建筑环境测试技术之湿度测量课件

建筑环境测试技术之湿度测量在纺织行业的应用：对纺织纤维性能的影响在相在相对湿度增大湿度增大时，由于，由于纤维吸湿后的分子吸湿后的分子间距离增大，故距离增大，故纤维的硬度和脆性随之降低，使的硬度和脆性随之降低，使纤维的柔的柔软性大性大为改善。改善。机械表面与机械表面与纤维间的摩擦或的摩擦或纤维间的相互摩擦，不可避免的会引起的相互摩擦，不可避免的会引起纤维带电，当，当纤维与机体与机体带有有不同不同电荷荷时，会妨碍，会妨碍纤维的拉伸、梳理、交的拉伸、梳理、交织、卷、卷绕过程的程的顺利利进行。提高空气的相行。提高空气的相对湿度，可湿度，可以使以使纤维的比的比电阻降低，以增加阻降低，以增加电荷散逸的速度，从而消除静荷散逸的速度，从而消除静电。在空气调节的应用：提高人体舒适感 环境湿度境湿度过低低时，体表汗液蒸，体表汗液蒸发量增加，皮肤会感量增加，皮肤会感觉过于干燥。而湿度于干燥。而湿度过大大时，体表出的，体表出的汗不能及汗不能及时、充分地蒸、充分地蒸发掉，掉，积于皮肤表面，使人体不舒适感于皮肤表面，使人体不舒适感觉加大。因此，加大。因此，为了提高人体了提高人体热舒适性，舒适性，应正确控制室内相正确控制室内相对湿度湿度值。在卷烟业的应用：对烟丝质量的影响 在制烟在制烟过程中，烟程中，烟丝的破的破损率及率及质量与量与储存存时的空气湿度有着重要的关系。的空气湿度有着重要的关系。储存存时空气空气过于干燥，于干燥，则烟烟丝易破碎成烟沫，气味也易破碎成烟沫，气味也挥发出去，烟出去，烟丝质量随之降低。通常，量随之降低。通常，储丝库的温度的温度需要需要维持在持在1825之之间，相，相对湿度要保持在湿度要保持在70%RH以上以上，在此，在此环境条件下，烟境条件下，烟丝才不易才不易破碎，破碎，飘尘现象也象也较轻，烟味也，烟味也较纯正。正。在通信行业的应用：确保设备可靠性 为避免因空气干燥引起静避免因空气干燥引起静电，烧坏坏电路板，造成路板，造成线路路瘫痪，从而引，从而引发事故，同事故，同时保持保持设备的最佳运的最佳运转状状态，延，延长设备的使用寿命，通信行的使用寿命，通信行业动力机房力机房环境境对湿度和温度有着湿度和温度有着严格的要格的要求求 。在航天科技中的应用：将乘员舱大气湿度控制于乘员的舒适水平 在乘在乘员舱大气中，航天大气中，航天员呼吸、蒸呼吸、蒸发和洗和洗涤都会造成水蒸气增加，甚至达到都会造成水蒸气增加，甚至达到饱和状和状态。在失重。在失重情况下，水蒸气可以在任何冷表面凝情况下，水蒸气可以在任何冷表面凝结成水珠，且随机存在于任何部位或成水珠，且随机存在于任何部位或飘浮在大气之中。早期浮在大气之中。早期的的载人人飞船，随船，随处存在的冷凝水成存在的冷凝水成为令人十分令人十分头疼的疼的问题，“双子星座双子星座”飞船曾采用船曾采用铺设吸水材吸水材料的料的办法法简单处理。理。现代代载人航天器使用一种人航天器使用一种带有孔板有孔板输出机构的冷凝出机构的冷凝热交交换器，以器，以5%5%通通风气流气流把冷凝水引出排水把冷凝水引出排水细孔，再孔，再经动态水水/气分离器把水和气体分开。新式的湿度控制装置除湿效果好，气分离器把水和气体分开。新式的湿度控制装置除湿效果好，寿命寿命长，循，循环空气阻力小。空气阻力小。在其他场合的应用 受湿度影响受湿度影响较大的大的场合，合，还有如有如计算机房、印刷算机房、印刷车间、洁净室、手室、手术室、室、实验室、气室、气调库、半半导体生体生产车间、博物、博物馆、档案、档案馆等。等。基础知识回顾 大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，我大气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，我们称其称其为湿空气。干空气的成分主要湿空气。干空气的成分主要是氮（是氮（78）、氧（）、氧（21）、）、氩（0.93）、二氧化碳（）、二氧化碳（0.03）及其它微量气体。）及其它微量气体。在湿空气中水蒸汽的含量在湿空气中水蒸汽的含量虽少，但其少，但其变化却会化却会对空气空气环境的干燥和潮湿程度境的干燥和潮湿程度产生重要的影生重要的影响，且使湿空气的物理性响，且使湿空气的物理性质随之随之发生改生改变。常温常常温常压下干空气可下干空气可视为理想气体，而湿空气中的水蒸汽一般理想气体，而湿空气中的水蒸汽一般处于于过热状状态，且含量很，且含量很少，也可近似看作理想气体。少，也可近似看作理想气体。PgV=mgRgT 或或 Pgvg=RgTPnV=mnRnT 或或 Pnvn=RnT 干空气用下干空气用下标g表示，水蒸汽用下表示，水蒸汽用下标n表示。表示。根据道根据道尔顿定律，湿空气的定律，湿空气的压力力应等于干空气的等于干空气的压力与水蒸汽的力与水蒸汽的压力之和。力之和。B=Pg+Pn 海平面的海平面的标准大气准大气压为101 325Pa。湿度湿度测量概述量概述 一、空气湿度的表示方法一、空气湿度的表示方法 湿度是表示空气中水蒸汽含量多少的尺度。常用来表示空气湿度的方法有：湿度是表示空气中水蒸汽含量多少的尺度。常用来表示空气湿度的方法有：绝对湿度、湿度、相相对湿度和含湿量。湿度和含湿量。1.绝对湿度湿度 绝对湿度定湿度定义为每立方米湿空气，在每立方米湿空气，在标准状准状态下所含水蒸汽的重量，即湿空气中的水下所含水蒸汽的重量，即湿空气中的水蒸汽密度（蒸汽密度（单位是克位是克/米米3）。）。2.相相对湿度湿度 相相对湿度就是空气中水蒸汽分湿度就是空气中水蒸汽分压力力Pn与同温度下与同温度下饱和水蒸汽分和水蒸汽分压力力Pb之比之比值。空气的相空气的相对湿度是干球温度、湿球湿度是干球温度、湿球温度、温度、风速和大气速和大气压力的函数。力的函数。u绝对湿湿度度只只能能说明明湿湿空空气气中中实际所所含含水水蒸蒸汽汽的的质量量，而而不不能能说明明湿湿空空气气干干燥燥或或潮潮湿湿的的程程度及吸湿能力的大小。度及吸湿能力的大小。u相相对湿湿度度表表征征湿湿空空气气中中水水蒸蒸气气接接近近饱和和含含量量的的程程度度。值小小，说明明湿湿空空气气饱和和程程度度小小，吸收水蒸气的能力吸收水蒸气的能力强；值大大则说明湿空气明湿空气饱和程度大，吸收水蒸气的能力弱。和程度大，吸收水蒸气的能力弱。3.含湿量含湿量 含湿量就是湿空气中，每千克干空气所含有的水蒸汽的含湿量就是湿空气中，每千克干空气所含有的水蒸汽的质量。量。本章主要授本章主要授课内容内容湿度的表示方法湿度的表示方法 湿度的湿度的测量方法量方法u 干湿球法干湿球法简单干湿球湿度干湿球湿度计，通通风干湿球湿度干湿球湿度计（阿斯曼）（阿斯曼）u 露点法露点法 光光电式露点湿度式露点湿度计u 吸湿法吸湿法氯化化锂电阻式阻式高分子高分子电阻式，阻式，高分子高分子电容式容式金属氧化物陶瓷金属氧化物陶瓷电阻式，金属氧化物膜阻式，金属氧化物膜电阻式阻式4.1 4.1 干湿球与露点法湿度干湿球与露点法湿度检测 干湿球湿度干湿球湿度计的基本原理的基本原理为：当大气：当大气压力力B和和风速速v不不变时，利用被，利用被测空气相空气相应于湿球于湿球温度下温度下饱和水蒸气和水蒸气压力和干球温度下的水蒸气分力和干球温度下的水蒸气分压力之差，与干湿球温度之差之力之差，与干湿球温度之差之间存在的存在的数量关系确定空气湿度。数量关系确定空气湿度。其数量关系的数学表达式其数量关系的数学表达式为：Pb,sPn=A(ws)B 式中，式中，Pb,s 湿球温度下湿球温度下饱和水蒸气和水蒸气压力；力；Pn 空气中水蒸气分空气中水蒸气分压力；力；w、s 分分别为空气的干、湿球温度；空气的干、湿球温度；A 与与风速有关的系数；速有关的系数；B 大气大气压力。力。将上式代入前式，可得相将上式代入前式，可得相对湿度湿度计算公式算公式为：根据根据w、s分分别对应有确定的有确定的Pb、Pb,s值，所以根据干、湿球温度，所以根据干、湿球温度计的的读数差，即可由上数差，即可由上式确定被式确定被测空气的相空气的相对湿度。湿度。4.1.1 4.1.1 普通干湿球温度普通干湿球温度计 它它由由两两支支相相同同的的液液体体膨膨胀式式温温度度计组成成，一一支支为干干球球温温度度计，另另一一支支为湿湿球球温温度度计。干湿球温度干湿球温度计就是利用干湿球温度差及干球温度来就是利用干湿球温度差及干球温度来测量空气相量空气相对湿度的。湿度的。在在测得得干干湿湿球球温温度度后后，可可利利用用公公式式计算算，也也可可以以利利用用有有关关图表表，查出出相相应的的相相对湿湿度度值。测得干球温度和湿球温度可得干球温度和湿球温度可计算相算相对湿度。湿度。适用范适用范围：大于：大于0，测量量误差差12%。用纱布包裹的温度计 纱布放入蒸馏水中 纱布表面的水分蒸发使温 度下降 下降的温度与环境温度、风速及环境湿度有关 汽液界面汽液界面处在在热质充分交充分交换的情况下的温度的情况下的温度为湿球温度湿球温度干干球球温温度度计湿湿球球温温度度计刻度刻度盘纱布布水槽水槽简单干湿球温度计缺点 无屏蔽辐射影响温度测量 无风速控制无法保证换热充分 蒸馏水易被污染 注意：注意：湿球温度计安装时，要求温度计的球部离开水杯上沿至少23cm，应使湿球温度计周围空气流速保持在2.5m/s以上，使A为常数。TwTs通通风干湿球温度干湿球温度计（阿斯曼）（阿斯曼）构造构造 温度温度计置于金属套管内置于金属套管内微型微型风机，机，特点特点 湿球附近湿球附近风速固定在速固定在2.5m/s金属套管屏蔽金属套管屏蔽辐射射蒸蒸馏水随水随时滴入滴入低于低于80 精度精度25%rh TwTs阿斯曼使用注意事项1.干湿球法如何实现电测？2.干湿球法能否测量温度在0 以下的空气的湿度？3.右图测量湿球温度行吗？为什么？4.用酒精代替蒸馏水，干湿球法测量的“湿球”温度比真实 温度高还是低？4.1.2 4.1.2 电动通通风干湿球湿度干湿球湿度计 为了了能能自自动显示示空空气气的的相相对湿湿度度和和远距距离离传送送湿湿度度信信号号，采采用用电动干干湿湿球球温温度度计。它它的的干干湿湿球球是是用用金金属属电阻阻（镍电阻阻）代代替替膨膨胀式式温温度度计，并并设置置一一个个微微型型轴流流风机机，以以便在便在热电阻周阻周围造成造成2.5m/s的的风速，提高速，提高测量精度。量精度。air inair out干球干球热电阻阻湿球湿球热电阻阻将湿信号将湿信号转换成成电信号，有利于信号，有利于远传。构造：构造：轴流流风机、机、镍电阻、湿球阻、湿球纱布、盛水杯、布、盛水杯、测量量桥路。路。通通过调节可可调电阻阻R的滑的滑动触触头，使，使检流流计为0，可得，可得UDE=UAB。根据根据这一关系一关系计算出算出RDE和相和相对湿度的关系，在可湿度的关系，在可调电阻上阻上进行分度，行分度，实现相相对湿度的湿度的测量。量。补充：毛发湿度计利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器。它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10时使用。4.2 4.2 露点湿度露点湿度计 基本原理：先基本原理：先测定露点温度定露点温度l，然后确定，然后确定对应于于l的的饱和水蒸气和水蒸气压力力Pl。显然，然，Pl即即为被被测空气的水蒸气分空气的水蒸气分压力力Pn。充充满乙乙醚溶溶液液主要缺点：主要缺点：当冷却表面上出当冷却表面上出现露珠的瞬露珠的瞬间，需立即需立即测定表面温度，但一般定表面温度，但一般不易不易测准，而容易造成准，而容易造成较大的大的测量量误差。差。4.2.1 露点湿度露点湿度计4.2.2 4.2.2 光光电式露点湿度式露点湿度计 光光电式露点湿度式露点湿度计是使用光是使用光电原理直接原理直接测量气体露点温度的一种量气体露点温度的一种电测法湿度法湿度计。其。其测量量准确度高，可靠性准确度高，可靠性强，使用范使用范围广，尤其适用广，尤其适用于低温状于低温状态。Chilled-mirror Dew-Point Hygrometer Condensation DP Hygrometer 测量步骤 形成露点 判断露点 测量露点 露点法测湿度精度高 温度范围广 -40100 湿度范围广 相相对湿度湿度12%高度光洁的露点镜；高精度的光学与热电制冷调节系统；采样气体需洁净。HNP-50型冷型冷镜式露点式露点仪技技术指指标露点温度露点温度测量范量范围：-65 20 最大致冷温差最大致冷温差：105 露点温度露点温度测试准确度准确度 DEW 0.3 PPM/V(换算精度算精度0.1%)RH(换算精度算精度 0.1%)显示灵敏度：示灵敏度：0.1 样气气压力：力：0.1 MPa/cm2样气流量气流量：0.4-1.0Lmin显示器：示器：16 x 2 液晶屏液晶屏额定工作定工作电压：220VAC 50Hz 外形尺寸外形尺寸（W）360 x（D）350 x（H）135mm重量：重量：8.6Kg吸湿法测湿度原理 在不同湿度的空气中，某些材料的某些物理性质将发生明 显变化。物理性质空气的湿度 材料 电解质的溶液（常使用氯化锂）电阻 某些高分子材料 电阻，介电常数 金属氧化物 电阻 毛发 长度 4.3 电子式湿度子式湿度传感器感器 某些盐类放在空气中，其含含湿湿量量与与空空气气的的相相对湿湿度度有有关关；而含含湿湿量量大大小小又又引引起起本本身身电阻阻的的变化化。因此可以通过这种传感器将空气相对湿度转换为其电阻值的测量。这种方法称为吸湿法湿度测量。氯氯化化化化锂锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而具有稳定的离子型无机盐类。其吸其吸湿量与空气相湿量与空气相对湿度成一定函数关系湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降低；反之，则使电阻增加。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。氯化化锂电阻湿度阻湿度计属于属于吸湿法吸湿法测量，量，根据根据氯化化锂的吸湿特性和的吸湿特性和氯化化锂吸湿后吸湿后电阻阻变化特性。化特性。一一传感器感器形式：形式：梳状、柱状。梳状、柱状。R感湿膜梳状梳状柱状柱状 氯化锂是典型的离子晶体。实践证明，其溶液中的离离子子导电能能力力与与浓度度成成正正比比。氯化锂湿敏元件的电阻值 湿度特性如上图(b)所示。由图可知，在5080相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。氯化锂传感器的测湿范湿范围与所涂与所涂氯化化锂浓度及其它成分度及其它成分有关。采用某一浓度制作的元件在其有效的感湿范围内，其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系。当湿度低于其有效的感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于无限大；而当高于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。注意注意：v为了避免了避免氯化化锂溶液溶液发生生电解，解，电极两端极两端应接交流接交流电。v量量程程窄窄，一一般般为15%20%，例例如如，0.05%的的浓度度对应感感湿湿范范围为80%-100%，0.2%的的浓度度对应的感湿范的感湿范围为60%-80%。v环境温度境温度对输出影响出影响较大，因此要大，因此要进行温度行温度补偿。v最高使用温度最高使用温度5555，当大于，当大于5555，氯化化锂溶液容易蒸溶液容易蒸发。表面不能沾水表面不能沾水 不能在RH大于95%的环境下使用吸湿快（吸湿快（10S），放湿慢（），放湿慢（50S）从从结晶到晶到饱合，合，电阻从阻从到到20K不能用于露点以下不能用于露点以下测量。量。若用作露点检测，湿敏元件必须3个月左右清洗1次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。滞后小，不受滞后小，不受测试环境境风速影响，速影响，检测精度高达精度高达5%扩大大氯化化锂湿度湿度计的的测量范量范围R1R2R3R4rrrrABRAB=f()7595%5575%3555%1535%新型新型氯化化锂湿度湿度传感器感器u优点：长期工作稳定性好，制作湿度测量仪时会有较高的精度，响应迅速。u缺点：有结露时易失效。u它特别适合空调系统使用。1.1.高分子高分子电容式湿度容式湿度传感器感器 根据电容公式可知，在电容两个极板的面积和间距不变的情况下，当介电常数发生变化时将引起电容值的变化。4.3.2 高分子湿度高分子湿度传感器感器感湿膜吸附或感湿膜吸附或释放水分子介放水分子介电常数常数发生生变化而使化而使电容容发生生变化化电容的容的变化与湿度基本呈化与湿度基本呈线性性有很小的温度系数有很小的温度系数特点特点：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应快，不受气流速度影响，快，不受气流速度影响，测量范量范围宽，抗，抗污染能染能力力强，稳定性好。定性好。高分子高分子电容式湿度容式湿度传感器感器 将具有感湿性能的高分子聚合物，例如乙酸将具有感湿性能的高分子聚合物，例如乙酸-丁酸丁酸纤维素或乙酸素或乙酸-丙酸丙酸纤维素等做成薄膜，它素等做成薄膜，它们具具有迅速吸湿和脱湿的能力。有迅速吸湿和脱湿的能力。将薄膜覆盖在叉指形金电极(下电极)上，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此结构就构成了一个平行扳电容器。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系，线性度约为1。(吸湿-湿度上升过程、脱湿曲线不重合)2.高分子高分子电阻式湿度阻式湿度传感器感器感湿膜感湿膜为固体固体电解解质 当相对湿度大时，膜中的可移动离子浓度增大，电阻减少，当相对湿度降低时，膜中的可运动离子浓度减少，电阻阻值增大。电阻的阻的变化与湿度非化与湿度非线性性有温度系数有温度系数它具有灵敏度高、线性度好、响应时间快、易小型化以及制作工艺简单、成本低、使用方便等优点。HPR-MQ-M52R（M52R）是一款）是一款环保型的高分子湿保型的高分子湿度度传感器。在空感器。在空调、加湿器、除湿机、加湿器、除湿机等民用家等民用家电产品中得到了广泛的品中得到了广泛的应用。用。4.3.3金属氧化物陶瓷湿度金属氧化物陶瓷湿度传感器感器陶瓷的微细孔吸附或释放水分子使电阻发生变化 陶瓷的微细孔吸附或释放水分子使电阻发生变化 主要有：主要有：MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器、NiO陶瓷湿度传感器。是当今湿度传感器的发展方向。电阻的变化与湿度非线性 有温度系数工作范围宽 稳定性好 寿命长 耐环境能力强 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度系陶瓷湿度传感器感器结构该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关,相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。陶瓷湿敏元件结构图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上Pt引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤器的方形塑料盒中用树脂固定就形成了ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小、成本低，也是一种常用的测湿传感器。4.3.4金属氧化物膜湿度金属氧化物膜湿度传感器感器v 原原理理：金属氧化物膜吸附或释放水分子使电阻发生变化v金属氧化物膜有速干效应，响应时间短v电阻的变化与湿度呈非线性v测湿范围及温度范围宽特特点点：传感感器器电阻阻的的对数数值与与湿湿度度成成线性性关关系系，测湿范湿范围、工作温度范、工作温度范围宽。4.4 湿度湿度计的校准的校准关关键：实现不同范不同范围内内维持恒定的相持恒定的相对湿度空湿度空间，可作基准的高精度可作基准的高精度标定定仪器，器，水的水的饱和蒸气和蒸气压是温度的函数，温度愈高，是温度的函数，温度愈高，饱和蒸气和蒸气压也愈高。也愈高。当当向向水水中中加加入入盐类，溶溶液液中中的的水水分分蒸蒸发受受到到限限制制，使使其其饱和和蒸蒸气气压降降低低，降降低低的的程程度度与与盐类的种的种类有关。有关。根据不同的根据不同的盐类对应的的饱和蒸气和蒸气压不同，即不同，即对应的相的相对湿度不同湿度不同实现湿度湿度传感器的感器的标定。定。湿度校正装置湿度校正装置装置装置设计达到理论上的湿度值有困难常用来形成相对稳定的湿度环境对比法比法标定过的湿度计与待测湿度计进行对比确定待测湿度计准确度饱和和盐溶液校正装置溶液校正装置温度范围温度范围湿度范围湿度范围精度精度响应时间响应时间(s)阿斯曼阿斯曼550595%25%很长很长氯化锂电阻式氯化锂电阻式5501595%25%10，50高分子电容式高分子电容式5501595%25%10金属陶瓷电阻式金属陶瓷电阻式060590%25%=3露点计露点计-401000100%1较短较短常常见测湿度的方法比湿度的方法比较SHT71温度、湿度复合温度、湿度复合传感器感器 选用用SENSIRION公司的公司的SHT71温度、湿度复合温度、湿度复合传感器，感器，该传感器是感器是该公司最新推出的数字化公司最新推出的数字化产品，品，直接直接输出数字信号，通出数字信号，通过一根数据一根数据线与微与微处理器理器相相连，因此可，因此可简化硬件化硬件电路路设计。谢谢观赏！2020/11/570