建筑环境测试技术 第4版 课件 Chapter 5 湿度测量

第五章湿度测量1建筑环境测试技术BuiltEnvironmenttestingtechnology第五章湿度测量湿度测量概述干湿球湿度计露点湿度计电阻式湿度计电容式湿度计湿度传感器的选择湿度测量仪表的检定校验应用实例2了解湿度的常用表示方法和主要测量仪表掌握干湿球温度计的工作原理掌握氯化锂电阻湿度计、露点温度计的工作原理及使用方法了解常用湿度传感器及变送器的选用及特点

本章目标3

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？背景及意义4

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。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。

5在空气调节的应用：提高人体舒适感在通信行业的应用：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。

在环境湿度过低时，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。6

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。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。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7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。8

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。基础知识9

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=RwT

PnV=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。基础知识10

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ρ表示，单位为g/m3。

式中Pq，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，℃；Rq，水蒸气的气体常数，Rq＝461J/(kg.K)。5.1湿度测量概述112．相对湿度

相对湿度就是空气中水蒸汽分压力Pq与同温度下饱和水蒸汽分压力Pqb之比值。5.1湿度测量概述

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。

122．相对湿度5.1湿度测量概述饱和水蒸气压力

水蒸气压力干球温度湿球温度大气压力风速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。

133．含湿量5.1湿度测量概述当大气压力B一定时，相应于每一个Pq有一个给定的

d值确定，即湿空气的含湿量与水蒸气的分压力互为函数。所以，和是同一性质的参数，再加上干球温度或湿球温度参数，就可以确定湿空气的状态。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。144．露点温度5.1湿度测量概述

露点温度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。露点温度本是个温度值，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，用Td表示。33.522.815.0155.2干湿球湿度计

目前常用的气体湿度测量方法有：干湿球法、露点温度法和吸湿法。

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。不能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。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。165.2干湿球湿度计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v。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。17

其数量关系的数学表达式为：

Pq=Pb,s－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5.2干湿球湿度计18

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。

5.2干湿球湿度计191.普通干湿球温度计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。

5.2干湿球湿度计20干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽21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。5.2干湿球湿度计1.普通干湿球温度计225.2干湿球湿度计2.通风干湿球温度计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TwTs23干湿球温度/湿度换算表243.电动干湿球温度计

将湿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所代替。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。5.2干湿球湿度计25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。26露点法测湿度5.3露点式湿度计

露点法测量相对湿度的基本原理为：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分压力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。275010203040-1001020304050温度/℃10%RH露点/℃90%RH80%RH70%RH60%RH50%RH40%RH20%RH30%RH28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。29氯化锂露点湿度计

通过测量氯化锂饱和溶液的饱和水蒸气压力与被测空气的水蒸气压力相等（即达到平衡）时，盐溶液的温度，即平衡温度来确定被测空气的露点温度；再根据空气的干球温度和露点温度求出空气的相对湿度。纯水饱和蒸汽曲线氯化锂饱和蒸汽3031氯化锂露点湿度计

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。光电式湿度计321—显示器;2-—反射光敏电阻;3—散射光敏电阻;4—光源;5-—光电桥路;6—露点镜;7—铂电阻;8—半导体制冷器;9—放大器;10—直流电源;11—被测气体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液晶屏显示器：

16x2额定工作电压：

220VAC50Hz外形尺寸：

（W）360x（D）350x

（H）135mm重量：

8.64Kg33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。34

35工作原理：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。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5.4电阻式湿度计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，导致它的电阻减小。当氯化锂的蒸汽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。氯化锂的蒸汽压等于空气中的水蒸气分压力时，处于平衡状态。361.氯化锂电阻湿度传感器氯化锂电阻湿度传感器分梳状和柱状两种形式。5.4电阻式湿度计37为了避免氯化锂溶发生电解，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。注意：5.4电阻式湿度计38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。

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。5.4电阻式湿度计39

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。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。

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%40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2.氯化锂电阻湿度变送器

0～10mA0～10mA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。5.4电阻式湿度计41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。5.4电阻式湿度计423.高分子电阻型湿度传感器

采用微电子工艺制作的高分子电阻性湿度传感器具有灵敏度高、线性度好、响应时间快、易小型化以及制作简单方便、成本低等优点。5.4电阻式湿度计高分子电阻式湿度传感器电阻与相对湿度的关系434．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。5.4电阻式湿度计44金属氧化物膜湿度传感器结构图1—陶瓷基片;2一梳状电极;3—金属氧化物感湿膜;4—引线

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5.4电阻式湿度计455．金属氧化物陶瓷湿度传感器主要特性与性能

（1）电阻一湿度特性

MgCr2O4-TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻—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。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计46

（2）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。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计47（3）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。5．金属氧化物陶瓷湿度传感器5.4电阻式湿度计485.5电容式湿度计

电容原理制成的湿度计开始使用于20世纪70年代，其变送器将相对湿度转换为0~10V直流标准信号，传送距离可达1000m，性能稳定，几乎不需要维护，安装方便。495.5电容式湿度计电容湿度传感器是通过化学方法在金属铝表面形成一层氧化膜，进而在膜上沉积一薄层金属。铝基体和金属构成一个电容器。氧化铝吸湿和放湿程度随着被测空气的相对湿度的变化而变化，因而其电容量是空气相对湿度的函数。高分子湿度传感器原理与之类似505.5电容式湿度计高分子电容式根据电容公式可知，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。介电常数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。

515.5电容式湿度计

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。525.6湿度传感器的选择1）一致性判定，把不同类型，不同厂家的湿度传感器放在一起通电比较检测输出值，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察传感器的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。2）用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、加湿脱湿性能，以及分辨率和最高量程等。3）对传感器作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。4）对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查它们的温度适应性和一致性等等。1.不同场合的选用原则53种类优点缺点测

量

范

围氯化锂电阻湿度传感器及变送器1.能连续指示，远距离测量与调节；2.精度高，反应快1.受环境气体的影响；2.互换性差；3.使用时间长了会老化5％～95％RH氯化锂露点湿度传感器及变送器1.能直接指示露点温度；2.能连续指示，远距离测量与调节；3.不受环境气体温度影响；4.使用范围广；5.元件可再生1.受环境气体流建的影响和加热电源电压波动的影响；2.有害的工业气体影响露点温度－45～70℃DP电容式湿度传感器与变送器1.能连续指示远距离测量与调节；2.精度高，反应快；3.不受环境条件影响，维护简单；4.使用范围广1.价格贵；2.对油质的污染比较敏感10%～95%RH电动干、球湿度计1.使用电阻测温能得到稳定特性；2.不受环境气体成分的影响1.需经常维护纱布上水井防止污染；2.微型轴流风机有噪声10%～100%RH10～（空调应用）毛发湿度计1.结构简单；2.价廉1.有滞后，有变差；2.灵敏度低10%～90%RH主要湿度传感器及变送器特点545.6湿度传感器的选择（1）国家级湿度基准（2）企业基准或实验室分析（3）现场检测（4）连续在线监测2.湿度传感器的选择555.7湿度测量仪表的检定校验湿度计的标定与校正需要一个维持恒定相对湿度的校正装置，并且用一种可作为基准的方法去测定其中的相对湿度，再将被校正仪表放入此装置进行标点。双温法校正装置饱和盐溶液湿度校正装置565.7湿度测量仪表的检定校验1.双温法校正装置

双温法的工作原理示意图下图所示，Ts、Tc分别为设定的饱和温度和试验腔温度，且Tc<Ts，通过气泵使气流在饱和腔与试验腔之间不断循环，经过一定时间之后，气流中的水汽达到饱和状态。假设气体为理想气体，并且饱和腔总压力Ps等于试验腔内气体总压力Pc，则在温度为Tc的试验腔内气体的相对湿度可用下式计算双温法湿度计标定工作原理572.饱和盐溶液法校正装置关键：①实现不同范围内维持恒定的相对湿度空间，②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。5.7湿度测量仪表的检定校验58标定室盐液室小室595.7湿度测量仪表的检定校验温度范围湿度范围精度响应时间(s)阿斯曼5~505~95%2~5%很长氯化锂电阻式5~5015~95%2~5%10，50高分子电容式5~5015~95%2~5%<10金属陶瓷电阻式0~605~90%2~5%<=3露点计-40~1000~100%1较短几种湿度测量仪器的对比605.8应用实例实例1：某高温空气的湿度测量被测空气的干球温度为tg=140℃，冷空气及混风的干湿球温度分别为：tn=20℃，tns=15.76℃；tm=62℃，tms=43.31℃；各温度测试仪表的测量精度为±0.1℃。确定被测空气的含湿量。测量原理：61结果：由湿空气h-d图可得：冷空气及混风的含湿量与比焓分别为：dn=9.471g/kg，hn=44.2355kJ/kg；dm=51.107g/kg，hm=196.2689kJ/kg；因为，高温空气的焓可表示为：

其中，参数