测量湿度的方法及其应用

空气的相对湿度同温度一样，也是空气调节工程中经常要测量的重要参数之一。测量空气相对湿度的仪表常用的有以下几种。

（一）普通干湿球温度计

如图9－4所示，普通干湿球温度计是由两支完全相同的水银（或酒精）温度计组成，其中一支水银球表面保持干燥，用以测量空气的温度，称为干球温度计，读出的温度称干球温度，即空气的实际温度，用tg表示；另一支水银球上包有纱布，并将纱布的下端浸入盛有蒸馏水的容器中，使水银球表面的纱布经常保持湿润状态，称湿球温度计，读出的温度称湿球温度，用ts表示。使用时，在稳定情况下，同时读出两支温度计的读数，根据这两个温度值就可确定空气的水蒸气分压力，从而确定空气的相对湿度。

图9－4　普通干湿球温度计

为弄清楚为什么可以用干、湿球温度两个值来测量空气的相对湿度，应对湿球温度的物理意义有所了解，而关于湿球温度的物理意义在第二章　中已经进行了详细的叙述。湿球温度实际上反映了湿纱布中水的温度，同时也反映了湿球周围一薄层饱和空气层的温度。

当空气状态一定时，干、湿球温度的差值也是一定的。当被测空气的相对湿度较低时，在单位时间内湿球表面水分蒸发量较多，所需的汽化热也较多，故湿球温度较低，干、湿球温差大。反之，当被测空气的相对湿度较高时，则干、湿球温差小。如果被测空气是饱和空气，那么湿球表面水分就不会蒸发，则干、湿球温度相等。由此可见，干、湿球温度的差值反映了空气相对湿度的大小，也就是说，根据干、湿球温度可以确定空气的相对湿度。

用干、湿球温度来计算空气的相对湿度，关键是空气对湿球的传热量Q1与湿纱布上水分蒸发的耗热量Q2之间应保持平衡。

式中：α——湿球表面对流换热系数，W/（m2·℃）；

F——湿球表面积，m2；

C——蒸发系数，kg/（m2·s·Pa）；

γ——温度为ts时，水的汽化潜热，J/kg；

Psb——湿球温度下的饱和水蒸气分压力，Pa；

Pq——周围空气的水蒸气分压力，Pa；

B——当地实际大气压力，Pa。

令Q1=Q2，可得出相对湿度φ的求解公式，即：

式中：Pgb——干球温度下空气的饱和水蒸气分压力，Pa；

A——干湿球温度计系数。

由于干湿球温度计系数A中的C和γ均与流过湿球的空气流速v（m/s）有关，因此干湿球温度计系数A为湿球温度计水银球附近空气流速v的函数。由实验求得的A与空气流速v的关系式为：

图9－5　A与v的关系

由以上讨论可看出，空气的相对湿度是干球温度、湿球温度、风速及当地大气压力的函数。

干湿球温度计系数A与v之间的关系如图9－5所示。从该曲线可以看出，空气流速较小时，A值变化较大；空气流速较大时，A值较小。空气流速越大，A值越稳定，这样测量和计算出来的相对湿度φ值就越准确可靠。实验证明，当2.5≤v≤4时，空气流速对热湿交换过程的影响已不显著。因此，要准确地反映空气的相对湿度，应使湿球周围空气的流速保持在2.5m/s以上。

例9－1　通过干湿球温度计测得空气的干球温度为24℃，温球温度为18℃，当地大气压为101325Pa，流经湿球表面的空气流速为0.3m/s。试求空气的相对湿度。如果其他条件不变，只是空气的流速分别为0.2m/s、0.1m/s，问空气的相对湿度又是怎样的?

解：将v=0.3m/s代入式（9－2）得：

根据tg=24℃、ts=18℃，查附录表1可知Pgb=2977Pa；Psb=2059Pa。将各已知数据代入式（9－1）得：

图9－6　通风干湿球温度计

1，2—水银温度计　3—外护管　4—内护管　5—通风器　6—通风总管　7—护板　8—三通管

如果v=0.2m/s，则A=0.00098，φ=49％；如果v=0.1m/s，则A=0.001325，φ=42.1％。

本例计算结果表明流速越小，φ值的误差越大。为了提高测量的准确性，应采用通风干湿球温度计。

（二）通风干湿球温度计

如图9－6所示，通风干湿球温度计主要是由两支装在镀铬套筒内的水银温度计和一个装在仪表上部用弹簧发条或小电动机带动的小风机组成。小风机通过两支温度计中间的总管从下端两金属套筒吸入空气，使干湿球表面都保持一定的风速（一般大于2.5m/s）。由于两支温度计均装在镀铬套筒内，故水银球基本上不受周围物体辐射热的影响，因而它的精确度比普通干湿球温度计高，在精确测量相对湿度时使用。

工程上为了简化计算，通常根据测出的干球温度和湿球温度，利用温湿度换算表来查相对湿度，见附表2。

使用干湿球温度计时必须注意以下几点。(www.xing528.com)

（1）湿球表面要经常保持清洁、湿润状态。应使用柔软性好，吸水性强的脱脂纱布，容器内的水应该使用蒸馏水。

（2）利用温湿度换算表查相对湿度时，必须注意换算表的风速与流过湿球表面的空气速度相符。

（3）空气流过干湿球温度计的方向，必须是从干球到湿球（当空气从侧面流过时）。

（4）干湿球温度计应悬挂在和人的视线相平齐的位置（一般离地面1.5m左右）。

例9－2　某车间利用通风干湿球温度计测得空气的干球温度为25℃，湿球温度为20℃。如大气压力为标准大气压，试求空气的相对湿度。

解：（1）在B=101325Pa的i—d图（图9－7）上，由ts=20℃的等温线与φ=100％的饱和相对湿度线相交得状态点1。

（2）在沿点1的等焓线上与tg=25℃的等温线相交得状态点2，该点即为所测空气的状态点。

（3）由i—d图查得：φ2=65％。

（三）电阻湿度计

不少物质的导电性能与其含水量有关，而空气的相对湿度又是影响这些物质含水量的主要因素。因此，如果测出这些物质的导电能力，就可求出空气的相对湿度。

电阻湿度计由测头和指示仪表两部分组成，中间用导线连接。测头是仪器的感应部分，它有柱状和片状两种形式，如图9－8和图9－9所示。柱状测头是在圆筒形有机玻璃的支架上平行缠绕两条纯金丝，组成一对电极，再涂以氯化锂溶液。当溶剂挥发干燥后，即凝聚成一层氯化锂感湿薄膜。氯化锂是一种强吸湿剂。当空气的相对湿度变化时，氯化锂薄膜的含水量也发生变化，其导电性能随之改变。因此，通过测定两电极间的电阻值，即可得相应的空气相对湿度。片状测头是在基片上用真空溅射的方法制成一对梳状电极，再在电极上涂一层氯化锂溶液作感湿薄膜。当感湿元件与电源接通后，电流就从一个电极通过氯化锂薄膜流向另一个电极。通过测定两极间的电阻值即可得出相应的空气相对湿度值。如图9－10所示为电阻湿度计的线路图。

图9－7　例9－2的i－d图

图9－8　柱状测头结构

1—外壳　2—金丝电极
3—底座　4—插脚

图9－9　片状测头结构

1—电极　2—接线端子　3—基片

图9－10　电阻湿度计线路示意图

电阻湿度计是一种较新的测量湿度的仪器，具有反应快、灵敏度和精确度高的特点。因此，常被用作自动记录和自动控制的感应元件。其主要缺点是每个测头的湿度测量范围较小，测头之间的互换性较差，同时氯化锂测头存在老化问题，需定期更换，特别是在温湿度较高的环境中使用时更易损坏。

（四）露点法测量相对湿度

露点法测量相对湿度的基本原理是在已知空气干球温度tg的前提条件下，先测定空气的露点温度t1，然后确定对应于t1的饱和水蒸气分压力P1，显然P1即为被测空气的水蒸气分压力Pq，因此可用下式求出空气的相对湿度。

式中：P1——对应被测定气露点温度t1的饱和水蒸气分压力，Pa；

Pgb——对应被测空气干球温度tg的饱和水蒸气分压力，Pa。

露点温度是指被测湿空气冷却到水蒸气达到饱和状态并开始凝结出水分时的对应温度。露点温度的测定方法是，先把物体表面加以冷却，一直冷却到与该表面相邻近的空气层中水蒸气开始在表面上凝结成水分为止。开始凝结水分的瞬间，其邻近空气层的温度，即为被测空气的露点温度。所以保证露点法测量湿度精确度的关键，是如何精确地测定水蒸气开始凝结的瞬间空气温度。用于直接测量露点的仪表有经典的露点湿度计与光电式露点湿度计等。

图9－11　露点湿度计

1—干球温度计　2—露点温度计
3—镀镍铜盒　4—橡皮鼓气球

1.露点湿度计露点湿度计主要是由镀镍铜盒3、露点温度计2和橡皮鼓气球4等组成，如图9－11所示。测量时在铜盒中注入乙醚溶液，然后用橡皮鼓气球将空气打入铜盒中，并由另一管口排出，使乙醚得到较快速度的蒸发。乙醚蒸发时吸收了乙醚自身的热量使温度降低。当空气中水蒸气开始在镀镍铜盒外表面凝结时，插入盒中的露点温度计读数就是空气的露点温度。测出露点温度以后，再从湿空气性质表中查出露点温度下的水蒸气饱和分压力P1和对应于干球温度下的饱和水蒸气分压力Pgb，即可由式（9－3）算出空气的相对湿度。该湿度计主要的缺点是一般不易测准，容易造成较大的测量误差。

2.光电式露点湿度计光电式露点湿度计是使用光电原理直接测量气体露点湿度的一种电测法湿度计，其适用范围广，测量准确度高，尤其适宜于低温与低湿状态。

图9－12　光电式露点湿度计

1—露点温度指示器　2—反射光敏电阻　3—散射光敏电阻
4—光源　5—光电桥路　6—露点镜　7—铂电阻
8—半导体热电制冷器　9—放大镜　10—可调直流电源

光电式露点湿度计的测量原理与上述露点湿度计相同，其基本结构及系统框图如图9－12所示。由图可知，光电式露点湿度计的核心是一个可以自动调节温度的能反射光的金属露点镜以及光学系统。当被测的采样气体通过中间通道与露点镜相接触时，如果镜面温度高于气体的露点温度，镜面的反射性能好，来自白炽灯光源的斜射光束经露点镜反射后，大部分射向反射光敏电阻，只有很少部分为散射光敏电阻所接受，两者通过光电桥路进行比较，将其不平衡信号经过平衡差动放大器放大后，自动调节输入半导体热电制冷器的直流电流值。半导体热电制冷器的冷端与露点镜相连。当输入制冷器的电流值变化时，其制冷量随之变化，电流越大，制冷量越大，露点镜的温度也越低。当降至露点温度时，露点镜面开始结露，来自光源的光束射到凝露的镜面时，受凝露的散射作用使反射光束的强度减弱，而散射光的强度有所增加，经两组光敏电阻接受并通过光电桥路进行比较后，放大器与可调直流电源自动减小输入半导体热电制冷器的电流，以使露点镜的温度升高。当不结露时，又自动降低露点镜的温度，最后使露点镜的温度达到动态平衡，此时露点镜的温度即为被测气体的露点温度。然后，通过安装在露点镜内的铂电阻及露点温度指示器直接显示出被测气体的露点温度值。

光电式露点湿度计要有一个高度光洁的露点镜面，以及高精度的光学与热电制冷调节系统，这样可以保证露点镜面上的温度值在±0.05的误差范围内。光电式露点湿度计不但测量精度高，而且还可测高压、低温、低湿气体的相对湿度。但采样气体不得含有烟尘、油脂等污染物，否则会直接影响测量精度。