湿度测量的基本原理

控制水蒸气测量的物理化学原理影响工业组件和系统。水蒸气存在于周围环境中，因此，将渗透到许多重要的工业、农业、制药和医疗材料和系统中。

为什么要测量水蒸气

例如，塑料颗粒在加工过程中的水分会导致挤压失效，而食品中不理想的水分水平会导致食品质量下降。储存期间药物中的水分会导致活性丧失，电子级工业气体中的湿度可能会导致半导体元件故障。在临床环境中，不正确的医用气体湿度水平可导致肺功能不正常。上述水的作用可以归结为以下行为:

• 水可以作为酸或碱
• 被材料吸收导致腐蚀的能力(见图1a和图1b)
• 从液体转变为固体时的膨胀，可以损坏阀门、泵、压缩机等机械部件，以及侵蚀混凝土和砖石结构，如图2所示。

基于上述原因，工业系统中水蒸气的测量和控制至关重要。感兴趣的浓度范围从百万分之一体积(ppmv)或更低到100,000 ppmv，取决于环境温度。

水蒸气行为

理解水蒸气在有实际意义的环境中的行为的关键是它是否符合道尔顿分压定律和理想气体定律。道尔顿定律指出，气体混合物的总压是不同气体组分分压的和。例如，空气是由20.9%的氧气，78%的氮气，大约1%的水蒸气和其他气体组成。因此，这些成分在其组成量上对总气压的贡献如下式1所示:

公式1:P_t=页₁+页₂+页_n

地点:

P_t系统的总压强，和pp₁页₂，和pp_n气体混合物的各个组分都达到了n次方吗^th组件。

理想气体定律指出，气体或其组成成分的压力等于每种成分的气体分子数(以摩尔表示)除以混合物的总体积。摩尔除以体积即浓度的表达式如下式2所示:

公式2:pp_我= (n_我/ V) RT_k

地点:

页_我气体混合物各组分的分压是多少

n_我每个气体组分的摩尔数是多少

V是系统的总体积

R是通用气体常数

T_k是开尔文温标上的温度。

从水蒸气测量计算

水蒸气压力的一个基本测量方法是露点，它是水蒸气与液相平衡时的温度。冰点是水蒸气与固态冰相达到平衡的温度。冷冻镜湿度计(CMH)通过反射光线直接测量露点和冰点，该光线检测在冷冻镜上形成的液体和固体相的存在，从而精确测量和控制表面温度。露水或霜冻层受到控制，因此它们的生长不随时间变化，系统处于真正的平衡状态。CMH被认为是基本标准，可以测量超过6个数量级的水蒸气压力，从小于1 ppmv到超过100,000 ppmv超过100万倍。图3是CMH的一个例子。将水汽压力与露点或冰点温度联系起来的马格努斯公式如下式3和式4所示:

公式3:e_w= (1.0007 + 3.46⁶P) (6.1121^{[17.502 Td/ 240.9 + Td]}

方程4:e_我= (1.0003 + 4.18⁶P) (6.1115) e^{[22.452 Tf/ 272.55 + Tf]}

地点:

e_w=水蒸气在水中的分压，单位为毫巴

e_我=水蒸气在冰上的分压，单位为毫巴

Td =露点温度，单位为C

Ti =冰点温度，单位为C

P =总压强，单位为毫巴。

这两个方程的第一项，大约是1，与增强因子有关，它校正了水蒸气在高总压和低环境温度下的异常行为，此时水蒸气偏离了理想气体定律。对于大多数应用，增强因子趋近于1，如上式所示。

一旦知道了水蒸气压力，就可以根据理想气体定律确定水蒸气浓度。水蒸气浓度以质量/升或摩尔/升表示。

示例问题1:

用冷冻镜湿度计测量气体样品的露点为12.0 c，样品中水蒸气的分压是多少?当系统温度为25℃时，绝对湿度是多少克/升?

由式3求分压，样品中的分压为10.6 Torr。

用公式2计算绝对湿度，绝对湿度为0.0103 g/L。

另一个重要的测量单位是相对湿度，通常以百分比来测量。相对湿度是衡量载体气体(如空气)在饱和和冷凝发生之前能包含多少水蒸气的指标。因此，相对湿度是衡量环境中物质和水蒸气之间相互作用的指标。相对湿度越大，相互作用越大。例如纺织品和农产品、药品和工程材料对水蒸气的吸收。相对湿度定义如式5:

公式5:%RH = (e_w/ e_年代) 100%

地点:

e_w=水蒸气在水中的分压，单位为毫巴

e_年代=工艺环境温度下的饱和水蒸气分压。

因此，相对湿度可以由测得的空气温度和露点来计算。

问题2:

如果样品的露点是19摄氏度，23摄氏度时空气样品的相对湿度是多少?

用公式3计算19℃和23℃时的水蒸气压分别为22.063毫巴和28.21毫巴。根据公式5，这等于78.2%的相对湿度。

湿度测量的下一个单位是混合比。混合比的定义是水蒸气的质量除以含有水蒸气的干燥空气的质量。因此单位是质量/质量，因此是无量纲的。

混合比定义为:

MR = 621.9907 e_w/(P - e_w）

在哪里

e_w=水蒸气分压

总压力

系数随载气的分子量而变化，如空气为621.9907，氢气为8936。

注意e_w可以从露点确定，露点可以直接用冷冻镜湿度计测量。混合比还需要测量总压力。

湿度的最终测量单位是ppmv或百万分之一重量(ppmw)。这些单位的定义如下。再次,e_w可以用冷冻镜湿度计测量。总压力P也必须测量。

PPMV = 106 e_w/(P - e_w）

PPMW = 106 0.62199 e_w/ (P - e_w）

示例问题3:

空气样品加湿后，在总压力为1013.25毫巴(1个大气压)的条件下，ppmv值为4500。露点和冰点是多少?

4500 = 10⁶e_w/(1013.25 - e_w）;Ew = 4.539毫巴。根据马格努斯公式，露点为-4.08℃，霜冻点为-3.61℃。注意，冰上的蒸汽压总是比液态水高。

通过引入干燥空气，上述空气样品的总压力增加到2026.50毫巴。音量保持不变。什么是新的ppmv?新的露点是多少?新的冰点是多少?

新的ppmv值为2245 ppmv。露点和冰点都保持不变，因为引入干燥空气后浓度不变。这是因为体积保持不变。

原始样品的干燥空气值为4,500 ppmv，通过体积变化进行压缩;体积减小了50%。新的ppmv值是多少?新的露点是多少?

新的数值保持在4500 ppmv，因为随着体积的变化，分子和分母都乘以2，因为体积和压力遵循波义耳定律的反比关系。然而，新的露点是5.5℃，因为水分子的浓度增加了2，这使水蒸气增加了2。

水蒸气测量技术

水蒸气可以用各种各样的技术测量。这些技术可以大致分为两类;一种是使用第一原则测量，另一种是使用第二原则测量。前者的例子是冷冻镜湿度测量和光谱学，后者分别使用有机和无机介质、聚合物和无机氧化物中的介电变化。图4是一个基于聚合物的变送器的示例，该变送器具有可替换的探测单元，用于压缩空气，可以测量露点、RH、压力和空气温度。第一原理设备往往不太容易漂移，而二级标准设备更容易漂移，需要更频繁的校准。要使传感器具有可追溯性，必须在传感器的使用寿命期间不间断地记录校准。

表1总结了工业中使用的一些湿度测量技术。

水蒸气的浓度可以从小于1 ppmv的水蒸气到大于100,000 ppmv的水蒸气变化多达100万倍。重要的是要了解控制水蒸气行为的物理化学原理，这是测量的关键单位，并理解湿度原理，因为它们影响工业组件和系统。

舒尔茨博士他是Edgetech Instruments Inc.的首席科学家。他在传感器技术和科学领域工作了35年，其中大部分是在湿度传感器和测量领域。由内容副经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 水蒸汽测量
• 不同的水蒸气技术
• 的原则湿度和工业环境的影响。

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