关于湿度测量技术的探讨（上）

摘　 要:本文以湿度的测量原理和方法为出发点, 对当前常用的湿度测量原理与方法进行阐述并进行分析比较, 着重对目前常用的湿度测量方法—干湿球法和湿度传感器法进行对比, 然后通过湿度测量的基本原理引出了影响湿度测量准确度的两个重要因素—温度和压力, 并通过当前的国内湿度量传系统和湿度测量的基本原理对影响湿度测量准确度的因素进行分析, 最后, 以机械式温湿度计为例, 分析了该标准装置的主要不确定度分量和应当考虑的影响因素。

关键词:相对湿度;露点;湿度标准;准确度;不确定度

1　 湿度的测量方法及原理

早在约 500年前, 人们就根据羊毛吸湿发生重量变化的原理进行湿度测量, 到了本世纪中叶, 由于精密天平的使用大大提高了湿度测量的精度 , 重量法湿度计被许多国家作为湿度基准和仲裁手段, 我国于1977年开始研究重量法湿度计 ,后经原国家计量局批准作为我国的湿度基准 。目前 ,国际上公认的有两大湿度标准,一个是英国物理工程材料的 MPL, 另一个是美国的 NIST。湿度测量从原理上划分有二、三十种之多, 常见的有动态法 (双压法 、双温法和分流法)、静态法(饱和盐法、硫酸法)、露点法、干湿球法和电子式传感器法等 ,其中以干湿球法和电子式传感器法较为常见。下面介绍几种常见的湿度测量原理和方法。

(1)重量法湿度计

重量法湿度计的基本原理是用装有干燥剂 (通常为五氧化二磷)的吸收管定量吸收被测气体中的水蒸气并测定其质量, 同时测量流过吸收管的干气体积和密度, 从而计算出干气质量, 重量法的测量值是混合比, 可以通过公式换算成湿度单位 ,其定义式如下 :

式中:γ———混合比 ;

v———在温度为 t,压力 P 为时流过吸收管的干气体积;

ρ———在温度为 t,压力 P 为时流过吸收管的干气密度。

(2)双温双压法

双温双压法是基于热力学 P、V、T平衡的原理 ,双压湿度发生器可在较大的湿度范围内连续而稳定的产生任意湿度的恒湿空气, 并具有较高的准确度, 其原理是运用 Dalton分压定律, 气体在加压状态下被水蒸气饱和 , 然后减压膨胀 , 此时可根据定义得出在温度 t时的相对湿度计算公式:

式中 :f(P s , T s )和 f(P c , T c )分别是饱和器和试验腔条件下的增加系数 。

双温湿度发生器类似于双压法 ,其原理是将某一温度 、压力下被水饱和的湿气在恒压条件下使其温度升高到设定值, 然后通过 Dalton定律和气体状态方程计算出在较高温度下的气体相对湿度。

(3)露点法

露点法是测量湿空气达到饱和时的温度, 具有准确度高,测量范围宽的特点。湿度可用露点温度 T d 来表示 ,即:在给定的压力下, 混合比为 r的湿空气被水饱和时的温度 ,在该温度下 , 水的饱和水蒸气压等于混合比 r的湿空气的水蒸气分压 。露点与相对湿度的关系可用图 1来表示 :

在进行露点温度测量时 , 温度变化没有影响, 但压力变化则影响较大, 通常在低湿 (10%RH 以下 )测量时 ,建议采用露点法 。冷镜式露点仪是当前比较准确、可靠、方便的测量方法 ,被广泛地用于标准传递。

(4)干湿球法

干湿球测湿法采用间接测量方法, 通常有两支温度计组成 , 一支用于测量环境空气温度 , 另一支温度计用吸湿材料附于测温端, 测量其湿球温度 ,再通过环境温度及两者温度差计算出相对湿度 , 从测量原理上来说, 该方法没有考虑气压的影响, 且受到温度计本身精度和相邻温度计示值误差的影响 , 容易产生较大的测量误差, 一般测量不确定度在 5%RH ～ 7%RH的范围内,但因其使用条件不受限制, 测量范围较宽而得到广泛应用。

(5)电子式传感器法

电子式传感器法属 90年代新兴的行业, 近几年,湿度传感器技术得到了较快的发展, 它以其结构简

单 , 测量方便快捷等优点在市场中占有重要的地位,为湿度测控系统的发展奠定了有力的基础 , 也将湿度测量技术提高到了一个新的水平 。与传统的干湿球测湿法相比 ,其特点可归纳如下 :

①测量精度大大提高

干湿球采用的是间接测量法,它的准确度不仅取决于温度计本身的精度,还受到纱布水套、水质和风速等因素的影响,一般来说,干湿球湿度计的测量准确度只能达到 5% ～7%,电子式湿度计则采用半导体技术,出厂前都要进行标定,其准确度可达 2% ～3%,甚至更高。

②长期稳定性较差,年飘移量大 ,使用寿命较短

电子式湿度计发展时间较短,目前在技术上尚不成熟,在实际使用中,由于灰尘、有害气体等环境因素的影响,极易产生老化现象,从而造成示值漂移和精度下降。

③使用条件受到限制

干湿球法对使用的环境条件没有太大的限制, 比较适合高温和恶劣的环境场合使用 ,电子式湿度计属电子类仪器, 一般来说都有使用环境温度的要求, 如果超过了使用环境温度, 不仅会使其测量精度下降,还易造成损坏。