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。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來改變。 當(dāng)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(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
量室）。在這個(gè)膨脹過程中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(duì)濕度的定義中我們可以得到測量室中的相對(duì)濕度。
RH=e/ews=ews*（P/P1）/ews=P/P1
從上式中可以看出，測量室中的相對(duì)濕度僅與測量室與飽和室中的壓力比有關(guān)。
從理論上說，系統(tǒng)中的飽和水蒸氣壓并不是完全與氣體壓力無關(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)來更準(zhǔn)確地計(jì)算測量室中的相對(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。
通過改變飽和室內(nèi)的壓力P1即可連續(xù)改變測量室內(nèi)的相對(duì)濕度。
通過測量測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。

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(chǎn)生的濕度值與一臺(tái)經(jīng)過鑒定的鏡面露點(diǎn)儀進(jìn)行比較。然后把得到的修正曲線存儲(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分鐘以內(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。