濕度測量及控制方法

郭洪艷 （天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院 天津300191）

濕度測量及控制方法

郭洪艷 （天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院 天津300191）

目前最常用的濕度測量方法和測量儀器，主要用于氣體濕度測量。為了滿足生產和科學技術發(fā)展的需要，各種類型商品化濕度計和濕敏元件近年來大量涌現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計不下30種。提出隨著科學技術進步，必須重視濕度測量與控制。

濕度 測量控制 水蒸汽

眾所周知，空氣是多種氣體的混合物，其主要成分是氧氣和氮氣，以及總數(shù)不到1%的稀有氣體和二氧化碳。此外，空氣中還有一種重要的、數(shù)量上經常變化的成分——水汽。以蒸汽狀態(tài)存在的水，按照熱力學的習慣，當氣體的溫度低于其臨界溫度時稱為蒸汽，對于水蒸汽又稱為蒸汽或水汽。

濕度測量學的研究對象就是氣體中以蒸汽形態(tài)存在的水。首先對各種濕度測量方法及其基本原理有了解，才能在實際工作中正確選擇和合理使用適當?shù)姆椒ㄌ峁┰瓌t性的指導。

最常用的濕度測量方法和測量儀器，主要用于氣體濕度測量。為了滿足生產和科學技術發(fā)展的需要，各種類型商品化濕度計和濕敏元件近年來大量涌現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計不下30種，其類型之所以如此繁多，是因為現(xiàn)有的任何一種儀器（或方法）都不具備普適性，換句話說也就是還沒有一種儀器（或方法）能滿足所有的測量需要。這在某種意義上反映了濕度測量的復雜性。有人認為濕度測量和溫度測量有相似之處。目前溫度測量按照低溫、中溫和高溫3個區(qū)域來劃分，測溫手段按不同的溫區(qū)、不同的對象、不同的精度要求進行選擇。從濕度測量的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看，這種觀點是有道理的。目前絕大部分濕度測量方法或測量儀器都有一定的適用范圍，大體上也可以按低濕、中濕和高濕來劃分。因而在實際工作中濕度測量手段同樣存在一個正確和合理選擇的問題。要從實際出發(fā)，根據(jù)測量對象和使用場合、量限、精度和經濟合理性等因素綜合進行考慮。大多數(shù)濕度計的使用都是比較簡單的，但是如何根據(jù)本身的工作需要進行正確和合理選擇卻往往不是一件容易的事。

空氣濕度與人類生存密切相關，氣象是濕度測量的重要領域。例如大氣中的水汽影響著降雨和雨量大小，決定對農作物有影響的霜凍的形成，影響暴風雨的發(fā)展，影響河流、湖泊、水庫、海洋中水甚至雪山和冰面的蒸發(fā)，以及人類和各種生物存在和生長的環(huán)境等等。因此濕度和氣壓、溫度、風速等一起構成了氣象的基本要素。

氣象中的濕度測量主要分兩個方面：一個是地面觀測中的空氣濕度；另一個是高空探測中的濕度測量。后者和天氣預報直接有關。氣象濕度測量的環(huán)境溫度范圍較寬，大約從+50℃到-60℃，相對濕度從百分之幾到100%，由于測量環(huán)境異常復雜，成為天氣觀測中的一個難點。

濕度測量要求濕度傳感器無明顯的滯后，要具有快速響應特性。現(xiàn)在多使用吸濕材料制成的基于尺寸變化的濕度傳感器。隨著科學技術的發(fā)展，濕度測量的應用領域不斷地擴大，要求也愈來愈高。在量限方面低濕氣體測量達10-3mg/mL量級，高濕至104mg/mL量級的飽和濕氣。與此同時，對測量精確度的要求也相應地提高。在應用方面，濕度的測量和控制與工業(yè)、農業(yè)、國防和科學研究等部門關系密切。

空氣濕度控制的目的是調節(jié)特定空間中空氣的含水量，使其接近規(guī)定的濕度。控制的空間可以小到幾個立方厘米，大到整個建筑物。濕度控制按要求可分為控制絕對濕度和控制相對濕度兩種情況。不過兩者并沒有明確的界限。前者是控制其體重的絕對含水量，即控制露點溫度，以防止發(fā)生水的冷凝或結冰。后者則需要對氣體的溫度和絕對含水量同時進行控制，主要用于空調房間，以及谷物、膠片、紙張、印刷、面粉、醫(yī)藥食品、煙草、紡織等的加工和儲存。

空調中的濕度控制可借助濕度和溫度傳感器改變送到空調間的空氣的含水量來實現(xiàn)。在比較精確的恒溫恒濕調節(jié)中，則通過改變飽和濕空氣狀態(tài)的方法實現(xiàn)恒定濕度空氣的送風。不言而喻，這是一種比較復雜和費錢的方法。另一種方法是根據(jù)濕度傳感器給出的值和設定值的比較，由控制系統(tǒng)驅動加濕器、干燥器、加熱器、冷卻器等控制單元，實現(xiàn)濕度的反饋自動控制。這是一種比較經濟的方法。在小型空調機組中采用后者更為方便。對于濕度控制系統(tǒng)的質量評價和一般參數(shù)控制標準相似，好的濕度控制的特征是：狀態(tài)的轉變過程阻尼大（說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性好），觀測值與設定值之間的偏差小，轉換過程時間短。

綜述環(huán)境試驗箱的原理和設計特點。所謂環(huán)境試驗箱是為實驗室的試驗提供所需特殊環(huán)境的設備。用以提供人為控制的各種溫度、濕度和壓力條件，以便進行材料和儀器性能以及生理學、生物學等方面的試驗。提出環(huán)境濕度箱的設計應考慮下列因素：溫度變化對相對濕度的影響；空氣流動速度的影響；加濕的過程；控制儀表和控制閥門；加濕器；減濕過程；加熱過程；冷卻過程；綜合控制程序。

為了獲得穩(wěn)定的相對濕度，首先必須同時將溫度嚴格的控制在一定范圍內。其次要能迅速測定并修正狀態(tài)的變化。為此，要采用波動性小，快速響應的自動控制系統(tǒng)，以便在變化的極限范圍內能進行有效調節(jié)。最后，應該正確地設計控制程序，以保證控制方式簡單和合理。對于設計者來說，從減小時間滯后和波動性來考慮，有多種裝置和控制方法可以選用。這些方法基本上可以歸納為3種：靜態(tài)法、間接法和直接法。

在靜態(tài)法中，通常使用恒濕物質控制濕度。例如，在密封的容器內放置一定數(shù)量的恒濕物質，當相對濕度發(fā)生微小變化時，恒濕物質亦隨之吸收或放出相當數(shù)量的水汽。如果容器的溫度均勻一致，則相對濕度的變化很小，通常可以忽略不計。使用這種方法獲得的濕度值無需進行測量，因為該值就是恒濕物質（例如某種恒濕鹽）在某一溫度下的平衡相對濕度。顯然這種方法只宜用于較小的空間。

間接法采用連續(xù)地往容器內輸送恒濕空氣流的方式來控制濕度。如果容器的溫度是穩(wěn)定的，則相對濕度也是穩(wěn)定的。在大多數(shù)情況下，恒濕氣流由濕度發(fā)生器提供，所以氣體的含水量不僅恒定，而且其數(shù)值和準確度也是已知的。因此，同樣沒有單獨測量相對濕度的必要。

直接法的特點是借助濕度傳感器進行控制。為使被控制空間的相對濕度波動性小，并且對狀態(tài)和變化能作出快速修正，所用的濕度傳感器應當具有性能穩(wěn)定、響應速度快以及訊號便于輸出等特性。除過去普遍使用的通風干濕表和毛發(fā)元件之外，大多數(shù)電濕度傳感器的性能基本上都能滿足上述要求。用電阻溫度計作為感溫元件的通風干濕表和陶瓷濕敏元件尤其適用于高濕和高溫高濕的控制場合，使用日益廣泛。

隨著科學技術進步，濕度測量技術發(fā)展很快，要使?jié)穸葴y量領域在概念和量值方面統(tǒng)一，就必須首先重視濕度測量與控制。■

2012-07-09