关于湿度测量技术的探讨

56《计量与测试技术》2007年第34卷第7期关于湿度测量技术的探讨D icussion on H u m i dit y M easure m ent封海兵(南京市计量监督检测院,江苏南京210037)摘 要:本文以湿度的测量原理和方法为出发点,对当前常用的湿度测量原理与方法进行阐述并进行分析比较,着重对目前常用的湿度测量方法)干湿球法和湿度传感器法进行对比,然后通过湿度测量的基本原理引出了影响湿度测量准确度的两个重要因素)温度和压力,并通过当前的国内湿度量传系统和湿度测量的基本原理对影响湿度测量准确度的因素进行分析,最后,以机械式温湿度计为例,分析了该标准装置的主要不确定度分量和应当考虑的影响因素。

关键词:相对湿度;露点;湿度标准;准确度;不确定度1 湿度的测量方法及原理早在约500年前,人们就根据羊毛吸湿发生重量变化的原理进行湿度测量,到了本世纪中叶,由于精密天平的使用大大提高了湿度测量的精度,重量法湿度计被许多国家作为湿度基准和仲裁手段,我国于1977年开始研究重量法湿度计,后经原国家计量局批准作为我国的湿度基准。

目前,国际上公认的有两大湿度标准,一个是英国物理工程材料的MPL ,另一个是美国的N I ST 。

湿度测量从原理上划分有二、三十种之多,常见的有动态法(双压法、双温法和分流法)、静态法(饱和盐法、硫酸法)、露点法、干湿球法和电子式传感器法等,其中以干湿球法和电子式传感器法较为常见。

下面介绍几种常见的湿度测量原理和方法。

(1)重量法湿度计重量法湿度计的基本原理是用装有干燥剂(通常为五氧化二磷)的吸收管定量吸收被测气体中的水蒸气并测定其质量,同时测量流过吸收管的干气体积和密度,从而计算出干气质量,重量法的测量值是混合比,可以通过公式换算成湿度单位,其定义式如下:C =m v (v Q )t,p式中:C )))混合比;v )))在温度为t ,压力P 为时流过吸收管的干气体积;Q )))在温度为t ,压力P 为时流过吸收管的干气密度。

(2)双温双压法双温双压法是基于热力学P 、V 、T 平衡的原理,双压湿度发生器可在较大的湿度范围内连续而稳定的产生任意湿度的恒湿空气,并具有较高的准确度,其原理是运用D alton 分压定律,气体在加压状态下被水蒸气饱和,然后减压膨胀,此时可根据定义得出在温度t 时的相对湿度计算公式:U =f (P s ,T s )f (P c ,T c )#e w (T s )e w (T c )#P cP s@100(%RH )式中:f (P s ,T s )和f (P c ,T c )分别是饱和器和试验腔条件下的增加系数。

双温湿度发生器类似于双压法,其原理是将某一温度、压力下被水饱和的湿气在恒压条件下使其温度升高到设定值,然后通过D alton 定律和气体状态方程计算出在较高温度下的气体相对湿度。

(3)露点法露点法是测量湿空气达到饱和时的温度,具有准确度高,测量范围宽的特点。

湿度可用露点温度T d 来表示,即:在给定的压力下,混合比为r 的湿空气被水饱和时的温度,在该温度下,水的饱和水蒸气压等于混合比r 的湿空气的水蒸气分压。

露点与相对湿度的关系可用图1来表示:图1在进行露点温度测量时,温度变化没有影响,但压力变化则影响较大,通常在低湿(10%RH 以下)测量时,建议采用露点法。

冷镜式露点仪是当前比较准确、可靠、方便的测量方法,被广泛地用于标准传递。

(4)干湿球法干湿球测湿法采用间接测量方法,通常有两支温度计组成,一支用于测量环境空气温度,另一支温度计用吸湿材料附于测温端,测量其湿球温度,再通过封海兵:关于湿度测量技术的探讨57环境温度及两者温度差计算出相对湿度值,从测量原理上来说,该方法没有考虑气压的影响,且受到温度计本身精度和相邻温度计示值误差的影响,容易产生较大的测量误差,一般测量不确定度在5%RH~7%RH的范围内,但因其使用条件不受限制,测量范围较宽而得到广泛应用。

(5)电子式传感器法电子式传感器法属90年代新兴的行业,近几年,湿度传感器技术得到了较快的发展,它以其结构简单,测量方便快捷等优点在市场中占有重要的地位,为湿度测控系统的发展奠定了有力的基础,也将湿度测量技术提高到了一个新的水平。

与传统的干湿球测湿法相比,其特点可归纳如下:①测量精度大大提高干湿球采用的是间接测量法,它的准确度不仅取决于温度计本身的精度,还受到纱布水套、水质和风速等因素的影响,一般来说,干湿球湿度计的测量准确度只能达到5%~7%,电子式湿度计则采用半导体技术,出厂前都要进行标定,其准确度可达2%~3%,甚至更高。

②长期稳定性较差,年飘移量大,使用寿命较短电子式湿度计发展时间较短,目前在技术上尚不成熟,在实际使用中,由于灰尘、有害气体等环境因素的影响,极易产生老化现象,从而造成示值漂移和精度下降。

③使用条件受到限制干湿球法对使用的环境条件没有太大的限制,比较适合高温和恶劣的环境场合使用,电子式湿度计属电子类仪器,一般来说都有使用环境温度的要求,如果超过了使用环境温度,不仅会使其测量精度下降,还易造成损坏。

2影响湿度测量准确度的重要因素在计量法中,湿度被定义为"物象状态的量"。

湿度的表示方法很多(如绝对湿度、相对湿度、露点温度、体积比等),多数属于导出单位。

我国的湿度计量基准是基于质量混合比的定义建立的。

它由重量湿度计和动态湿度发生器组成,用以复现和保存湿度的质量混合比单位。

测量范围:质量混合比r=(0119~ 15)g/kg,总不确定度:$(r)/r@100[0132%。

湿度计量标准器具包括湿度一级标准和湿度二级标准。

湿度一级标准包括精密露点仪、标准干湿表、双压湿度发生器、双温湿度发生器和渗透湿度发生器,其露点温度的不确定度$T d($T f)[(0110~0115)e,相对湿度的相对不确定度$U/U@100[110%。

湿度二级标准包括静态湿度发生器(盐的饱和溶液及其配套装置)、通风干湿表、精密露点湿度计、动态湿度发生器(包括双压、双温、分流湿度发生器)、渗透湿度发生器。

其露点温度的不确定度$T d($T f)[(012~ 013)e,相对湿度的不确定度$U@100[210%RH。

工作用湿度计量器具包括电阻式、电容式湿度计,相对湿度的不确定度$U@100[510%RH;毛发湿度计、干湿表,不确定度$U@100[(510%~710%)RH;露点湿度计,冷镜式$T d($T f)[2e、其它式$T d($T f) [3e;电解式水分仪,$(V r)/V r*@100[10%。

在日常生产生活中,我们常用相对湿度这个概念来表述空气中水蒸气的含量,根据相对湿度的定义,相对湿度是指湿空气中水蒸气分压与同一温度、压力下纯水表面的饱和水蒸气压之比,通常用百分数表示:u=ee s@100%由其定义可知,相对湿度不仅与空气中的水蒸气分压有关,还与测量时的压力和温度有关,其中,温度的影响可用图2表示。

图2由图2可见,饱和水蒸气压随温度变化而变化,另外,当环境温度低于样气的露点温度时,会产生凝结现象,从而改变样气中的水蒸气含量,造成测量结果错误,所以,在测量时,应保证环境温度必须高于露点温度。

同时,JJ F1076-2001《湿度传感器》校准规范中还规定,在10e和40e条件下,传感器两条响应曲线的最大差异$U,与温度间隔(30e)之比作为传感器的温度系数。

如图3所示:图3(下转第61页)高进:基于C8051F单片机的光纤流量测井装置61量信息,因此,将该信号整形后,形成规则的LVTTL电平脉冲信号,送入C8051F单片机,单片机利用片内定时器,在单位时间内对脉冲信号计数,结合定标数据,进而计算出流量信息。

C8051F单片机片内高频振荡器工作于24MH z左右,而涡轮转速远远低于这个速度,因而脉冲计数有非常高的精度。

另外,利用C8051F单片机的软件处理能力,还能方便的实现涡轮转向的判别。

由于光纤探头在井下工作,石油流动的方向不确定,所以要求探头在涡轮正向和反向转动的情况下都能工作且能分辨石油流动方向。

为此,在涡轮的旋转轴上安装作为反射面的圆盘,在圆盘上经过光纤探头的圆形轨道上开孔时,不按等间距开孔,而是各孔间的距离都不相同。

这样,在涡轮转动时,由光的反射作用形成的一个转动周期内光脉冲的脉冲间间隔不相同,并呈周期性变化,单片机根据脉冲间隔的特征,就可计算出涡轮转向。

如图7所示,中间圆形线为经过光纤探头端面的轨迹,在其上开有三个圆孔,三个圆孔的位置分别在圆形轨迹的0b、45b、180b位置。

设涡轮转动一圈的时间为T,则当涡轮逆时针转动时,光纤探头端面经过开孔1和开孔2之间的时间为T/8,光纤探头端面经过开孔2和开孔3之间的时间为3T/8,光纤探头端面经过开孔3和开孔1之间的时间为T/2,在一个转动周期,形成的光脉冲宽度逐渐增大。

当涡轮顺时针转动时,光纤探头端面经过开孔1和开孔3之间的时间为T/2,光纤探头端面经过开孔3和开孔2之间的时间为3T/8,光纤探头端面经过开孔2和开孔1之间的时间为T/8,在一个转动周期,形成的光脉冲宽度逐渐减小。

由于各开孔距离有级差分布,最大宽度脉冲与最小宽度脉冲出现的顺序相反,利用单片机对每个脉冲定时,获得脉宽信息,再加以分析、判断,就可以判别此时涡轮的转向,并同时计算得到转速信息。

图7反射面开孔示意图5结论光纤流量测井装置以光纤为检测和传输手段,以光信号传输技术实现了流量、流速和流向的测量。

设计的光纤探头在一根光纤上同时实现流量信息检测和流量信息传输,通过C8051F单片机进行信号处理、参数计算和工作状态控制,整个装置设计合理,性能可靠,并且具有较强的环境适应性,能够方便的推广到其他有相似使用条件的应用中去。

参考文献[1]黄章勇1光纤通信用光电子器件和组件1北京:邮电大学出版社,200111-3311[2]王加强1光纤通信工程1北京:邮电大学出版社,200311-3201[3]新华龙电子有限公司1C8051F单片机数据手册1沈阳200311 -1811作者简介:高进,男,工程师。

工作单位:安徽理工大学。

通讯地址: 232001安徽省淮南市101信箱。

收稿时间:2007-05-15(上接第57页)压力的影响可根据道尔顿分压定律进行分析,总压力等于组成的各分压之和,若总压增加,则水蒸气分压随之增加,从而影响露点温度。

以上分析可知,湿度测量不同于其他物理量,湿度本身并不是一个独立的测量参数,它受到很多因素的制约,且各影响量之间相关,这就是造成测量准确度不能得到有效提高的根本原因,湿度的测量方法很多,但每种测量方法都有其局限性,要想提高湿度测量的准确度,应针对不同的测量方法分析主要其影响量并加以有效控制。