干湿球温度计测量原理与影响因素研究

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1、干湿球温度计测量原理与影响因素研究福建省计量科学技术研究所林军1．引言水除了存在于固体和液体中之外，还以蒸汽状态存在于各种气体之中。这些气体除了人类赖以生存的永不能离开的空气以外，还包括各种单质气体，如氧、氮、氯、氢、氦、氖、氩、氪、氙、二氧化碳等和其他混合气体，如以烷、烯为主要成分的燃气和燃料炉烟气等。中华人民共和国国家技术规范JJG1012-87把气体中水蒸汽含量定义为湿度，对应于英文Humidity。湿度的动态变化范围相当宽。在低湿测量中，当气体中水蒸汽含量低于露点-20℃（约1100ppm）时，工业中人们

2、习惯于叫做微量水分（tracewater），而一般不叫做湿度。实质上，这是不同于固体和液体中的水分的，而是湿度测量中的一个特例。从早期的毛发湿度计、干湿球湿度计、露点湿度计，发展到当代利用各种物质吸收水分时电性能的变化，诸如电阻、电容、频率等类型的湿度计，以及利用湿空气光学特性的红外、紫外吸收湿度计，乃至光纤湿度计，湿度测量仪器的种类繁多。国家标准GB/T11605和GB5832规定了六类，包括了以上大多数类型的仪器和湿度测量方法：（1）伸缩法利用毛发等材料的长度随湿度而变化的特性直接指示相对湿度。（2）干湿球法

3、用两支相同的温度计分别测量干球和湿球温度，导出湿度值。其中湿球温度计温泡套有脱脂纱布套并用蒸馏水保持湿润。（3）冷凝露点法用等压冷却的方法使被测气样中的水汽在露层传感器表面与水（或冰）的水平表面呈热力学平衡状态，此时的镜面温度即为该气样的露（霜）点。（4）氯化锂露点法通过测量氯化锂饱和水溶液的水汽压与样气的水汽压平衡时的温度确定露点。（5）电阻、电容法利用湿敏元件的电阻、电容随环境湿度的变化而按一定规律变化的特性，经湿度标准标定后，获得湿度值。（6）电解法气样流经一个特殊结构的电解池时所含的水汽被五氧化二磷膜层吸

4、收并电解，当吸收和电解过程平衡时，电解电流正比于气样中的水汽含量，通过测量电解电流得知气样的湿度。（7）重量法在密闭气路中利用五氧化二磷吸收样气中的水汽，准确测量样气的体积和吸收水分的质量即可获得样气的湿度。2．干湿球法湿度测量基本原理干湿球湿度计由两支相同的温度计组成，一支称为干球温度计，暴露在空气中，用以测量环境温度，示值用Ta表示。另一支为湿球温度计，其温泡用湿球纱布套包裹，并与盛有纯水的容器相连，或临时加水，纱布套上的水不断蒸发。由于水蒸发需要吸收热量，从而使湿球的温度下降，其示值用Tw表示。人们通常把干

5、球温度Ta与湿球温度Tw之差称为干湿差。显然，湿球水蒸发的速度与其周围气体的水汽含量呈某种函数关系。因此干湿球法测湿的关键是获得准确的干、湿球温度，然后借助干湿球方程换算出湿度值。当空气流经湿球表面时，发生热质交换过程，此时空气供给水蒸发需要的热量。我们把湿球及周围的空气当作一个系统，根据能量守恒定律导出干湿球方程。（1）U=ew/e×100%（2）A---干湿球系数，P---气体总压力，Ma和Mv---分别为空气和水的分子量，CP---空气的等压比热，L---水的气化潜热，e---温度Ta下空气中的水汽分压，e

6、'w---Tw时的饱和水汽压（,在一般应用中可取,）。这就是著名的August-Apzohn干湿球方程。该方程没有考虑辐射热的影响，也没有考虑温度计本身的导热损失。干湿球测湿法原理简单，但其测量准确度会受到风速、温度计本身准确度、大气压力等各种因素的影响。3．测量准确性的影响因素3．1通风速度理论研究和实践都证明了通风速度对于干湿球法测量湿度的影响，尤其是对湿球温度降低的重要性，对于强制通风的干湿球湿度计来说，通风速度在2.5～4.5m/s之间时，干湿球系数A接近為常数。A还和湿球的形状、尺寸、通风方向、防辐射情

7、况等因素有关。通风速度过低时，干湿球系数不稳定，过高时则容易造成过热。3．2湿球的尺寸和形状关于湿球的形状和尺寸对A值产生的影响，从Wylie计算A值的理论公式看出：A＝Ac（1＋式中Ac---对流通风干湿表系数，hr---辐射传热系数，hc---对流换热系数，kc---对流水汽质量传递系数，kα---质量传递系数。当湿球直径变化2％时，就会对干湿差产生影响。Wylie用A值的变化来衡量这种影响。例如当一个直径10mm的湿球的直径增加12％，风速小于2m/s，Ta=22℃，Tw=15℃时，干湿差变化的绝对值大约是

8、20mK。而对于轴向通风的湿球，其长度增加10％相当于风速降低10％所造成的影响。此外，湿球的几何形状同样会影响干湿差，而这种影响在低风速时还要大得多。hc和kc都与湿球的尺寸和形状有关。所以，用于精密测量的干湿球湿度计，尤其是作为标准用的干湿表，应该对干球和湿球的尺寸进行严格的控制，并保证其尺寸在公差范围之内。3．3湿球的污染和上水套的影响湿球的上水套长时间使用会变质，