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湿度发生器 [2007-1-8]来源:正岛电器技术应用开发部
      

    从目前来看,湿度发生器主要利用一下五种原理。

   1 改变已知湿度气体(主要是指饱和湿气)状态的方法 。我们知道,气体的状态由压力、温度和体积来确定,对于饱和湿气,如果状态条件不变,那末水汽的含量是恒定的,反之,若状态改变,水汽含量亦随之改变。于是可以利用热力学 P 、 v 、 T 关系配制出所要求的湿度的气体,基于这一原理的方法有改变压力的方法,即双压法;改变温度的方法,即双温法;以及同时改变压力和温度的方法;

   2 混合法 ,它又可以分为混流法和分流法两种。前者是将饱和湿气或过热蒸汽同干气混合:后者是将一股干气精确地按比例分为两股,其中一股用水汽饱和,另一股仍保持干燥、而后进行混合。

   3 膜渗透法 ,膜的一侧是水,由于膜两侧的水汽分压不同,于是水汽通过膜向另一侧渗透。基干这一原理通常使用的方法是渗透管配气技术。

   4 温度固定点法 ,即平衡水汽压法,这种方法是利用某些盐类或其它化合物(例如硫酸和甘油)的水溶液在一定的条件下其气相中的水汽分压保持恒定的原理。

  5 化学方法 。根据定比定律,氢和氧在催化剂存在的情况下能按比例地化合,生成定量的水。

    饱和器是这些发生器结构的重要组成部分,是发生含有饱和水汽的湿空气的装置,因此,建立在发生饱和湿气基础上的各种恒湿气体发生器,其性能与饱和器的效率密切相关。从发生器的工作原理,特点和适用的湿度范围出发,饱和器可以设计成多种形式,主要有(1)鼓泡式(2)喷雾式(3)塔板式(4)管式(5)离心式(6)“迷宫”式,这里不再详细介绍,有兴趣可与编者联系。

下面介绍几种典型的湿度发生器

一、双压法湿度发生器

  原理:气体在加压状态下被水汽饱和然后减压膨胀。假如气体在饱和、膨胀过程温度保持恒定,并服从理想气体定律,那末由道尔顿定律可得到如下关系式:

    公式中 e w 和 P s 分别为饱和器中的饱和水汽分压和气体的总压, e c 和 P c 分别为试验腔中的水汽分压和气体的总压。根据定义,在温度 t 时,低压下的气体的相对温度可按下式计算: 

U=Pc/Ps*100

    如果饱和器内的温度和试验室内的温度也不相同,即变成既改变压力也改变温度的情况,则试验室的相对湿度可采用下式计算

U=(Pc/Ps) * (ew(Ts)/ew(Tc)) * 100

式中 ew(Ts) 和 ew(Tc) 分别为饱和器和试验腔温度下的饱和水汽分压。

双压湿度发生器通常由如下六个部分组成

( 1 )气源系统

( 2 )载气干燥系统

( 3 )饱和器系统

( 4 )试验腔

( 5 )恒温系统

( 6 )温度和压力的测量与控制系统

二、双温法湿度发生器

    原理:ts 和 tc 分别为饱和器温度和试验腔温度,通过气泵使气流在饱和器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。 e w (T s ) 是在温度 T s 下的饱和水汽压力, e c 是在较高温度 T c 下的饱和水汽压力。假设气体为理想气体,并且饱和器总压力 P s 等于试验腔内气体的总压力 P c ,那么,在温度为 T c 的试验腔内气体的相对湿度可以用如

下式计算:

U=(ew(Ts)/ew(Tc)) * 100

    在 Ps 和 Pc 不一致时,特别是在气流速度较高的情况下,就需要考虑进行压力修正,

U=(ew(Ts)/ew(Tc)) * (Pc/Ps) * 100

    基于两个温度原理设计的密闭式湿度发生器有多种不同的结构形式。

三、低霜点湿度发生器

    低霜点湿度发生器是一种专门用于低湿领域校正的能够发生水汽含量低至 ppm 级(即低于百万分之一)气体的设备。

    同双温法相似,霜点湿度发生器制备已知湿度气体的过程是一个等压变温过程。经过充分干燥的气体首先流经一个热交换器然后进入饱和器,换热器和饱和器均浸没在一个恒温液体槽中。饱和器是一根螺旋形金属盘管。管的内表面为大约 1mm 厚的薄冰层所覆盖。通过饱和器的气流距离冰层表面不超过 4mm 。在流速为 2L/min 时,气体的平均传质时间大约 7s 。

    干气流经过换热达到槽温而后进入饱和器,因为使气流达到饱和所需的水汽量非常小,所以管内冰的升华作用不会导致冰面温度明显下降,另外,由于盘管足够长,气体的饱和过程在盘管的前部就己完成,盘管其余部分只是作为饱和气体最后换热之用。通过饱和器的气体不存在明显的压力降。饱和器出口端气体的温度与饱和器的温度相同或十分接近,所以这一温度可视为气流的霜点温度。

四 、分流法湿度发生器

    原理:干气源(一般是干空气)的气体按一定的比例分成两部分,一路进入饱和器 S ,被饱和的气流在混合室 C M 中同另一股干气混合,而后进入试验腔 C T ,最后排入大气。饱和器、混合室和试验腔浸在同一个恒温槽中。

试验腔中的相对湿度是下列因素的函数:

(1) 通过饱和器的空气的份数。

(2) 饱和器中的总压力。

(3) 饱和水汽压力。

(4) 试验腔中的水汽分压力。

计算试验腔中相对湿度的公式

U=100 * X / [1-(1-X) es/Ps ]

式中,X分流比,es为饱和器中的水汽分压力, Ps为饱和器中的总压力。

分流法的相对温度不确定度一般在 1-3 %范围内;所以在低温下使用上述简化式完全能满足方法的准确度要求。

五、渗透法湿度发生器

    渗透管的工作基础就是依据膜渗透原理,水分子穿过管壁的渗透过程遵循 Fick 定律,

q=-D*S * (dP/dB)

式中, q: 渗透速率,

D :渗透系数

S: 有效渗透面积,

dP/dB: 膜两侧水汽的压力梯度,其中 B 为膜的厚度。

    由上式可见渗透速率与膜的材料及其密度、厚度、有效渗透面积、材料的物理特性(如亲水或憎水)以及膜两侧的水汽分压差等有关。

    发生器输出的标准气的水分浓度按下式计算:

C=(q*V) / (F*Mv)

式中: C ——标准汽的水分浓度,单位为 ppmv

q ——标定温度对应的渗透率,单位为μ g/min

V ——水汽的摩尔体积,单位为 L/mol

F ——干载气流量,单位为 L/min

Mv ——水的摩尔质量,单位为 g/mol

    由上可知,载气的干燥程度及其流量会直接影响输出气体的湿度量值。因此,载气必须经干燥系统充分干燥,同时要求气源稳定相对流量进行准确的测量。发生器的准确度取决于所用的渗透管渗透率标定的不确定度、气源的稳定性、载气流量测定的准确度,以及恒温精度。

    上述只是介绍了几种常用的湿度发生器,还有一些类似的我们会在今后的工作中陆续更新。

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