湿度露点测量原理

    湿度露点测量原理
    1. 湿度基础知识在许多物理、化学和生物学过程中，空气及其他气体中水蒸气的存在与否有着重要的影响。在很多工业领域内，湿度测量是关乎商业成本、产品质量、人身健康和安全的至关重要的因素之一。目前有很多不同的湿度表达方法，也有很多不同的湿度测量技术，因而很有必要了解规范的湿度术语和定义及成熟的湿度测量技术。

    1.1 什么是湿度？湿度是在空气或其他气体中存在的水蒸气。水蒸气是水的气态形式，同其他各种气体一样，是透明的。在我们周围的环境中大约有1%的气体是水蒸气。

    1.2 饱和水汽压、增强因子定义及计算公式1.2.1 饱和水汽压定义我们知道，温度高的水会蒸发出水蒸气。同样，水在较低的温度下也可以释放出水蒸气。一定温度下，在水的表面和冰的表面，蒸发现象始终都是存在的。相反，冷凝也是一样存在的。当蒸发和冷凝的速度达到一致时，该体系就达到了动态平衡状态。空气或其他气体都有吸收水蒸气的能力，这种能力主要受温度的影响。总的来说，温度越高，吸收水蒸气的能力越强。在某个温度下，气体中所能包含的水蒸气的量达到zui多时，就叫作“饱和"。    饱和水汽压是指水蒸气与水的凝聚相（水或冰）的单组分体系（界面为平面）处于热力学平衡状态时的水蒸气压力。简单的说，就是一定温度下水蒸气所能存在的zui大压力。该压力仅仅是温度的函数。

    1.2.2饱和水汽压计算公式目前饱和水汽压公式使用比较多的是Sonntag公式，其中包括纯水和纯冰面上的饱和水汽压公式，分别见公式1及公式2。纯水面上的饱和水汽压公式：  （公式1）其中： ， 单位是 ，若以 表示，需将公式中的21.2409642用16.635794来代替。该公式的使用范围为173.15K≤T≤373.15K，当273.15K≤T≤373.15K时，不确定度为0.005%(k=2)。纯冰面上的饱和水汽压公式：  （公式2）     其中： 单位为 ， 单位是 ，若以 表示，需将公式中的29.32707用24.7219来代替。该公式的使用范围为173.15K≤T≤273.16K，当173.15K≤T≤223.15K时，不确定度为0.5%(k=2)；223.15K≤T≤273.15K时，不确定度为0.3%(k=2)。

    1.2.3 饱和水汽压计算简化公式目前比较常用的是Magnus公式。1.2.3.1 由温度计算饱和水汽压水面上的饱和水汽压公式为：  公式（3）式中： 单位为 ， 单位为℃。该公式的使用范围为-45℃≤t≤+60℃，不确定度≤0.6%(k=2)。冰面上的饱和水汽压公式为：  　 　　　　　　 公式（4）式中： 单位为 ， 单位为℃。该公式的使用范围为-65℃≤t≤+0.01℃，不确定度≤1.0%(k=2)。1.2.3.2 由饱和水汽压计算温度由饱和水汽压计算露点温度： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公式（5）式中： 单位为 ， 单位为℃。该公式的使用范围为-45℃≤ ≤+60℃，不确定度为≤0.04℃。由饱和水汽压计算霜点温度： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　公式（6）式中： 单位为 ， 单位为℃。该公式的使用范围为-65℃≤ ≤0.01℃，不确定度为0.08℃。         

    1.2.4 饱和水汽压－温度曲线饱和水汽压zui重要的影响因素是温度。根据计算公式（1）（2），绘制出-100℃～100℃之间的饱和水汽压-温度曲线，如图1-1。  图1-1　-100℃～100℃饱和水汽压－温度曲线在某一段温度之内，如20℃～25℃，饱和水汽压－温度曲线见图1-2。 图1-2　20℃～25℃饱和水汽压-温度曲线由此可见，在一段很小的温度范围内，饱和水汽压与温度几乎呈线性关系。1.2.5 增强因子定义及计算公式上述饱和水汽压公式均是针对纯水－水蒸气或纯冰－水蒸气体系而言，而对于混合气体如空气体系，则需要考虑增强因子f，那么水的饱和蒸气压可由公式（7）计算得出。    公式（7）其中， ：纯水的饱和蒸气压（可由Sonntag公式或Magnus公式计算得到） ：水蒸气的增强因子。空气的 值可通过公式（8）及（9）计算：压力为3kPa至110kPa时，     公式（8）该公式的不确定度U<0.08% (-50℃℃时)。压力为1atm至20atm时， 　　　　　　　　　　　　　　　　公式（9）其中， ， Ai和Bi的值见表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露点/霜点露点温度Td是指对气体等压制冷时，水蒸气冷凝从而形成露的温度。实际上也就是水蒸气与水达到平衡状态的温度。单位用℃或℉表示。同理，霜点温度Tf是指对气体等压制冷时，水蒸气冷凝从而形成霜的温度。实际上也就是水蒸气与冰达到平衡状态的温度。单位用℃或℉表示。当总压不变的情况下，水汽分压也不变，因此，一定水汽含量的湿空气在环境温度下的水汽分压等于该湿空气在露点温度下的饱和水汽压，即es(Td)＝e(Ta)。通常情况下，将露点温度与霜点温度通称为露点。也有的时候根据水的状态在0℃有一个分界点，把0℃以上称为露点，0℃以下称为霜点。 

     1.4 体积比体积比即体积分数，指湿空气中水蒸气的分体积与干气的分体积之比，即水汽的分压与干气分压之比。通常将该比值乘以106，单位为μL /L，用符号Vr表示。见公式（10）。旧称ppmv，但目前不属于法定计量单位。Vr= ×106（μL /L） 　　公式（10）式中e和P分别表示水汽分压和气体总压。当e<时，可简化为：Vr = ×106（μL /L） 公式（11）1.5 相对湿度压力为P，温度为T的湿空气的相对湿度是指水蒸气的实际压力与相同温度下水平面上的的饱和水蒸气压的比值，用百分比来表示。  公式（12）由此可见，对于理想气体，相对湿度可理解为一定含量的湿气在一定温度下的水汽分压与该温度下的饱和水汽压之比，根据上述的露点定义，也可以理解为该湿气在露点温度下的饱和水汽压与环境温度下的饱和水汽压之比。当然，对于实际气体，饱和水汽压值还要乘以增强因子。1.5.1 温度对相对湿度测量的影响表1-2给出了在不同温度、湿度条件下温度每变化1℃，相对湿度的变化量。表1-2　温度变化1℃对相对湿度的影响相对湿度 温   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 压力对相对湿度测量的影响 由Dalton定律，总压等于各组分分压之和。若相对湿度为40%RH，温度不变时，如果总压P增加到原来的两倍即2P，则水蒸气的分压PH2O也增加到2PH2O，而饱和水汽压不变（因为温度不变），那么两者的比值就增加到原来的2倍，相对湿度增加到80%RH。 

    1.6 干球温度与湿球温度压力为P，温度为T，湿空气热力学湿球温度Tw＊是指在该压力下，纯水－湿空气体系进行绝热蒸发，湿空气达到压力P下饱和湿气时的温度。在实际工作中常常使用的湿球温度Tw是指湿球温度计的温泡被一薄层水（或潮湿的覆盖物）覆盖时，由于湿球上的水分蒸发进入周围的空气，从而使温度计的示值降低，此时，温度计所指示的温度称为湿球温度，而干球温度计测量的就是环境温度。1.7 常用湿度单位的换算由于湿度单位的表示方法较多，之间的换算也较复杂，因此这里只介绍zui常用的三种单位之间的换算。

    1.7.1露/霜点与体积比在低湿测量中常常会遇到这两个量的换算问题。根据露点的定义有e=es(Td), 已知露点值，es(Td)可由公式（1）计算得到。体积比的定义见公式（10）和（11）。P为气体总压力或大气压。两者相除，即可算出体积比。反之，已知体积比，也可计算得到露点温度。常用的三个点的对应值分别为：-65.5℃对应5μL/L，-76.2℃对应1μL/L，-112.0℃对应0.001μL/L（旧称为ppmv）。计算实例见例1。例1　在一个大气压（101325Pa）下，环境温度为20℃，湿空气的露点为-20℃，计算此时的体积比。解答： 已知露点温度，可由公式（1）计算出该温度下的饱和水汽压：es(Td)=125.586 Pa          　

    再由体积比定义可知， 1.7.2露/霜点与相对湿度根据相对湿度的表达式，即公式（12），已知环境温度和相对湿度，利用公式（1）可计算得到干球温度下的饱和水汽压es, 根据公式（12）可计算得到e。对于同一体系，按照露点定义，e即为露点温度下的饱和水蒸气压力，即e=es(Td)，那么，利用公式（1）便可算出e相对应的温度，即露点温度Td。反之，已知露点温度和环境温度，可分别算出es(Td)和es(T)，相除即可得到相对湿度值。计算见例2。例2　一个大气压（101325 Pa）下，环境温度为20℃，相对湿度为40％，计算此时的露点温度。解答：已知环境温度为20℃，可由公式（1）计算得出此时的饱和水汽压：es(Td)=2339.245 Pa根据相对湿度的定义可计算出水汽分压e= es(Td)×40%=935.698Pa根据露点定义知道该压力等于露点温度下的饱和水汽压。由公式（1）或（5）或查饱和水汽压表，计算出露点温度。Td=6.01 ℃1.7.3干、湿球温度与相对湿度当已知干湿球温度时，常使用公式(13)来进行计算，得到气体中的水汽分压。                       　　　　　　（公式13）其中： -样气中的水汽分压，           -湿球温度下的饱和水汽压，           -大气压，        -干球温度，  -湿球温度。 -常数，当使用阿斯曼通风干湿表时为6.66×10-4℃-1，该常数受风速影响较大。计算见例3。例3　已知干湿球温度计的读数分别为：干球20.0℃，湿球15.0℃，计算此时的相对湿度值。 解答：由公式（1）计算出干球温度下的饱和水汽压：es＝2339.245 Pa再由公式（13）计算出湿球温度下的饱和水汽压：e＝1368.301 Pa 2. 仪器测量原理湿度测量仪器从原理上可分为冷镜式、*吸收电解式、Al2O3电容式、薄膜电容式、电阻式、干湿球、机械式。其中*吸收电解式微水仪、Al2O3电容式露点仪一般用于低湿范围的测量，而电阻式、干湿球、机械式湿度计只能用于相对湿度的测量，冷镜式、薄膜电容式（Vaisala公司的）湿度计则不仅能用于低湿的测量，还能用于中高湿，即相对湿度的测量。上述各种原理的仪器各有其优缺点。其中冷镜式露点仪是zui准确、zui可靠、zui基本的测量方法，被广泛地用于标准传递，但其缺点是价格比较昂贵，并需要有经验的人操作及保养。 

     2.1 如何正确选择湿度计

     2.1.1 测量要求首先要确定测量单位，是要测定相对湿度、露点还是体积比？尽管许多仪器可以显示许多单位，但从原理上来说，一种类型的仪器只能测量一种参数，其它参数是通过计算得出。第二要确定测量范围。不同类型的仪器适用于不同的测量范围。应尽量避免在极限的状态下使用仪器。要根据温度范围、流速、正压或负压来选择仪器。第三要确定对指标的要求。例如准确度、灵敏性、稳定性、响应时间、分辨率、线性和滞后等。zui后要考虑仪器的输出，比如是液晶显示还是电压或电流模拟信号输出

    2.1.2 仪器及安装形式首先要考虑是手持式还是安装在管路或墙壁上，是台式还是要考虑其它的装置？是电池供电还是电源供电？电缆线的长度及仪器大小是否满足现场要求？第二是取样方式。在进行相对湿度测量时取样对结果的影响很大。取样方式可以是浸入式的，也可以通过管路将气流引出，或通过泵将气样抽出。对于某些仪器还要考虑到气体流量。对于低温测量还需考虑到管路材料及密封问题。第三是气体种类。比如是否为腐蚀性气体，是否会对测量结果有影响。需要考虑的其它问题还有是否便于使用，是否用于危险区域等。

    2.1.3 费用及维护需要考虑价格、校准周期、耐用度、质量、可靠性、寿命、广泛性、可互换性、维护及保养零配件的更换、售后服务。