《建筑环境测试技术》第4章 湿度测量

第四章 湿度测量
第一节 湿度测量概述
一．湿度的表示方法 绝对湿度、相对湿度、含湿量。 1．绝对湿度：每m3湿空气在标况下（0℃， 1大气压）所含湿空气的重量，即水蒸气密度。 单位为g/m3。 由气体状态方程： PV R T
n n n
Pn Pn Pn 1 1000 2.169 Vn RnT 461 T 273.15 w
扩大氯化锂湿度计的测量范围
A r r r r
RAB=f()
B
R4 R3 R2 R1
75~95% 55~75% 35~55% 15~35%
(%)
15 35 55 75
95
RAB(K) 80 70 52 32.3 12.35
80
电阻(K )
60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 相对湿度(%RH )
特点：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应 快，不受气流速度影响，测量范围宽， 抗污染能力强，稳定性好。
二．高分子电阻式湿度传感器
使用高分子固体电解 质材料制作感湿膜， 当相对湿度大时，膜 中的可移动离子浓度 增大，电阻减少，当 相对湿度降低时，膜 中的可运动离子浓度 减少，电阻阻值增大。 这样可通过电极间的 电阻值的变化测量相 对湿度。
Pn 287 Pn Pn Pb 0 622 622 622 Pw 461 Pw B Pn B Pb
• 所以，当大气压力为定值，含湿量是水 蒸气分压力的函数。
二．气体湿度测量方法 • 干湿球法 – 简单干湿球湿度计，通风干湿球湿度 计（阿斯曼） • 露点法 – 光电式露点湿度计 • 吸湿法 – 氯化锂电阻式，加热式氯化锂法 – 高分子电阻式，高分子电容式 – 金属氧化物陶瓷电阻式，金属氧化物 膜电阻式
• 测量桥路：两个桥路通过电阻R连接，构 成双电桥。
U CE f CE (t w )
U AB f AB (t S )
通过调节可调电阻 R 的滑动触头，使检流 计为0，可得UDE=UAB。 f AB (t S ) U DE U AB U AB RDE U CE R R I CE U CE f CE (t w ) R
<10 <=3 较短
SHT71温度、湿度复合传感器
选用SENSIRION公司 的SHT71温度、湿度 复合传感器，该传感 器是该公司最新推出 的数字化产品，直接 输出数字信号，通过 一根数据线与微处理 器相连，因此可简化 硬件电路设计。
接口电路图
电源引脚：供应电压在2.4～5.5V之间。 串口时钟输入引脚（ SCK ）：同步微控制器和传 感器之间的通信。 数据引脚（DATA）：DATA三态引脚用来向设备输 入、或输出数据。
B—大气压力；
A—与风速有关的系数。
f ( w , s , v, B)
3．含湿量：空气由干空气和湿空气组成，每 kg干空气所含水蒸气的量，称为含湿量。符 号d，单位g/kg
mS d 1000 mw
应用理想气体状态方程 水蒸气： P V m R T n n s n n 干空气： PwVw mw RwTw
•根据这一关系计算出 RDE 和相对湿度的关系， 在可调电阻上进行分度，实现相对湿度的测量。
二．露点法湿度测量
• 露点温度：将被测空气冷却，当湿空气 冷却到水蒸气达到饱和并开始凝结出水 分时所对应的温度。 • 先测定露点温度tL，根据tL确定该温度下 饱和水蒸气压力 PL 。 PL 即为被测空气的 水蒸气分压力Pn。
二．变送器
• 将氯化锂湿度测头接入交流电桥，此电桥将传 感器的电阻信号转变为交流电压信号。此电压 经放大、检波整流变成与相对湿度成一定函数 关系的直流电压，再经电压 - 电流转换器转换 成标准0-10mA的电流信号。
第四节 高分子湿度传感器
一．高分子电容式湿度传感器
C S / d
根据电容公式可知， 在电容两个极板的 面积和间距不变的 情况下，当介电常 数发生变化时将引 起电容值的变化。
因为水蒸气与干空气均匀混合，故 Vn=Vw ， Tn=Tw， 又：Rn=461，Rw=287，
Vnn RwTw P 287 m P P 287 m P P 287 SS n nV nn n d d 1000 1000 1000 1000 1000 1000 66 d 1000 6 m R P 461 m RnnT Tnn PwVw P 461 P ww w w w 461
w
Ts
通风干湿球温度计（阿斯曼）
• 构造
– 温度计置于金属套管内 – 微型风机，
Tw Ts
• 特点
– 湿球附近风速固定在2.5m/s – 金属套管屏蔽辐射 – 蒸馏水随时滴入
2．电动干湿球温度计
• 将湿信号转换成 电信号，有利于 远传。 • 构造：轴流风机、 镍电阻、湿球纱 布、盛水杯、测 量桥路。
PL 100% Pb
1．露点湿度计
• 采用两只玻璃棒温度 计，一只测量干球温 度，另一只放入黄铜 盒内测量露点温度。 根据测得的露点温度 和干球温度通过查表 得到对应的露点温度 下的饱和蒸气压力和 干球温度下的饱和蒸 气压力。 • 缺点：露点温度不易 测准。
2．光电式露点湿度计
影响测量精度的因素：高度光洁的露点镜；高精 度的光学与热电制冷调节系统；采样气体需洁净。
特点：传感器电阻的对数 值与湿度成线性关系，测 湿范围、工作温度范围宽。
第七节 饱和盐溶液湿度校正装置
关键：①实现不同范围内维持恒定的相对湿 度空间， ②可作基准的高精度标定仪器，
• 水的饱和蒸气压是温度的函数，温度愈高，饱 和蒸气压也愈高。 • 当向水中加入盐类，溶液中的水分蒸发受到限 制，使其饱和蒸气压降低，降低的程度与盐类 的种类有关。 • 根据不同的盐类对应的饱和蒸气压不同，即对 应的相对湿度不同实现湿度传感器的标定。
所以测得被测空气的水蒸气分压力，及 干球温度即可求得绝对湿度。
• 2．相对湿度：空气中水蒸气分压力Pn与 同温度下饱和水蒸气分压力Pb的比值。
Pn 100% Pb
Pn Pb.s A( w s ) B
Pb.s—相应于湿球温度的饱和水蒸气压力； Pb—干球温度对应的饱和水蒸气压力；
第二节 干湿球与露点法湿度检测
一．干湿球法湿度测量
Pn 100% Pb
Pb.s A(w s ) B Pb
•测得干球温度和湿球温度可计算相对湿度。 •适用范围：大于0℃，测量误差1～2%。
1．普通干湿球温度计 T
• 构造 同精度温度计两支、脱脂纱布、 蒸馏水 • 特点 – 无风速控制，无屏蔽辐射 – 水易污染 – 测量误差较大 • 注意： ①湿球温度计安装时，要求温度计的 球部离开水杯上沿至少2～3cm， ②应使湿球温度计周围空气流速保持 在2.5m/s以上，使A为常数。
第三节 氯化锂电阻湿度计
属于吸湿法测量， 根据氯化锂的吸湿 特性和氯化锂吸湿 后电阻变化特性。 一．传感器 形式： 梳状、柱状。
R 感湿膜
梳状
柱状
注意：
为了避免氯化锂溶液发生电解，电极两 端应接交流电。 量 程 窄 ， 一 般 为 15% ～ 20% ， 例 如 ， 0.05%的浓度对应感湿范围为80%-100%， 0.2%的浓度对应的感湿范围为60%-80%。 环境温度对输出影响较大，因此要进行 温度补偿。 最高使用温度 55℃，当大于 55℃，氯化 锂溶液容易蒸发。
常见测湿度的方法比较
温度范围 湿度范围 精度 阿斯曼 5~50 5~95% 2~5% 响应时间(s) 很长
氯化锂电 5~50 阻式 高分子电 5~50 容式 金属陶瓷 0~60 电阻式 -40~100 露点计
15~95%
15~95% 5~90% 0~100%
2~5%
2~5% 2~5% 1
10，50
第五Βιβλιοθήκη Baidu 金属氧化物湿度传感器
一．金属氧化物陶瓷湿度传感器
由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有微 孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值 的改变。 主要有 MgCr2O4-TiO2 陶瓷湿度传感 器、NiO陶瓷 湿度传感器。
二．金属氧化物膜湿度传感器
原 理： 将调制 好的 金属氧化物的糊状物 加工在陶瓷基片及电 极上，采用烧结或烘 干的方法使之固化成 膜。这种膜的含湿量 随着外界空气的含湿 量的变化而变化，含 湿量的变化又引起电 阻阻值的变化，通过 测量电阻之间的阻值 即可测量相对湿度。