性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。20406080100103104105106107108相对湿度/%20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻—温度特性MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性20406080100010203094%RH50%RH1%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。（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)；常温常湿试验[湿度(10～90)％RH，温度(–10℃～＋40℃)]；油气循环试验(油蒸气↔加热清洗循环25万次，交流电压5V)。经过以上各种试验，大多数陶瓷湿度传感器仍能可靠地工作，说明稳定性比较好。

2、NiO陶瓷湿度传感器NiO陶瓷湿度传感器结构及外形1-外壳

2-过滤层

3-孔状电极

4-NiO陶瓷

5-引线（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。