濕度露點(diǎn)測量原理
1. 濕度基礎(chǔ)知識在許多物理、化學(xué)和生物學(xué)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(yè)領(lǐng)域內(nèi)，濕度測量是關(guān)乎商業(yè)成本、產(chǎn)品質(zhì)量、人身健康和安全的至關(guān)重要的因素之一。目前有很多不同的濕度表達(dá)方法，也有很多不同的濕度測量技術(shù)，因而很有必要了解規(guī)范的濕度術(shù)語和定義及成熟的濕度測量技術(shù)。
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(tài)形式，同其他各種氣體一樣，是透明的。在我們周圍的環(huán)境中大約有1%的氣體是水蒸氣。
1.2 飽和水汽壓、增強(qiáng)因子定義及計(jì)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(fā)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(fā)現(xiàn)象始終都是存在的。相反，冷凝也是一樣存在的。當(dāng)蒸發(fā)和冷凝的速度達(dá)到一致時(shí)，該體系就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)?？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(qiáng)。在某個(gè)溫度下，氣體中所能包含的水蒸氣的量達(dá)到zui多時(shí)，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(xué)平衡狀態(tài)時(shí)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zui大壓力。該壓力僅僅是溫度的函數(shù)。
1.2.2飽和水汽壓計(jì)算公式目前飽和水汽壓公式使用比較多的是Sonntag公式，其中包括純水和純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(dāng)273.15K≤T≤373.15K時(shí)，不確定度為0.005%(k=2)。純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(dāng)173.15K≤T≤223.15K時(shí)，不確定度為0.5%(k=2)；223.15K≤T≤273.15K時(shí)，不確定度為0.3%(k=2)。
1.2.3 飽和水汽壓計(jì)算簡化公式目前比較常用的是Magnus公式。1.2.3.1 由溫度計(jì)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(jì)算溫度由飽和水汽壓計(jì)算露點(diǎn)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(jì)算霜點(diǎn)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zui重要的影響因素是溫度。根據(jù)計(jì)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(nèi)，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(nèi)，飽和水汽壓與溫度幾乎呈線性關(guān)系。1.2.5 增強(qiáng)因子定義及計(jì)算公式上述飽和水汽壓公式均是針對純水－水蒸氣或純冰－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(qiáng)因子f，那么水的飽和蒸氣壓可由公式（7）計(jì)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(jì)算得到） ：水蒸氣的增強(qiáng)因子?？諝獾?nbsp;值可通過公式（8）及（9）計(jì)算：壓力為3kPa至110kPa時(shí)， 公式（8）該公式的不確定度U<0.08% (-50℃
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(diǎn)/霜點(diǎn)露點(diǎn)溫度Td是指對氣體等壓制冷時(shí)，水蒸氣冷凝從而形成露的溫度。實(shí)際上也就是水蒸氣與水達(dá)到平衡狀態(tài)的溫度。單位用℃或℉表示。同理，霜點(diǎn)溫度Tf是指對氣體等壓制冷時(shí)，水蒸氣冷凝從而形成霜的溫度。實(shí)際上也就是水蒸氣與冰達(dá)到平衡狀態(tài)的溫度。單位用℃或℉表示。當(dāng)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(huán)境溫度下的水汽分壓等于該濕空氣在露點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓，即es(Td)＝e(Ta)。通常情況下，將露點(diǎn)溫度與霜點(diǎn)溫度通稱為露點(diǎn)。也有的時(shí)候根據(jù)水的狀態(tài)在0℃有一個(gè)分界點(diǎn)，把0℃以上稱為露點(diǎn)，0℃以下稱為霜點(diǎn)。
1.4 體積比體積比即體積分?jǐn)?shù)，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(jì)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(dāng)e<
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(shí)，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?yàn)闇囟炔蛔儯?，那么兩者的比值就增加到原來?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(xué)濕球溫度Tw＊是指在該壓力下，純水－濕空氣體系進(jìn)行絕熱蒸發(fā)，濕空氣達(dá)到壓力P下飽和濕氣時(shí)的溫度。在實(shí)際工作中常常使用的濕球溫度Tw是指濕球溫度計(jì)的溫泡被一薄層水（或潮濕的覆蓋物）覆蓋時(shí)，由于濕球上的水分蒸發(fā)進(jìn)入周圍的空氣，從而使溫度計(jì)的示值降低，此時(shí)，溫度計(jì)所指示的溫度稱為濕球溫度，而干球溫度計(jì)測量的就是環(huán)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(fù)雜，因此這里只介紹zui常用的三種單位之間的換算。
1.7.1露/霜點(diǎn)與體積比在低濕測量中常常會遇到這兩個(gè)量的換算問題。根據(jù)露點(diǎn)的定義有e=es(Td), 已知露點(diǎn)值，es(Td)可由公式（1）計(jì)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(jì)算得到露點(diǎn)溫度。常用的三個(gè)點(diǎn)的對應(yīng)值分別為：-65.5℃對應(yīng)5μL/L，-76.2℃對應(yīng)1μL/L，-112.0℃對應(yīng)0.001μL/L（舊稱為ppmv）。計(jì)算實(shí)例見例1。例1 在一個(gè)大氣壓（101325Pa）下，環(huán)境溫度為20℃，濕空氣的露點(diǎn)為-20℃，計(jì)算此時(shí)的體積比。解答： 已知露點(diǎn)溫度，可由公式（1）計(jì)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(diǎn)與相對濕度根據(jù)相對濕度的表達(dá)式，即公式（12），已知環(huán)境溫度和相對濕度，利用公式（1）可計(jì)算得到干球溫度下的飽和水汽壓es, 根據(jù)公式（12）可計(jì)算得到e。對于同一體系，按照露點(diǎn)定義，e即為露點(diǎn)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(yīng)的溫度，即露點(diǎn)溫度Td。反之，已知露點(diǎn)溫度和環(huán)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(jì)算見例2。例2 一個(gè)大氣壓（101325 Pa）下，環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為40％，計(jì)算此時(shí)的露點(diǎn)溫度。解答：已知環(huán)境溫度為20℃，可由公式（1）計(jì)算得出此時(shí)的飽和水汽壓：es(Td)=2339.245 Pa根據(jù)相對濕度的定義可計(jì)算出水汽分壓e= es(Td)×40%=935.698Pa根據(jù)露點(diǎn)定義知道該壓力等于露點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓。由公式（1）或（5）或查飽和水汽壓表，計(jì)算出露點(diǎn)溫度。Td=6.01 ℃1.7.3干、濕球溫度與相對濕度當(dāng)已知干濕球溫度時(shí)，常使用公式(13)來進(jìn)行計(jì)算，得到氣體中的水汽分壓。 ?。ü?3）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(shù)，當(dāng)使用阿斯曼通風(fēng)干濕表時(shí)為6.66×10-4℃-1，該常數(shù)受風(fēng)速影響較大。計(jì)算見例3。例3 已知干濕球溫度計(jì)的讀數(shù)分別為：干球20.0℃，濕球15.0℃，計(jì)算此時(shí)的相對濕度值。 解答：由公式（1）計(jì)算出干球溫度下的飽和水汽壓：es＝2339.245 Pa再由公式（13）計(jì)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(jī)械式。其中*吸收電解式微水儀、Al2O3電容式露點(diǎn)儀一般用于低濕范圍的測量，而電阻式、干濕球、機(jī)械式濕度計(jì)只能用于相對濕度的測量，冷鏡式、薄膜電容式（Vaisala公司的）濕度計(jì)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(yōu)缺點(diǎn)。其中冷鏡式露點(diǎn)儀是zui準(zhǔn)確、zui可靠、zui基本的測量方法，被廣泛地用于標(biāo)準(zhǔn)傳遞，但其缺點(diǎn)是價(jià)格比較昂貴，并需要有經(jīng)驗(yàn)的人操作及保養(yǎng)。
2.1 如何正確選擇濕度計(jì)
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(diǎn)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(shù)，其它參數(shù)是通過計(jì)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(yīng)盡量避免在極限的狀態(tài)下使用儀器。要根據(jù)溫度范圍、流速、正壓或負(fù)壓來選擇儀器。第三要確定對指標(biāo)的要求。例如準(zhǔn)確度、靈敏性、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、線性和滯后等。zui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(xiàn)場要求？第二是取樣方式。在進(jìn)行相對濕度測量時(shí)取樣對結(jié)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(jié)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(xiǎn)區(qū)域等。
2.1.3 費(fèi)用及維護(hù)需要考慮價(jià)格、校準(zhǔn)周期、耐用度、質(zhì)量、可靠性、壽命、廣泛性、可互換性、維護(hù)及保養(yǎng)零配件的更換、售后服務(wù)。
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