干湿球温度计测量原理与影响因素研究

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，工业中人们习惯于叫做微量水分（trace water），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T a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T w表示。人们通常把干球温度T a与湿球温度T w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。

L C M M L C A T T AP e e L T T PC e e p v a p w a w w a p w εε==--'=--'=)

()

/()( （1） U= e w /e ×100% （2）

A ---干湿球系数， P ---气体总压力，

M a 和M v ---分别为空气和水的分子量，

C P ---空气的等压比热， L ---水的气化潜热，

e ---温度T a 下空气中的水汽分压，

e'w ---T w 时的饱和水汽压（w w w e f e =',在一般应用中可取w w e e ≈',）

。 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 ＝A c （1＋)1)(a

c c r k k h h + 式中A c ---对流通风干湿表系数，h r ---辐射传热系数，h c ---对流换热系数，

k c ---对流水汽质量传递系数，k α---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 ，T a =22℃，T w =15℃时，干湿差变化的绝对值大约是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。

h c 和k c 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，从而使湿球的平衡温度发生漂移，干湿差变小。这种影响往往是由于灰尘或其它污物附着在湿球上水套上因细菌作用使水套变质造成的。因此，必须定期或及时更换上水套。在炎热潮湿地带和环境恶劣的地方使用更要勤于更换。在空气中或多或少地含有盐微粒的沿海或内陆盐碱地带，干湿表上水套蒸发性能的下降相对来说更快一些。灰尘和其它物质的污染是户外使用通风干湿表的重要误差来源。由于使用强烈通风，污物不断累积，从而造成测量值的漂移。因此，除了要对上水套的纱布进行严格的脱脂处理外，在安装和加水时同样要非常小心防止操作污染。在精密测量中，实验前应该用纯水煮或者冲洗上水套，以去掉污染物。

湿球上水套的厚度也有关系，其影响反映在两个方面。其一，上水套过厚在某种意义上改变了湿球的直径；其二，加大了水套横截面方向上的温度梯度。3．4 温度传感器的影响

干球温度和湿球温度都是通过温度传感器测量来得到的，温度传感器的准确和稳定对干湿球法测量湿度有非常重要的影响。一般来说，应选择精密的铂电阻温度传感器来做为干球、湿球的测温传感器，除了考虑精度等级的影响外，温度计的稳定性也是非常关键的，温度变化1℃,湿度的变化约为8%RH, 因此作为干湿球法测量湿度的温度传感器应具有良好的稳定性和等级要求。可选用IEC60751定义的A级铂电阻温度计,另外目前新型的Pt1000型铂电阻温度传感器也可以作为尝试的元件来进行选择。

4. 结论

在湿度测量中，干湿球法应用很广，精密的阿斯曼通风干湿表长期以来作为湿度标准。随着数字式温度计和仪表技术的发展，在过去二十年中数字化的通风干湿表发展很快。无论干湿球温度测量的准确度还是干湿球系数的准确度都大为提高，实际测量和使用过程中应注意保持良好的工作环境和规范的操作方式，避免由于使用的原因带来的测量误差,影响使用。