高温湿度测量分析仪.doc

湿度手册

机械应用公司（MAC）

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绪论………………………………………………………………………2
相对湿度…………………………………………………………………2
部分压力……………………………………………………………………3
饱和压力……………………………………………………………………3
绝对湿度单位……………………………………………………………5
体积湿度百分比(%Mv)……………………………………………………… 5
百万分率……………………………………………………………………5
湿度率…………………………………………………………………… 6
比湿度…………………………………………………………………… 6
露点……………………………………………………………………… 6
绝对湿度单位对比………………………………………………………8
表1：湿度单位换算表…………………………………………………10

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手册正文
绪论

我们在机械应用公司多年的时间，使我们有机会探讨了许多湿度测量设备的需求用户和潜在用户的多种不同湿度测量和控制应用。从这些用户中我们发现他们中只有很少一部分能够真正理解这个较为专业的工程领域。

存在的问题大概如下：

一、诸如湿度、潮气、水蒸气、露点、水汽、雾、液化等词语用于日常谈话中，它们的一般意思可以被理解。然而，当这些词被科学家或工程师们使用时，就具有了更明确的的含义，而这些含义很容易被那些不使用它们的科学含义的人所误解。就下面这句话举个例子： “水烧开了。我看到蒸汽从壶里冒了出来。”那些做专业蒸汽工作的人知道蒸汽是不可见的，那些看到的从壶上面冒出来的云气实际上是水蒸汽在空气中遇冷液化后形成的小水滴与壶上方空气混合而形成的。

二、有很多种方式来描述溶解入空气或其它气体中的湿气的量。相对湿度，比湿度，湿度率，露点，体积百分比，百万分率，都被用作来表达混合在其它气体中的水蒸气的量。
相对湿度

因为在天气关注问题中的日常使用，使得我们对相对湿度比较熟悉。相对湿度通常被简写成“RH”，表示的百分值是从零到100%。RH是指在100℃以下时空气中所含有的水汽的量与同样条件下空气可以含有的最大水汽量的百分比。然而，空气中所能含有的最大水汽量是由空气的温度决定的。下图显示了在指定温度下空气所能含有的最大水汽量。

图1. 空气所能含有的最大水汽量与温度的关系曲线
由图可见：温度越高（小于100℃前），空气中所能含有的最大水汽量也越大。大于100℃后，空气可能全部都由水汽组成，体积湿度百分比可以达到100%。
在我们给出RH的技术定义前，首先来解释下用于定义中的术语。

部分压力

我们将一个空的广口瓶的盖子拧紧。广口瓶中的气体和广口瓶外的室内空气一致，为了方便起见假设瓶中的气体成分为20%的氧气和80%的氮气。
广口瓶中的压力与外界环境相同都为14.7PSI。广口瓶内部的压力由氧气分子和氮气分子互相反弹和撞击内壁导致。如果我们能从光口瓶中把氧气移除那么广口瓶的内壁受到气体分子撞击的次数将相应减小。广口瓶内部的压力也就相应减小，它只由氮气分子所造成。这样瓶中仅由氮气分子所产生的压力应该为14.7PSI的80%即11.76PSI。如果我们把氧气留在瓶中把氮气移除的话那么瓶内部的压力变为了14.7PSI的20%为2.94PSI。
气体的部分压力是是指单独由此气体所产生的压力。
PO = 氧气的部分压力 = 2.94PSI
PN = 氮气的部分压力 = 11.76PSI
PT = 总压力 = PO + PN = 14.7PSI
如果我们把广口瓶拿到海拔10000英尺的高山上去然后密封它的话，总压力只有10.1PSI。 PO = 2.02PSI ，PN = 8.08PSI ，PT = 10.1PSI

饱和压力（Ps）

水蒸气的饱和压力（Ps）是指在相对湿度100%的时候的水蒸气的部分压力。100%的相对湿度就是水的气液变化的平衡点（相点），也就是水蒸发成水蒸汽和水蒸气液化成水的那个点。因为在一个大气压下水的沸点是100℃，所以饱和压力Ps在温度高于100℃的时候肯定是高于一个大气压的。在121℃时候要保持100%的相对湿度就需要压力接近30PSI或两倍的大气压。 图2显示了水蒸气的饱和压力随温度的变化（10℃到288℃）。

图2.水蒸气的饱和压力随温度的变化
如图可以看出，在100℃以上饱和压力激增，这就是在普通大气压下超过100℃后RH无法达到100%的原因。
RH（相对湿度）的物理定义由下式描述：

%RH = PW / PS ×100

PW是空气中水蒸气的部分压力，PS是饱和压力。高于100℃时100%的绝对湿度时Pw等于一个大气压，但是Ps，饱和压力却随着温度升高而迅速增长。图3指出不同温度下最大的RH情况。值得注意的是，正如图1所示的，当低于100℃时，RH可能达到100%，尽管此时空气中的体积湿度百分比不小于100%；而高于100℃时就算某气体全部由水蒸汽组成（体积湿度百分比为100%），RH仍然低于100%。

图3. 不同温度下最大的RH情况
在204.5℃时RH所能达到的最大值为5.9%，而在371℃（700）时能够达到的最大值为0.48%。
虽有有的仪器可以测量高于204.5℃时候的RH，由图1和图3也可以看出，在高于100℃时候，RH对于指示湿度等级来说就是一个无价值的甚至是令人产生误解的单位了。一个1%精度的相对湿度测试仪，在204.5℃时候的体积湿度百分比精度就是5.9份中的1份即17%的精度。
在室温环境下的相对湿度单位也给了我们一些惊异的数值。假设我们所在的房间的温度为15.6℃，这时的相对湿度为50%，在这种条件下空气中水蒸气体积湿度百分比为0.87%。如果我们打开电热器把室温加热到22.2℃，相对湿度便会降到33%而这时的空气中水蒸气体积湿度百分比仍为0.87%。
借助于这个例子我们了解到了相对湿度与绝对湿度的不同点。相对湿度是随着温度的改变而改变的，而体积湿度百分比是不会受到温度的影响的，当大气中所含水蒸气增加或减少时它才变化。
在我们周围的大气是混合气体，完全干燥状态下它的成分如下：
氮气 78.084%
氧气 20.948%
氩气 0.934%
二氧化碳 0.0314%
氖气 0.00182%
氪气 0.000524%
甲烷 0.00015%
氢气 0.00005%
其它微量气体 0.000056%
因为很少有完全干燥的空气，所以上面的成分百分比会受到大气中混有的水汽的影响。
正如我们已经陈述的，50%RH 在60℉时对应为0.87%的体积湿度百分比。50%RH@95℉对应为2.8%的体积湿度百分比。100%RH@95℉的相对绝对湿度值为5.6%。
在一个气体燃烧炉中的气体情况和我们身边的气体截然不同，大部分的氧气用来供给燃料燃烧。燃料中的碳燃烧生成了二氧化碳，燃料中的氢则燃烧生成了水蒸汽，如果燃料为甲烷，气体是干燥的（0%的水含量），那炉中的气体将变为：
氮气 73%
水蒸气 18%
二氧化碳 9%
在高温的炉体内，即使体积湿度百分比为18%，相对湿度的值也会接近为零。
当室外下雨或者下雪时相对湿度将接近100%。因为当RH小于100%时从雪中或者雨中的水便会蒸发来补充。当室外正在下雪并且温度为-12℃时，虽然相对湿度接近100%，但是湿度百分比只有0.2%。如果这时我们把外面的空气带一部分回来加热到22℃，相对湿度将会降低到7.59%，而如果我们所做的只是加热的话，那么湿度百分比依然保持为0.2%。

其它绝对湿度单位

在先前的例子中我们知道了体积湿度百分比是一种绝对湿度单位，其不随温度的改变而改变，这里还有一些其他的绝对湿度单位：
体积湿度百分比，%Mv
百万分率，ppm
湿度率（英镑 水/英镑 干燥空气），W
比湿度（英镑 水/英镑 混合气体），q
露点温度，td

体积湿度百分比
至少有两种方法可以定义体积湿度百分比。

%Mv = 单位体积水分子数/单位体积分子总数

%Mv = Pw/PT
其中：Pw = 水蒸气造成的部分压力
PT = 总压力（通常为大气压）

百万分率
百万分率是另一种表示体积湿度百分比的方法。一百万的百万分率相当于100%。这个单位通常用来表示体积湿度百分比非常低的值。100PPM等于0.01%体积湿度百分比。百万分率有时用质量来代替体积来表示。因为水气在空气中的比重为62.2%。0.01%的体积湿度百分比等于用质量表示的62.2ppm

湿度率
湿度率有时候也称为湿度容量和混合率，它是单位质量干燥空气中混合的水蒸气的质量。如果体积湿度百分比知道，那么可以计算出湿度率W
湿度率 = W = 0.622 × %Mv/（100-%Mv）
这个等式只有在大气为通常混合气体的时候才成立。当用于燃烧炉烟道产生的不同类型的混合气体时，因子0.622就必须变了。这个因子是水分子的分子量（18.015）与混合气体平均分子量（通常空气中为28.965）的比值。
18.015/28/965=0.622
注意体积湿度百分比的值完全和混合气体中其它气体的分子质量无关，即使在锅炉和烤箱中也是如此。

比湿度
比湿度是水蒸气的质量和干燥空气加上其中水蒸汽的总质量的比值。
如果体积湿度百分比知道，那么可以计算出比湿度q。
比湿度 = q = 0.622 × %Mv/{（100 - %Mv ）+ 0.622×%Mv}
公式中0.622的因子是相对于通常空气的。如果是不同的平均气体分子量时要对这个系数进行修正。

露点
在我们先前举的例子中我们知道当空气被冷却到低于100℃时相对湿度便会上升。露点就是当相对湿度达到100%时的温度。RH不能超过100%，所以如果继续降低空气的温度将会出现液化现象。这就是露珠的由来，也是为什么装冰水的杯子的外壁上会变潮湿，为什么在高空的飞机飞过后会留下一条凝结后产生的痕迹的原因。
如果露点温度小于0℃，下雨就变成了下雪，结霜代替了结露。在低于0℃的时候，露点有时也被叫成霜点。
空气中水蒸气的浓度和露点温度有直接的关系。其也适合于空气中的其它气体。如果我们可以将空气温度降到很低，二氧化碳就会凝结成为二氧化碳雪。通过测量二氧化碳凝结时的温度我们就可以推算出空气中含有二氧化碳的浓度了。同样的，我们还可以确定出空气中氮气和氧气的浓度值。得到某个气体的浓度值我们必须要能够将温度降低到这种气体的凝结点也就是露点，使其能够液化成液态；或者达到其霜点，使其能凝华成固态。
下面是在一个大气压下空气中主要气体成分的沸点
水蒸气 H2O 100℃
二氧化碳 CO2 -77.8℃
氧气 O2 -182.8℃
氮气 N2 -196.1℃
这些温度也是百分之百浓度的对应气体液化成液态的温度（露点温度）。
当对应气体的浓度在混合气体中小于100%时，液化过程开始的温度也会降低。
我们以上的讨论就是为了说明，水蒸气的物理形态变化同大气中的其它气体是没有什么不同的，除了水的露点和霜点可以在普通的大气环境下达到。

图4 给出了空气中低湿度情况下的露点/雾点。
图5给出了中高湿度情况下的露点。

图4.空气中低湿度情况下的露点/雾点

图5.中高湿度情况下的露点

露点可以由体积是度百分比算出，通过查看水蒸气的饱和压力Ps（见图2）或者Ps与温度的表格。

例：
如果体积是度百分比为25%，那么露点温度是多少？
首先查到水蒸气的饱和压力Ps。
在大气压力下，25%Mv，则Pw = 25% × 14.7PSI = 3.68PSI.在露点时，RH=100%因此此时Pw = Ps。
然后，在图2中读出3.68PSI所对应的温度为65.6℃。

露点不是个绝对的单位，露点随压力变化，而压力又随海拔高度变化。大气压力在美国科罗拉多州的丹佛仅仅为12.2PSI（5200英尺海拔）。在水平面上水的沸点为99.9℃，而在丹佛，95℃时候水就沸腾了。这两个温度是对应于100%Mv时候的露点温度，它们的不同归因于总压力的不同。

绝对湿度单位对比

五种不同湿度单位的关系列为表1- 湿度单位换算表（见10 - 13页）。可以用此表来完成两种单位的换算。
表1也可以用于在低于100℃的时候RH与其它单位的换算。

例1
RH = 50%，温度为24.4℃（76），求%Mv？
首先，在露点栏查到76，找到其对应的%Mv为3%。这就是说100%RH，76（露点温度）时候的%Mv为3%，那么50%RH对应的%Mv就是1.5%。

例2

%Mv = 4%，温度为41.7℃（107），RH是？
首先在露点栏找到107，然后找到对应的%Mv为8%，因此4%Mv就对应着50%RH。
我们所讨论的每个湿度单位都是专业学科人员的首选单位。

相对湿度（RH）：

当描述使人类觉的舒适的周围环境的时候，RH是个完美的单位。天气预报和气象；加热和通风装置，空气调节装置（HVAC）等也常用RH。

体积湿度百分比（M）：

它是绝对湿度中最直观的一个单位，常用于燃烧、环保工程、烟道气体成分检测等。由于它具有线性好、易于显示、可使用通用设定点PID控制器进行控制等优点，还可用于食品加工过程，产品干燥和设备增湿等行业。
湿度率（W）：

因其可以直接用于能量计算，因此其常用于产品干燥过程中。它也通常是大部分心理测量学图表的纵坐标。而由于它线性度很差且横跨了诸多数量级，因而不易于显示和控制。单位之间的换算很简单，因此常用%Mv显示和控制湿度等级，而转化为湿度率来进行计算。

露点温度（td）：

本单位广泛地被那些关心管道压缩气体或其它气体中水汽液化可能性问题的人们所使用。同样道理，其也用于采样系统。为了防止线路水汽凝结，需要使工作流体维持在高于露点的温度下，或者干燥此流体，使其露点低于流体所经过的最低温度。

百万分率（ppm）：

这个单位通常用于测量极低的湿度等级，100ppm等于0.01%Mv。

表1.湿度单位换算表

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