4湿度测量

第四章湿度测量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？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。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。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%RH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。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。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、气调库、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。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。PgV=mgRgT或Pgvg=RgTPnV=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。湿度测量概述一、空气湿度的表示方法湿度是表示空气中水蒸汽含量多少的尺度。常用来表示空气湿度的方法有：绝对湿度、相对湿度和含湿量。1.绝对湿度绝对湿度定义为每平方米湿空气，在标准状态下所含水蒸汽的重量，即湿空气中的水蒸汽密度（单位是克/米3）。wnnn15.273P169.2TP169.21000T461PTnnRP2.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。%100PPbn)B,v,,(fswBAPPfPswsbnwb)()(,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。bbnnwnwsPBP622PBP622PP622d)kg/g(mm1000d干湿度传感器依据使用材料分类电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。二、气体湿度测量方法干湿球法露点法吸湿法4.1干湿球与露点法湿度检测干湿球湿度计的基本原理为：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。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；A——与风速有关的系数；B——大气压力。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。bswsbbPAB100%PP4.1.1普通干湿球温度计它由两支相同的液体膨胀式温度计组成，一支为干球温度计，另一支为湿球温度计。干湿球温度计就是利用干湿球温度差及干球温度来测量空气相对湿度的。在测得干湿球温度后，可利用公式计算，也可以利用有关图表，查出相应的相对湿度值。•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%。用纱布包裹的温度计纱布放入蒸馏水中纱布表面的水分蒸发使温度下降下降的温度与环境温度、风速及环境湿度有关汽液界面处在热质充分交换的情况下的温度为湿球温度干球温度计湿球温度计刻度盘纱布水槽简单干湿球温度计缺点•无屏蔽－辐射影响温度测量•无风速控制－无法保证换热充分•蒸馏水易被污染注意：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。TwTs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低于80℃精度2~5%rhTwTs阿斯曼使用注意事项1.干湿球法如何实现电测？2.干湿球法能否测量温度在0℃以下的空气的湿度？3.右图测量湿球温度行吗？为什么？4.用酒精代替蒸馏水，干湿球法测量的“湿球”温度比真实温度高还是低？4.1.2电动通风干湿球湿度计为了能自动显示空气的相对湿度和远距离传送湿度信号，采用电动干湿球温度计。它的干湿球是用金属电阻（镍电阻）代替膨胀式温度计，并设置一个微型轴流风机，以便在热电阻周围造成2.5m/s的风速，提高测量精度。airinairout干球热电阻湿球热电阻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。通过调节可调电阻R的滑动触头，使检流计为0，可得UDE=UAB。)(wCECEtfU)(SABABtfU)()(wCESABCEABRUABCEDEDEtftfRUURUIURCE•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。4.2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的饱和水蒸气压力Pl。显然，Pl即为被测空气的水蒸气分压力Pn。lbP100%P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。4.2.1露点湿度计4.2.2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。Chilled-mirrorDew-PointHygrometerCondensationDPHygrometer•测量步骤形成露点判断露点测量露点露点法测湿度精度高温度范围广-40~100℃湿度范围广相对湿度1~2%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：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吸湿法测湿度原理在不同湿度的空气中，某些材料的某些物理性质将发生明显变化。物理性质→空气的湿度材料电解质的溶液（常使用氯化锂）电阻某些高分子材料电阻，介电常数金属氧化物电阻毛发长度4.3电子式湿度传感器某些盐类放在空气中，其含湿量与空气的相对湿度有关；而含湿量大小又引起本身电阻的变化。因此可以通过这种传感器将空气相对湿度转换为其电阻值的测量。这种方法称为吸湿法湿度测量。氯化锂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。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。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。R感湿膜梳状柱状氯化锂是典型的离子晶体。实践证明，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。氯化锂湿敏元件的电阻值—湿度特性如上图(b)所示。由图可知，在50％～80％相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以采用几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合使用。氯化锂湿敏元件的检湿优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%。缺点是耐热性差，不能用于露点以下测量。若用作露点检测，湿敏元件必须3个月左右清洗1次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。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。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R1R2R3R4rrrrABRAB=f()75~95%55~75%35~55%15~35%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。1.高分子电容式湿度传感器dSC/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。4.3.2高分子湿度传感器特点：迅速吸湿、脱湿，