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双压法湿度发生器的工作原理 [2007-2-7]来源:正岛电器技术应用开发部

 概述:本文重点讨论了双压法湿度发生器的工作原理及奥地利益加义公司(E+E Elektronik)生产的HUMOR10 型湿度发生器的特性。

1. 湿度的基本特性
1.1 道尔顿定律
众所周知,环境空气由不同的气体组分组合而成,其主要成分如下表:
      
在理想气体状态中,每个气体分子的活动与其它气体分子无关。
道尔顿定律:气体的压力等于其各组分的压力之和。
即:P=PN2 + PO2 + PAr + …
其中P为气体的总压力,单位为毫巴(mba)或百帕(hPa)。
气态下的水分子(水汽)也是气体的组分之一,因此在理想状态下它也可以用道尔顿定律
描述:
P = PN2 + PO2 + PAr + … + e
或:P = Pdry + e

其中:e为水蒸气的分压力,Pdry为其它气体组分的压力(干气的压力)。
     
湿空气组分示意图。气体的总压力等于各组分的分压力之和。
1.2 空气中的水蒸气压
首先需要明确的是,空气中的水分子不可能无限多的存在,空气中可能容纳的最大的水蒸
汽分压力仅与温度有关,温度越高空气中可容纳的水汽越多。
在装有少量水的密闭容器中,在任何一个温度点(T)下,其液面上方的水分子的蒸发与
冷凝将会达到平衡,当平衡后气体中的水蒸气压既为在温度T时该气体中可以容纳的最大水蒸气压。
        
装有少量水的密闭容器。在温度T时液面上方将产生一个平衡后且仅与温度有关的水蒸气压。
该水蒸气压既被定义为在温度T时该液面上方的饱和水蒸气压,在此用ews表示.
所示,饱和水蒸气压ews与温度T的关系近似为一条指数曲线。需要特别强调的是,虽然需要一些微小的修正,但在大部分情况下饱和水蒸气压可被认为与主体压力的变化无关。
     
1.3 相对湿度
在前一节中已经描述了饱和水蒸气压ews的特性,即它是在某一温度点下气体中可以容纳
的最大水蒸气压。但在通常情况下,气体中实际的水蒸气分压力总是低于在该温度点下的饱和水蒸气压。
相对湿度(RH)即为在某一温度点下气体中的水蒸气分压力与在该温度点时的饱和水蒸气
压的比值。相对湿度以百分比表示。
即:RH = e/ews * 100 (%RH)

2. 双压法湿度发生器
2.1 湿空气的膨胀
假定压力为P1且含有水蒸气分压力为e的气体被膨胀到压力P2,在膨胀过程中气体中所
有组分的压力也将会按照相同的膨胀比率P2/P1来改变。 当然这也适用于气体中的水蒸气分压力e。该过程可用下述公式来描述:
初始状态:气体压力P1=Pdry+e
膨胀后:气体压力P2=P1*P2/P1=(Pdry+e)* P2/P1

同理,膨胀后的水蒸气分压力(e’)也将降低为e’= P2/P1*e
      
2.2 HUMOR10型双压法湿度发生器
HUMOR10型双压法湿度发生器由两个气室组成
      
  压力为P1的空气或氮气被引入气室1(饱和室)。在这里由于有水的存在它将被加湿并产生一个在当时温度条件下的饱和水蒸气压ews(详见第1.2节所述)
然后再把气室1(饱和室)被加湿并且达到饱和的气体膨胀(减压)至P2并引入气室2(测
量室)。在这个膨胀过程中ews也将会按照与主体膨胀的相同比率变化。因此在气室2(测量室),我们即可得到水蒸气分压力e。
e=ews*P/P1
由于HUMOR10所采用的导热性极好的材料和结构,它可以保证测量室与饱和室的温度相同。
而由于温度相同,气室1(饱和室)产生的饱和水蒸气压ews即为气室2(测量室)的饱和水蒸气压。但由于气体的膨胀,在测量室中我们可以得到的是水蒸气分压力e,因此从相对湿度的定义中我们可以得到测量室中的相对湿度。
RH=e/ews=ews*(P/P1)/ews=P/P1
从上式中可以看出,测量室中的相对湿度仅与测量室与饱和室中的压力比有关。
从理论上说,系统中的饱和水蒸气压并不是完全与气体压力无关,因此在实际计算中需要
引入一个压力相关系数来更准确地计算测量室中的相对湿度:
RH=(P*f(P1))/(P1*f(P))
上式中的压力相关系数f(P)和f(P1)均小于1.01。
在实际操作中发现HUMOR10型双压法湿度发生器的精度基本不受环境温度的影响而仅取决
于压力值P及P1的测量结果。当然,要保证双压法湿度发生器的精度的最重要的前提是你必须要保证测量室温度与饱和室温度及饱和室内的水温的完全一致。
通过改变饱和室内的压力P1即可连续改变测量室内的相对湿度。
通过测量测量室及饱和室的压力即可由上述公式计算出实际得到的相对湿度并在显示屏上
显示出来。

3. HUMOR10的主要特性
3.1 精度
理论上讲HUMOR10的精度主要取决于压力测量的精度。如要改善其精度可以把HUMOR10产生的湿度值与一台经过鉴定的镜面露点仪进行比较。然后把得到的修正曲线存储到HUMOR10的内置微处理器中即可。最终得到的精度取决于你所使用的标准源的精度。
     
HUMOR10与一台校准后的镜面露点仪的精度比较。
3.2 稳定性
图7为在75%RH点上经过150小时后HUMOR10与一台校准后的镜面露点仪的比较。
经过反复实验得出的结论可保证HUMOR10在一年内的漂移量不会超过0.5%RH。
             
3.3响应时间
就理论而言,HUMOR10对相对湿度变化的响应时间仅取决于饱和室的压力变化的响应时间
实际上HUMOR10对湿度从75%RH到25%RH的变化响应时间在1分钟以内。由于原理不同,你可看出露点仪响应时间要远远滞后于HUMOR10并且在前几分钟露点仪的读数会有剧烈的震荡。
           
3.4. 环境条件

如前所述,HUMOR10的精度基本上与环境温度无关,唯一重要的一点就是湿度发生器内各气室间温度的一致性。图9显示了当HUMOR10产生的相对湿度为75%RH时,环境温度从25℃变为40℃及从10℃变为25℃后其精度的变化。需要指出的是,温度的改变(特别是改变后的前几分钟)会对作为标准的露点仪的精度产生很大的影响。
       

 

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