濕度露點儀的測量原理

更新時間：2019-11-13

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1. 濕度基礎知識在許多物理、化學和生物學過程中，空氣及其他氣體中水蒸氣的存在與否有著重要的影響。在很多工業領域內，濕度測量是關乎商業成本、產品質量、人身健康和安全的至關重要的因素之一。目前有很多不同的濕度表達方法，也有很多不同的濕度測量技術，因而很有必要了解規范的濕度術語和定義及成熟的濕度測量技術。

1.1 什么是濕度?濕度是在空氣或其他氣體中存在的水蒸氣。水蒸氣是水的氣態形式，同其他各種氣體一樣，是透明的。在我們周圍的環境中大約有1%的氣體是水蒸氣。

1.2 飽和水汽壓、增強因子定義及計算公式1.2.1 飽和水汽壓定義我們知道，溫度高的水會蒸發出水蒸氣。同樣，水在較低的溫度下也可以釋放出水蒸氣。一定溫度下，在水的表面和冰的表面，蒸發現象始終都是存在的。相反，冷凝也是一樣存在的。當蒸發和冷凝的速度達到一致時，該體系就達到了動態平衡狀態?？諝饣蚱渌麣怏w都有吸收水蒸氣的能力，這種能力主要受溫度的影響?？偟膩碚f，溫度越高，吸收水蒸氣的能力越強。在某個溫度下，氣體中所能包含的水蒸氣的量達到多時，就叫作“飽和”。飽和水汽壓是指水蒸氣與水的凝聚相(水或冰)的單組分體系(界面為平面)處于熱力學平衡狀態時的水蒸氣壓力。簡單的說，就是一定溫度下水蒸氣所能存在的大壓力。該壓力僅僅是溫度的函數。

1.2.2飽和水汽壓計算公式目前飽和水汽壓公式使用比較多的是Sonntag公式，其中包括純水和*冰面上的飽和水汽壓公式，分別見公式1及公式2。純水面上的飽和水汽壓公式： (公式1)其中：，單位是，若以表示，需將公式中的21.2409642用16.635794來代替。該公式的使用范圍為173.15K≤T≤373.15K，當273.15K≤T≤373.15K時，不確定度為0.005%(k=2)。*冰面上的飽和水汽壓公式： (公式2) 其中：單位為，單位是，若以表示，需將公式中的29.32707用24.7219來代替。該公式的使用范圍為173.15K≤T≤273.16K，當173.15K≤T≤223.15K時，不確定度為0.5%(k=2);223.15K≤T≤273.15K時，不確定度為0.3%(k=2)。

1.2.3 飽和水汽壓計算簡化公式目前比較常用的是Magnus公式。1.2.3.1 由溫度計算飽和水汽壓水面上的飽和水汽壓公式為：公式(3)式中：單位為，單位為℃。該公式的使用范圍為-45℃≤t≤+60℃，不確定度≤0.6%(k=2)。冰面上的飽和水汽壓公式為：　　　
公式(4)式中：單位為，單位為℃。該公式的使用范圍為-65℃≤t≤+0.01℃，不確定度≤1.0%(k=2)。1.2.3.2 由飽和水汽壓計算溫度由飽和水汽壓計算露點溫度：
公式(5)式中：單位為，單位為℃。該公式的使用范圍為-45℃≤ ≤+60℃，不確定度為≤0.04℃。由飽和水汽壓計算霜點溫度：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
公式(6)式中：單位為，單位為℃。該公式的使用范圍為-65℃≤ ≤0.01℃，不確定度為0.08℃。

1.2.4 飽和水汽壓-溫度曲線飽和水汽壓重要的影響因素是溫度。根據計算公式(1)(2)，繪制出-100℃～100℃之間的飽和水汽壓-溫度曲線，如圖1-1。圖1-1　-100℃～100℃飽和水汽壓-溫度曲線在某一段溫度之內，如20℃～25℃，飽和水汽壓-溫度曲線見圖1-2。圖1-2　20℃～25℃飽和水汽壓-溫度曲線由此可見，在一段很小的溫度范圍內，飽和水汽壓與溫度幾乎呈線性關系。1.2.5 增強因子定義及計算公式上述飽和水汽壓公式均是針對純水-水蒸氣或*冰-水蒸氣體系而言，而對于混合氣體如空氣體系，則需要考慮增強因子f，那么水的飽和蒸氣壓可由公式(7)計算得出。公式(7)其中，：純水的飽和蒸氣壓(可由Sonntag公式或Magnus公式計算得到) ：水蒸氣的增強因子。空氣的值可通過公式(8)及(9)計算：壓力為3kPa至110kPa時，公式(8)該公式的不確定度U<0.08% (-50℃℃時)。壓力為1atm至20atm時，　　　　　　　　　　　　　　　　公式(9)其中，， Ai和Bi的值見表1-1。表1-1　Ai和Bi的值水面-50℃～0℃ 水面0℃～100℃ 冰面-100℃～0℃

A1 3.62183×10-4 3.53624×10-4 3.64449×10-4

A2 2.60553×10-5 2.93228×10-5 2.93631×10-5

A3 3.86501×10-7 2.61474×10-7 4.88635×10-7

A4 3.82449×10-9 8.57538×10-9 4.36543×10-9

B1 -10.7604 -10.7588 -10.7271

B2 6.39725×10-2 6.32529×10-2 7.61989×10-2

B3 -2.63416×10-4 -2.53591×10-4 -1.74771×10-4

B4 1.67254×10-6 6.33784×10-7 2.46721×10-6

1.3露點/霜點露點溫度Td是指對氣體等壓制冷時，水蒸氣冷凝從而形成露的溫度。實際上也就是水蒸氣與水達到平衡狀態的溫度。單位用℃或℉表示。同理，霜點溫度Tf是指對氣體等壓制冷時，水蒸氣冷凝從而形成霜的溫度。實際上也就是水蒸氣與冰達到平衡狀態的溫度。單位用℃或℉表示。當總壓不變的情況下，水汽分壓也不變，因此，一定水汽含量的濕空氣在環境溫度下的水汽分壓等于該濕空氣在露點溫度下的飽和水汽壓，即es(Td)=e(Ta)。通常情況下，將露點溫度與霜點溫度通稱為露點。也有的時候根據水的狀態在0℃有一個分界點，把0℃以上稱為露點，0℃以下稱為霜點。

1.4 體積比體積比即體積分數，指濕空氣中水蒸氣的分體積與干氣的分體積之比，即水汽的分壓與干氣分壓之比。通常將該比值乘以106，單位為μL /L，用符號Vr表示。見公式(10)。舊稱ppmv，但目前不屬于法定計量單位。Vr= ×106(μL /L) 　　公式(10)式中e和P分別表示水汽分壓和氣體總壓。當e<時，可簡化為：Vr = ×106(μL /L) 公式(11)1.5 相對濕度壓力為P，溫度為T的濕空氣的相對濕度是指水蒸氣的實際壓力與相同溫度下水平面上的的飽和水蒸氣壓的比值，用百分比來表示。公式(12)由此可見，對于理想氣體，相對濕度可理解為一定含量的濕氣在一定溫度下的水汽分壓與該溫度下的飽和水汽壓之比，根據上述的露點定義，也可以理解為該濕氣在露點溫度下的飽和水汽壓與環境溫度下的飽和水汽壓之比。當然，對于實際氣體，飽和水汽壓值還要乘以增強因子。1.5.1 溫度對相對濕度測量的影響表1-2給出了在不同溫度、濕度條件下溫度每變化1℃，相對濕度的變化量。表1-2　溫度變化1℃對相對濕度的影響相對濕度溫度

10℃ 20℃ 30℃ 40℃ 50℃

10%RH ±0.7%RH ±0.6%RH ±0.6%RH ±0.5%RH ±0.5%RH

50%RH ±3.5%RH ±3.2%RH ±3.0%RH ±2.6%RH ±2.3%RH

90%RH ±6.3%RH ±5.7%RH ±5.4%RH ±4.6%RH ±4.1%RH

1.5.2 壓力對相對濕度測量的影響由Dalton定律，總壓等于各組分分壓之和。若相對濕度為40%RH，溫度不變時，如果總壓P增加到原來的兩倍即2P，則水蒸氣的分壓PH2O也增加到2PH2O，而飽和水汽壓不變(因為溫度不變)，那么兩者的比值就增加到原來的2倍，相對濕度增加到80%RH。

1.6 干球溫度與濕球溫度壓力為P，溫度為T，濕空氣熱力學濕球溫度Tw*是指在該壓力下，純水-濕空氣體系進行絕熱蒸發，濕空氣達到壓力P下飽和濕氣時的溫度。在實際工作中常常使用的濕球溫度Tw是指濕球溫度計的溫泡被一薄層水(或潮濕的覆蓋物)覆蓋時，由于濕球上的水分蒸發進入周圍的空氣，從而使溫度計的示值降低，此時，溫度計所指示的溫度稱為濕球溫度，而干球溫度計測量的就是環境溫度。1.7 常用濕度單位的換算由于濕度單位的表示方法較多，之間的換算也較復雜，因此這里只介紹常用的三種單位之間的換算。

1.7.1露/霜點與體積比在低濕測量中常常會遇到這兩個量的換算問題。根據露點的定義有e=es(Td), 已知露點值，es(Td)可由公式(1)計算得到。體積比的定義見公式(10)和(11)。P為氣體總壓力或大氣壓。兩者相除，即可算出體積比。反之，已知體積比，也可計算得到露點溫度。常用的三個點的對應值分別為：-65.5℃對應5μL/L，-76.2℃對應1μL/L，-112.0℃對應0.001μL/L(舊稱為ppmv)。計算實例見例1。例1　在一個大氣壓(101325Pa)下，環境溫度為20℃，濕空氣的露點為-20℃，計算此時的體積比。解答：已知露點溫度，可由公式(1)計算出該溫度下的飽和水汽壓：es(Td)=125.586 Pa

再由體積比定義可知， 1.7.2露/霜點與相對濕度根據相對濕度的表達式，即公式(12)，已知環境溫度和相對濕度，利用公式(1)可計算得到干球溫度下的飽和水汽壓es, 根據公式(12)可計算得到e。對于同一體系，按照露點定義，e即為露點溫度下的飽和水蒸氣壓力，即e=es(Td)，那么，利用公式(1)便可算出e相對應的溫度，即露點溫度Td。反之，已知露點溫度和環境溫度，可分別算出es(Td)和es(T)，相除即可得到相對濕度值。計算見例2。例2　一個大氣壓(101325 Pa)下，環境溫度為20℃，相對濕度為40%，計算此時的露點溫度。解答：已知環境溫度為20℃，可由公式(1)計算得出此時的飽和水汽壓：es(Td)=2339.245 Pa根據相對濕度的定義可計算出水汽分壓e= es(Td)×40%=935.698Pa根據露點定義知道該壓力等于露點溫度下的飽和水汽壓。由公式(1)或(5)或查飽和水汽壓表，計算出露點溫度。Td=6.01 ℃1.7.3干、濕球溫度與相對濕度當已知干濕球溫度時，常使用公式(13)來進行計算，得到氣體中的水汽分壓。　　　　　　
(公式13)其中： -樣氣中的水汽分壓， -濕球溫度下的飽和水汽壓， -大氣壓， -干球溫度， -濕球溫度。 -常數，當使用阿斯曼通風干濕表時為6.66×10-4℃-1，該常數受風速影響較大。計算見例3。例3　已知干濕球溫度計的讀數分別為：干球20.0℃，濕球15.0℃，計算此時的相對濕度值。解答：由公式(1)計算出干球溫度下的飽和水汽壓：es=2339.245 Pa再由公式(13)計算出濕球溫度下的飽和水汽壓：e=1368.301 Pa 2. 儀器測量原理濕度測量儀器從原理上可分為冷鏡式、*吸收電解式、Al2O3電容式、薄膜電容式、電阻式、干濕球、機械式。其中*吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機械式濕度計只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式濕度計則不僅能用于低濕的測量，還能用于中高濕，即相對濕度的測量。上述各種原理的儀器各有其優缺點。其中冷鏡式露點儀是準確、可靠、基本的測量方法，被廣泛地用于標準傳遞，但其缺點是價格比較昂貴，并需要有經驗的人操作及保養。

2.1 如何正確選擇濕度計

2.1.1 測量要求首先要確定測量單位，是要測定相對濕度、露點還是體積比?盡管許多儀器可以顯示許多單位，但從原理上來說，一種類型的儀器只能測量一種參數，其它參數是通過計算得出。第二要確定測量范圍。不同類型的儀器適用于不同的測量范圍。應盡量避免在極限的狀態下使用儀器。要根據溫度范圍、流速、正壓或負壓來選擇儀器。第三要確定對指標的要求。例如準確度、靈敏性、穩定性、響應時間、分辨率、線性和滯后等。后要考慮儀器的輸出，比如是液晶顯示還是電壓或電流模擬信號輸出

2.1.2 儀器及安裝形式首先要考慮是手持式還是安裝在管路或墻壁上，是臺式還是要考慮其它的裝置?是電池供電還是電源供電?電纜線的長度及儀器大小是否滿足現場要求?第二是取樣方式。在進行相對濕度測量時取樣對結果的影響很大。取樣方式可以是浸入式的，也可以通過管路將氣流引出，或通過泵將氣樣抽出。對于某些儀器還要考慮到氣體流量。對于低溫測量還需考慮到管路材料及密封問題。第三是氣體種類。比如是否為腐蝕性氣體，是否會對測量結果有影響。需要考慮的其它問題還有是否便于使用，是否用于危險區域等。

2.1.3 費用及維護需要考慮價格、校準周期、耐用度、質量、可靠性、壽命、廣泛性、可互換性、維護及保養零配件的更換、售后服務。

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