雙壓法濕度發(fā)生器的工作原理

概述：本文重點(diǎn)討論了雙壓法濕度發(fā)生器的工作原理及奧地利益加義公司（E+E Elektronik）生產(chǎn)的HUMOR10 型濕度發(fā)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(wú)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(guān)，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(gè)溫度點(diǎn)（T）下，其液面上方的水分子的蒸發(fā)與
冷凝將會(huì)達(dá)到平衡，當(dāng)平衡后氣體中的水蒸氣壓既為在溫度T時(shí)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(shí)液面上方將產(chǎn)生一個(gè)平衡后且僅與溫度有關(guān)的水蒸氣壓。
該水蒸氣壓既被定義為在溫度T時(shí)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(guān)系近似為一條指數(shù)曲線(xiàn)。需要特別強(qiáng)調(diào)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(rèn)為與主體壓力的變化無(wú)關(guān)。

1.3 相對(duì)濕度
在前一節(jié)中已經(jīng)描述了飽和水蒸氣壓ews的特性，即它是在某一溫度點(diǎn)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(shí)際的水蒸氣分壓力總是低于在該溫度點(diǎn)下的飽和水蒸氣壓。
相對(duì)濕度（RH）即為在某一溫度點(diǎn)下氣體中的水蒸氣分壓力與在該溫度點(diǎn)時(shí)的飽和水蒸氣
壓的比值。相對(duì)濕度以百分比表示。
即：RH=e/ews * 100 (%RH)

2. 雙壓法濕度發(fā)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(guò)程中氣體中所
有組分的壓力也將會(huì)按照相同的膨脹比率P2/P1來(lái)改變。 當(dāng)然這也適用于氣體中的水蒸氣分壓力e。該過(guò)程可用下述公式來(lái)描述：
初始狀態(tài)：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(fā)生器
HUMOR10型雙壓法濕度發(fā)生器由兩個(gè)氣室組成

壓力為P1的空氣或氮?dú)獗灰霘馐?（飽和室）。在這里由于有水的存在它將被加濕并產(chǎn)生一個(gè)在當(dāng)時(shí)溫度條件下的飽和水蒸氣壓ews（詳見(jiàn)第1.2節(jié)所述）
然后再把氣室1（飽和室）被加濕并且達(dá)到飽和的氣體膨脹（減壓）至P2并引入氣室2（測(cè)
量室）。在這個(gè)膨脹過(guò)程中ews也將會(huì)按照與主體膨脹的相同比率變化。因此在氣室2（測(cè)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(dǎo)熱性極好的材料和結(jié)構(gòu)，它可以保證測(cè)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(chǎn)生的飽和水蒸氣壓ews即為氣室2（測(cè)量室）的飽和水蒸氣壓。但由于氣體的膨脹，在測(cè)量室中我們可以得到的是水蒸氣分壓力e，因此從相對(duì)濕度的定義中我們可以得到測(cè)量室中的相對(duì)濕度。
RH=e/ews=ews*（P/P1）/ews=P/P1
從上式中可以看出，測(cè)量室中的相對(duì)濕度僅與測(cè)量室與飽和室中的壓力比有關(guān)。
從理論上說(shuō)，系統(tǒng)中的飽和水蒸氣壓并不是完全與氣體壓力無(wú)關(guān)，因此在實(shí)際計(jì)算中需要
引入一個(gè)壓力相關(guān)系數(shù)來(lái)更準(zhǔn)確地計(jì)算測(cè)量室中的相對(duì)濕度：
RH=（P*f(P1)）/(P1*f(P))
上式中的壓力相關(guān)系數(shù)f(P)和f(P1)均小于1.01。
在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)HUMOR10型雙壓法濕度發(fā)生器的精度基本不受環(huán)境溫度的影響而僅取決
于壓力值P及P1的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)然，要保證雙壓法濕度發(fā)生器的精度的最重要的前提是你必須要保證測(cè)量室溫度與飽和室溫度及飽和室內(nèi)的水溫的完全一致。
通過(guò)改變飽和室內(nèi)的壓力P1即可連續(xù)改變測(cè)量室內(nèi)的相對(duì)濕度。
通過(guò)測(cè)量測(cè)量室及飽和室的壓力即可由上述公式計(jì)算出實(shí)際得到的相對(duì)濕度并在顯示屏上
顯示出來(lái)。

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(cè)量的精度。如要改善其精度可以把HUMOR10產(chǎn)生的濕度值與一臺(tái)經(jīng)過(guò)鑒定的鏡面露點(diǎn)儀進(jìn)行比較。然后把得到的修正曲線(xiàn)存儲(chǔ)到HUMOR10的內(nèi)置微處理器中即可。最終得到的精度取決于你所使用的標(biāo)準(zhǔn)源的精度。

HUMOR10與一臺(tái)校準(zhǔn)后的鏡面露點(diǎn)儀的精度比較。
3.2 穩(wěn)定性
圖7為在75%RH點(diǎn)上經(jīng)過(guò)150小時(shí)后HUMOR10與一臺(tái)校準(zhǔn)后的鏡面露點(diǎn)儀的比較。
經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論可保證HUMOR10在一年內(nèi)的漂移量不會(huì)超過(guò)0.5%RH。

3.3響應(yīng)時(shí)間
就理論而言，HUMOR10對(duì)相對(duì)濕度變化的響應(yīng)時(shí)間僅取決于飽和室的壓力變化的響應(yīng)時(shí)間
實(shí)際上HUMOR10對(duì)濕度從75%RH到25%RH的變化響應(yīng)時(shí)間在1分鐘以?xún)?nèi)。由于原理不同，你可看出露點(diǎn)儀響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于HUMOR10并且在前幾分鐘露點(diǎn)儀的讀數(shù)會(huì)有劇烈的震蕩。

3.4. 環(huán)境條件

如前所述，HUMOR10的精度基本上與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)，唯一重要的一點(diǎn)就是濕度發(fā)生器內(nèi)各氣室間溫度的一致性。圖9顯示了當(dāng)HUMOR10產(chǎn)生的相對(duì)濕度為75%RH時(shí)，環(huán)境溫度從25℃變?yōu)?0℃及從10℃變?yōu)?5℃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(huì)對(duì)作為標(biāo)準(zhǔn)的露點(diǎn)儀的精度產(chǎn)生很大的影響。