环境湿度检测仪设计

1、环境湿度检测仪设计综述报告学生：伍祥勇学号：2003023049 专业：测控技术与仪器2003级2班一、环境湿度检测的科学意义工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。2003年非典疫情研究小组表明，在病毒暴发前9-10天，空气的最高温度、气温日较差和相

2、对湿度等气象要素与SARS病毒的传播有着密切关系。日最高温度相对较低、气温日较差较小、空气相对湿度较大的情况下，有利于SARS病毒扩散和传播；反之，不利于SARS病毒的扩散和传播。 火灾的发生发展与降水、风、温度、湿度等气象条件都有密切关系。湿度影响太阳辐射强度，进而对地面和地表燃料的温度有影响。湿度与人们的日常生活密切相关。据气象专家介绍，“空气湿度”是指空气中所含水汽的大小，湿度越大表示空气越潮湿，水汽距离饱和程度越近。通常我们用相对湿度来表示空气湿度的大小。在一定温度条件下，空气相对湿度越小，人体汗液蒸发越快，人的感觉越凉快。北京地区冬季和春季白天一般湿度为20左右，夜晚一般在70左右，

3、由于冬春季节湿度太小，人们往往有不舒服的感觉，有时还出现嘴唇干裂、鼻孔出血、喉头燥痒等现象。可是，到了盛夏季节，空气湿度达到80以上时，由于汗液蒸发缓慢，人们又会感觉酷暑难耐，有时还会中暑或引发肾病、结核病、关节炎等疾病。气温在28摄氏度、相对湿度达90时，人们就会有气温达到34摄氏度的感觉。气象专家表示，居室里比较舒适的气象条件是：室温达25时，相对湿度应控制在40至50为宜，室温达18时，相对湿度应控制在30至40。有加湿器的家庭应注意经常调节室内湿度，保持在一个平衡的状态。专家提醒市民，闷热潮湿天气会导致突发性眩晕、脑出血、脑梗死等脑血管疾病。特别是有高血压、心脏功能不全及冠心病的老人，

4、很可能会因闷热而中风。因此，老年人要减少活动，多休息；适当喝盐开水，多吃瓜果蔬菜，尤其是西瓜等防暑食品。夏季高温多湿，细菌、病毒等微生物大量滋生，食物容易腐败变质，人们在生活中特别注意不要食用，以免引起消化不良、急性胃肠炎、痢疾、腹泻等疾病的发生。此外，市民还要增加皮肤清洁次数，穿宽松、吸汗的衣物，少吃刺激性食物，不要饮酒，以免汗液增多而引起皮肤病。化工领域在聚乙烯生产制造过程中需检测乙烯原料气体的湿度,水会使铂催化剂中毒,只有控制气体CO2的适当湿度,才能保证生产的顺利进行;氯化物如漂白粉的生产过程中需严格控制载气的湿度值,否则其会与水生成废酸;压缩气体的生产过程中,需对气体进行预干燥处理,

5、以防压缩过程中过饱和水汽的凝聚;液化气体前应对气体进行充分的干燥,以防水汽冷凝引起阀门和部件的堵塞;液体SO2 的生产和储存过程中,如若不对水分进行充分地干燥,SO2 与水作用可生成带有强腐蚀性的亚硫酸和硫酸;天然气和液化石油气的输送和储存中,气体中含水量过高时,在低于0 时冻结,高于0 时形成凝固水合物;在尼龙和聚酯的聚合过程及其纤维的纺织过程中,湿度控制不好,会降低生产效率和影响产品质量。化工原理中专门有干燥气体的论述,详细分析干燥过程特征、干燥方法及其应用,以干燥静力学为理论基础,分析湿空气的状态参数、物料的含水状态、自由水分与平衡水分、结合水分与非结合水分等,并讨论恒定干燥条件下的干燥

6、速度、干燥曲线与干燥速率曲线、临界含水量、恒定干燥条件下干燥时间的计算。电子和通讯领域在电子和通讯领域，如若不严格控制所处环境湿度,由于无线电传播受大气湿度影响,水分的存在会使微波导航产生偏差,使雷达和微波设备的操作失常;在电话、电视、电缆等的维护中,充气电缆的气体湿度影响设备运转,必须保持其中气体的干燥,以防水汽渗入造成短路;在半导体、晶体管制造过程中,水分的存在影响半导体材料的特性,必须严格控制N2 、He 、Ar 等保护气体的湿度。冶金行业在冶金行业,钛、不锈钢和其它合金的焊接、热处理、渗碳、氮化等过程中,测控保护区体Ar 和He 的含湿量以防金属氧化;钢铁等的存放空间需测控环境湿度以防

7、高湿引起锈蚀。国防军工领域国防军工领域中,在弹药、火箭、导弹生产和应用中,测量压缩空气的湿度以保证弹道计算的准确;检测固体燃烧室湿度,防止腐蚀和保证燃料质量;液体火箭推进剂的生产、运输、使用和储存中,控制含水量可防止管道系统冰堵和腐蚀;在超音速风洞实验中,准确测量湿度,可预防由于压力变化发生水汽冷凝。电力行业在电力送变电过程中,需要经常对各大功率开关中起保护作用的SF6气体湿度进行检测。当SF6 气体的含水量过高时,会危及电气设备的安全运行, 主要表现在SF6 气体在电弧下的分解物遇水会发生化学反应生成具有强腐蚀性的HF和H2 SO3 等,会腐蚀损坏绝缘件;在温度降低时可能形成凝露水,使绝缘件

8、表面绝缘强度显著降低甚至闪络。因此必须严格控制SF6 气体的含水量, 保证电气设备的安全运行。二、湿度检测中最常用量的定义如下:水蒸气(Water vapour)，亦称水汽，水的气态，由水气化或冰华而成。水分（Moisture）,液体或固体中水的含量。湿度（Humidity），气体中水蒸气的含量。干空气（Dry air），不含水蒸汽的空气。湿空气（Wet air）,干空气和水蒸气组成的混合物。质量混合比r（Mixing ratio），湿空气中水蒸气的质量与干空气质量之比。kg.kg-1比湿q（Specific humidity），湿气中水蒸气的质量与湿气中质量之比。kg.kg-1水蒸气压（Wa

9、ter vapour pressure），湿气（体积为V，湿度为T）中的水蒸气于相同V、T条件下单独存在时的压力。亦称为水蒸气分压。饱和水气压（Saturation water vapour pressure），水蒸气与水（或冰）面共处于相对平衡时的水蒸气压。湿气的摩尔分数（Molar fraction of Wet-gass），湿气中水蒸气的摩尔与湿气的总摩尔数之比。露点温度Td（Dew-point temperature），在等气压的条件下将气体冷却，当气体中的水蒸气冷凝成水并达到相对平衡状态时，此时的气体温度即为气体的露点温度。 注：温度高的气体其所含水蒸气也较多,将此气冷却后,水蒸气的

10、量即使不发生变化,相对湿度增加,当达到一定温度时，相对湿度RH达到100%饱和,此时,继续进行冷却的话,其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点温度（Dew Point Temperature）。露点在0以下结冰时即为霜点（Frost Point）。说明：A、人们常常通过测定露点，来确定空气的绝对湿度和相对湿度，所以露点也是空气湿度的一种表示方式。例如，当测得了在某一气压下空气的温度是20,露点是12。那么，就可以从表中查得20时的饱和蒸汽压为17.54mmHg,12时的饱和蒸汽压为10.52mmHg。则此时，空气的绝对湿度p=10.52mmHg，空气的相对湿度B=(10.52/17.

11、54)×10060。 采用这种方法来确定空气的湿度，有着重大的实用价值。但这里很关键的一点，要学会露点的测定方法。 B、露点的测定，在农业上意义很大。由于空气的湿度下降到露点时，空气中的水蒸汽就凝结成露。如果露点在O以下，那么气温下降到露点时，水蒸汽就会直接凝结成霜。知道了露点，可以预报是否发生霜冻，使农作物免受损害。 C、气温和露点的差值愈小，表示空气愈接近饱和。气温和露点接近，也就是此时的相对湿度百分值大，人们感觉气候潮湿；气温和露点差值大，即此时的相对湿度百分比值小，人们感觉气候干燥。人体感到适中的相对湿度是60-70。 D、严格地说，露点时的饱和汽压和空气当时的水汽压强是不相

12、等的。由于未饱和汽的压强随温度的变化是遵循下列规律Pt=P0(1+t/273). 在日常的温差下，压强的变化很小，所以近似地当作不变来处理。如上例中在某一汽压下，空气气温是20，露点是12，那么从图中可见直线几乎和t轴平行。三、湿度的定义在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。湿度（Humidity）定义为气体中水蒸气的含量。气体通常指空气。空气湿度常用绝对湿度（Absolute humidity）、相对湿度（Relative humidity）、饱和差来表示。1、绝对湿度(Absolute humidity),单位体积湿空气中所含水蒸气的质量。kg.m-3 注：绝对湿度大，空气比较潮湿；

13、绝对湿度小，空气比较干燥。在一定温度下，空气中的水气含量有一个最大的限度，达到这个限度时的水气压，叫饱和水气压。饱和水气压随着空气温度的升高而迅速变大。2、相对湿度U(Relative humidity）,湿气中水蒸气的摩尔分数与相同温度（T）和压力（P）条件下饱和水蒸气的摩尔分数之百分比，或者湿气中水蒸气的分压值与相同温度下饱和水蒸气压的比值。%RH 注：相对湿度是个百分数，没有单位。相对湿度小，空气干燥；相对湿度大，空气潮湿。相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度，故又称饱和度。 由于在温度相同时，蒸汽的密度和蒸汽压强成正比，所以相对湿度通常就是实际水蒸气压强和同温度下饱和水蒸气压

14、强的百分比值。详细解释：压力为P，温度为T的湿空气的相对湿度是指给定的湿空气中，水汽的摩尔分数与同一温度T和压力P下纯水表面的饱和水汽的摩尔分数之比，用百分数表示。 相对湿度是两个压强值之比，气体中的水蒸气压（e）与其气体的饱和水蒸气压（s）的比用百分比表示：rh=e/es×100% 但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化,rh也将随之而变化。 冰会产生的蒸汽压强低于液态水。因此，当液态水以冰的形式出现时，冷凝会在相对湿度低于100的情况下产生。 相对湿度的大小表示空气接近饱和的程度。当f=100时，表示空气已经达到饱和；未饱和时，f<100；过饱和时f100。相对湿度的

15、大小不仅与大气中水汽含量有关，而且还随气温升高而降低。3、饱和差，指当时温度下的饱和水汽压与空气中实际水汽压之间的差值。饱和差越小，说明空气越潮湿，饱和差越大说明空气越干燥。四、环境湿度的检测方法常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、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。   双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。 

16、;  静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡68小时。   露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2甚至更高。但用现代光电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。  干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，

17、而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有57%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。  电子式湿度传感器法  电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 五、环境湿度的检测的方案选择现代湿度测量方案最主要的有两种：

18、干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。下面对这两种方案进行比较，以便客户选择适合自己的湿度测量方法。干湿球湿度计的特点：早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5一7RH。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不

19、会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。电子式湿度传感器的特点：而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿

20、球湿度传感器。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。六、湿度传感器选择的注意事项选择测量范围和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100RH)测量。、选择测量精度测量精度是湿度传感器最重要的指标，每提高个百分点，对湿度传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。如在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1。将产生0.5RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5RH的精度就足够了。对于要