建筑环境测试技术第4章湿度测量

1第四章湿度测量空气的湿度（相对湿度）高低会影响人的舒适感。相对湿度RelativeHumidity：空气中所含水蒸气量（水蒸气分压）与相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气分压）的百分比。%100bnPP——Pn：水蒸气分压。Pb：相同情况下饱和水蒸气的分压。在暖通空调领域，常用的湿度测量方法主要有：干湿球法、露点法、电子式湿度传感器法。2第四章湿度测量4.1干湿球湿度计4.2露点湿度计4.3电子式温度传感器4.4湿度计的校准34.1干湿球湿度计原理：干湿球温度差效应。干湿球温度计：由两只相同的温度计组成，其中一只温度计的温包部位包有脱脂棉纱布，纱布的下端浸入盛有蒸馏水的水杯中。在毛细作用下，纱布经常处于湿润状态。测得干球温度t1、湿球温度ts；湿球温度代表绝热饱和温度。脱脂棉纱布水杯湿球温度计干球温度计44.1干湿球湿度计利用公式计算Φ（焓差计算公式）。在t-d图中确定相对湿度（等焓线、等湿线）。从“通风干湿表用相对湿度表”中查出相对湿度Φ。Φ1Φ=100%PbPnht1tStLdthd154.1干湿球湿度计优点：适用于高温环境及恶劣环境。测量准确度为5%-7%RH。需要人工读数、人工加水。不适用于自动检测湿度、自动控制湿度的场合。64.1.2电动通风干湿球湿度计克服了普通干湿球湿度计的不足。不带数字显示的电动通风干湿球温度计：采用水银温度计。温度计上装有微型风机，造成不小于2.5m/s的风速。也称为阿斯曼湿度计。74.1.2电动通风干湿球温度计1-风机2-铂电阻温度传感器3-脱脂棉纱布4-水杯5-导线带有数字显示的电动通风干湿球温度计：采用铂电阻温度传感器（或其它电阻温度传感器）。温度计上装有微型风机，造成不小于2.5m/s的风速。84.1.2电动通风干湿球温度计数显电动通风干湿球湿度计的原理框图：干湿球温度计温度测量湿度值计算温湿度值显示、报警及远传干球温度计湿球温度计特点：增加了温度测量、湿度值计算和温湿度显示功能。有些还增加了缺水报警及数据远传等功能。测量精度大大提高，温度测量误差±0.08%，相对湿度测量误差不大于2%RH。94.2露点湿度计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。Φ1Φ=100%PbPnht1tStLdth104.2露点湿度计基本原理：先测定露点温度tl，根据tl确定对应于tl的饱和水蒸气压力Pl。%100blPP——Pn：水蒸气分压。Pb：相同情况下饱和水蒸气的分压。露点湿度计的测定方法：先把物体表面加以冷却，一直冷却到与该物体表面相临近的空气层中的水蒸气开始在物体表面上冷凝成水分为止。开始凝集水分的瞬间，其临近空气层的温度，即为被测空气的露点温度。114.2.1露点湿度计测量过程：在镀镍黄铜盒3中注入乙醚溶液，然后用橡皮鼓气球4将空气打入镀镍黄铜盒3中，并由另一管口排出，使得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得温度降低。当空气中水蒸气开始在镀镍黄铜盒3外表面凝结时，插入其中的温度计读数就是空气的露点。缺点：不易测准，误差较大。1-干球温度计2-露点温度计3-镀镍黄铜盒4-橡皮鼓气球露点温度计干球温度计橡皮鼓气球镀镍黄铜盒124.2.2光电式露点湿度计测量原理：利用光电原理直接测量气体的露点温度。核心：一个可以自动调节温度、能够反射光的金属露点镜6以及光学系统。体流向被测气78光电桥路-42.1213564910134.2.2光电式露点湿度计测量过程：被测气流通过中间通道与露点镜6相接触。来自光源4的斜射光束经过露点镜6反射后，大部分射向反射光敏电阻2，小部分被散射光敏电阻3所吸收。二者通过光电桥路5进行比较。两者之间的不平衡信号经过平衡放大器9放大之后，自动调节10输入半导体热电制冷器8的直流电流值，其制冷量随之变化。当温度降至露点温度时，露点镜6的镜面开始结露，测得露点温度。体流向被测气78光电桥路-42.1213564910144.2.2光电式露点湿度计特点：露点温度测量范围为-40~100℃，测量误差为±0.05℃。最低的露点湿度能够测量到1%-2%的相对湿度。测量精度高，且可以测量高压、低温、低湿气体的相对湿度。但是，采样气体不得含有烟尘、油脂等污染物。技术指标露点温度测量范围：-65～20℃露点湿度测试准确度DEW±0.3显示灵敏度±0.1℃样气压力0.1MPa/cm2样气流量0.4～1.0L∕min154.3电子式湿度传感器原理：某些物质放在空气中，其含湿量与空气的相对湿度有关。含湿量的大小会引起物质本身的某些物理特性的变化。因此，可以将具有这些特性的物质或者元件做成传感器，将空气相对湿度的测量转换为对传感器的电阻或者电容量的测量——吸湿法湿度测量。传感器：氯化锂电阻湿度传感器、高分子湿度传感器、金属氧化物陶瓷湿度传感器、金属氧化物膜湿度传感器。湿度传感器在出厂之前，都要采用标准湿度发生器进行标定，准确度可以达到2%-3%RH。164.3.1氯化锂电阻湿度传感器氯化锂的吸湿量与空气的相对湿度成一定函数关系。空气湿度增加氯化锂的吸湿量增加氯化锂中导电的离子数增加电阻减小(%)1535557595R(K)80705232.312.35020406080020406080100相对湿度(%RH)电阻(K)174.3.1氯化锂电阻湿度传感器梳状传感器：梳妆电极（金箔）镀在绝缘板上。柱状传感器：用两根平行的铂丝电极缠绕在绝缘柱上，利用多孔塑料聚乙烯球作为胶黏剂，使得氯化锂溶液均匀地附在绝缘板的表面。梳状传感器柱状传感器1-端子2-电极3-塑料底板4-插座5-引线将传感器放置在氯化锂溶液中。氯化锂盐溶液使两电极间构成导电回路。随着空气相对湿度的变化，氯化锂溶液的吸湿量产生变化。所以，两个电极之间的电阻值反映了空气相对湿度的变化。184.3.1氯化锂电阻湿度传感器两个电极之间的电阻值如何测量？——交流电桥。通过电桥将传感器电阻信号RΦ转变为交流电压信号u(Φ)。电压u(Φ)再经放大、检波电路，变成与相对湿度成一定函数关系的直流电压U(Φ)，再经电压——电流转换器，转换成与相对湿度成线性关系的4～20mA、DC信号。为了消除环境温度的影响，采取了温度补偿措施。фф电压-电流转换器U()I()4~20mA、DC转换器U()4~20mA、DCфI()电压-电流u()测R电桥R量u()合成、放大放大、检波检波19DWS－P型氯化锂电阻湿度传感器采用真空镀膜工艺，在玻璃片上镀上一层梳状金电极，然后在电极上涂上一层氯化锂和聚氯乙烯醇等配制的感湿膜。聚氯乙烯醇是一种粘合性很强的多孔性物质，它与氯化锂结合后，水分子很容易地在感湿膜中吸附与释放，从而使得电阻值发生迅速变化。为了提高湿敏电阻的抗污染能力，还在湿敏电阻表面涂覆一层多孔性的保护膜。20DWS－P型氯化锂电阻湿度传感器优点：有较高的精度、响应迅速。特别适合空调系统使用。缺点：有结露时易失效。长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。最高使用温度55℃，否则氯化锂溶液将蒸发。使用环境要求空气清洁、无粉尘、纤维等。否则使用时间一长，传感器会老化、精度下降。一般情况下，生产厂商会表明1次标定的有效使用时间为1年或2年。21多片组合传感器R1R2R3R4rrrrABRAB=f()75~95%55~75%35~55%15~35%每一个氯化锂传感器的测量范围较窄（一般为15%-20%RH），测量时应该按照测量范围要求，选用响应的量程。为了扩大测量范围，可以使用多片组合传感器。224.3.2高分子湿度传感器——电容式1-底板2-高分子薄膜3-过滤网4-电极5-支架6-引线底板高分子薄膜过滤网电极支架引线电容式湿度传感器是一个电容器。将高分子薄膜2连接电极4。水分子可通过电极两端被高分子薄膜2吸附或释放。随着水分子吸附或释放，高分子薄膜2的介电系数（电容）将发生相应的变化。所以只要测定介电系数就可测得相对湿度。234.3.2高分子湿度传感器——电容式介电系数ε：dSC/C——传感器的电容ε—高分子薄膜的介电系数d—高分子薄膜的厚度S——电极的面积目前，大多采用醋酸丁酸纤维素作为高分子薄膜的材料。这种材料制成的薄膜吸附水分子之后，不会使得水分子之间产生相互作用，尤其在采用多孔金电极时，可使传感器具有响应迅速、无湿滞的特点。244.3.2高分子湿度传感器——电容式80相对湿度(%RH)2019004060电容c(pF)210200220100传感器电容值与相对湿度的关系图项目参数湿度测量范围(%RH)工作温度范围(℃)测量精度(%RH)湿滞(%RH)响应时间(s)工作频率(Hz)工作电压(V)温度系数(%RH/℃)15~955~50±211050~30012(AC)-RHS型电容式湿度传感器的基本参数25原理：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。特点：灵敏度好、线性度好、响应时间快、易小型化、制作工作简单、成本低、使用方便。4.3.2高分子湿度传感器——电阻式电阻与相对湿度的关系26HPR-MQ-M52R型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。274.3.3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。烧结体上有微细孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的改变。电阻值与湿度的关系为非线性，而电阻的对数值与温度的关系为线性，因此在电路处理上应加入线性化处理单元。特点：工作范围宽、稳定性好、寿命长、耐环境能力强。主要有MgCr2O4-TiO2（铬酸镁-二氧化钛）陶瓷湿度传感器、NiO（氧化镍）陶瓷湿度传感器。281.MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器MgCr2O4-TiO2陶瓷片尺寸为4mm×5mm×0.3mm，气孔率为25％～30％，孔径小于1μm，具有良好的吸湿性。陶瓷片两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差，在陶瓷片的外围设置加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上。291.MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器MgCr2O4-TiO2陶瓷片湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系：使用之前应先加热约1min左右，以消除由于油污及各种有机蒸汽等的污染所引起的性能恶化。20C80C60C40C100802060400101010101010Ω电阻R()相对湿度(%RH)302.NiO陶瓷湿度传感器原理：利用微细多孔对水分子吸附及释放的现象，使其电阻值发生变化。特点：工作稳定性好、寿命较长，对丙酮、苯等蒸汽有抗污染能力。由于加入了过滤层，所以响应时间较长，适合在空调系统中使用。国产UD-8NiO湿度传感器：项目参数湿度测量范围(%RH)工作温度范围(℃)测量精度(%RH)湿滞(%RH)响应时间(s)工作频率(Hz)工作电压(V)温度系数(%RH/℃)稳定性(%RH/年)成分及结构5~900~60±23≤350~1001(AC)0.51~2NiO烧结体313.金属氧化物膜湿度传感器Cr2O3(氧化铬)Fe2O3(氧化铁)Fe3O4(四氧化三铁)Al2O3(氧化铝)Mg2O3(氧化镁)ZnO(氧化锌)TiO2(二氧化钛)这些金属氧化物的细粉，吸收水分之后具有极快的速干特性。利用这种现象可以制造出多种金属氧化物膜湿度传感器。氧化铬氧化铁氧化铝323.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。膜的含湿量随着外界空气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