雙壓法濕度發生器的工作原理

雙壓法濕度發生器的工作原理

概述：本文重點討論了雙壓法濕度發生器的工作原理及奧地利益加義公司（E+E Elektronik）生產的HUMOR10 型濕度發生器的特性。

1. 濕度的基本特性

其中：e為水蒸氣的分壓力，Pdry為其它氣體組分的壓力（干氣的壓力）。

濕空氣組分示意圖。氣體的總壓力等于各組分的分壓力之和。
1.2 空氣中的水蒸氣壓
首先需要明確的是，空氣中的水分子不可能無限多的存在，空氣中可能容納的A大的水蒸
汽分壓力僅與溫度有關，溫度越高空氣中可容納的水汽越多。
在裝有少量水的密閉容器中，在任何一個溫度點（T）下，其液面上方的水分子的蒸發與
冷凝將會達到平衡，當平衡后氣體中的水蒸氣壓既為在溫度T時該氣體中可以容納的最大水蒸氣壓。

裝有少量水的密閉容器。在溫度T時液面上方將產生一個平衡后且僅與溫度有關的水蒸氣壓。
該水蒸氣壓既被定義為在溫度T時該液面上方的飽和水蒸氣壓，在此用ews表示.
所示，飽和水蒸氣壓ews與溫度T的關系近似為一條指數曲線。需要特別強調的是，雖然需要一些微小的修正，但在大部分情況下飽和水蒸氣壓可被認為與主體壓力的變化無關。

1.3 相對濕度
在前一節中已經描述了飽和水蒸氣壓ews的特性，即它是在某一溫度點下氣體中可以容納
的最大水蒸氣壓。但在通常情況下，氣體中實際的水蒸氣分壓力總是低于在該溫度點下的飽和水蒸氣壓。
相對濕度（RH）即為在某一溫度點下氣體中的水蒸氣分壓力與在該溫度點時的飽和水蒸氣
壓的比值。相對濕度以百分比表示。
即：RH=e/ews * 100 (%RH)

2. 雙壓法濕度發生器
2.1 濕空氣的膨脹
假定壓力為P1且含有水蒸氣分壓力為e的氣體被膨脹到壓力P2，在膨脹過程中氣體中所
有組分的壓力也將會按照相同的膨脹比率P2/P1來改變。 當然這也適用于氣體中的水蒸氣分壓力e。該過程可用下述公式來描述：
初始狀態：氣體壓力P1=Pdry+e
膨脹后：氣體壓力P2=P1*P2/P1=（Pdry+e）* P2/P1

同理，膨脹后的水蒸氣分壓力（e’）也將降低為e’=P2/P1*e

2.2 HUMOR10型雙壓法濕度發生器
HUMOR10型雙壓法濕度發生器由兩個氣室組成

壓力為P1的空氣或氮氣被引入氣室1（飽和室）。在這里由于有水的存在它將被加濕并產生一個在當時溫度條件下的飽和水蒸氣壓ews（詳見第1.2節所述）
然后再把氣室1（飽和室）被加濕并且達到飽和的氣體膨脹（減壓）至P2并引入氣室2（測
量室）。在這個膨脹過程中ews也將會按照與主體膨脹的相同比率變化。因此在氣室2（測量室），我們即可得到水蒸氣分壓力e。
e=ews*P/P1
由于HUMOR10所采用的導熱性極好的材料和結構，它可以保證測量室與飽和室的溫度相同。
而由于溫度相同，氣室1（飽和室）產生的飽和水蒸氣壓ews即為氣室2（測量室）的飽和水蒸氣壓。但由于氣體的膨脹，在測量室中我們可以得到的是水蒸氣分壓力e，因此從相對濕度的定義中我們可以得到測量室中的相對濕度。
RH=e/ews=ews*（P/P1）/ews=P/P1
從上式中可以看出，測量室中的相對濕度僅與測量室與飽和室中的壓力比有關。
從理論上說，系統中的飽和水蒸氣壓并不是完全與氣體壓力無關，因此在實際計算中需要
引入一個壓力相關系數來更準確地計算測量室中的相對濕度：
RH=（P*f(P1)）/(P1*f(P))
上式中的壓力相關系數f(P)和f(P1)均小于1.01。
在實際操作中發現HUMOR10型雙壓法濕度發生器的精度基本不受環境溫度的影響而僅取決
于壓力值P及P1的測量結果。當然，要保證雙壓法濕度發生器的精度的最重要的前提是你必須要保證測量室溫度與飽和室溫度及飽和室內的水溫的完全一致。
通過改變飽和室內的壓力P1即可連續改變測量室內的相對濕度。
通過測量測量室及飽和室的壓力即可由上述公式計算出實際得到的相對濕度并在顯示屏上
顯示出來。

3. HUMOR10的主要特性
3.1 精度
理論上講HUMOR10的精度主要取決于壓力測量的精度。如要改善其精度可以把HUMOR10產生的濕度值與一臺經過鑒定的鏡面露點儀進行比較。然后把得到的修正曲線存儲到HUMOR10的內置微處理器中即可。最終得到的精度取決于你所使用的標準源的精度。

HUMOR10與一臺校準后的鏡面露點儀的精度比較。
3.2 穩定性
圖7為在75%RH點上經過150小時后HUMOR10與一臺校準后的鏡面露點儀的比較。
經過反復實驗得出的結論可保證HUMOR10在一年內的漂移量不會超過0.5%RH。

3.3響應時間
就理論而言，HUMOR10對相對濕度變化的響應時間僅取決于飽和室的壓力變化的響應時間
實際上HUMOR10對濕度從75%RH到25%RH的變化響應時間在1分鐘以內。由于原理不同，你可看出露點儀響應時間要遠遠滯后于HUMOR10并且在前幾分鐘露點儀的讀數會有劇烈的震蕩。

3.4. 環境條件

如前所述，HUMOR10的精度基本上與環境溫度無關，唯一重要的一點就是濕度發生器內各氣室間溫度的一致性。圖9顯示了當HUMOR10產生的相對濕度為75%RH時，環境溫度從25℃變為40℃及從10℃變為25℃后其精度的變化。需要指出的是，溫度的改變（特別是改變后的前幾分鐘）會對作為標準的露點儀的精度產生很大的影響。