湿度测量及控制方法

郭洪艳 （天津市计量监督检测科学研究院 天津300191）

湿度测量及控制方法

郭洪艳 （天津市计量监督检测科学研究院 天津300191）

目前最常用的湿度测量方法和测量仪器，主要用于气体湿度测量。为了满足生产和科学技术发展的需要，各种类型商品化湿度计和湿敏元件近年来大量涌现，据不完全统计不下30种。提出随着科学技术进步，必须重视湿度测量与控制。

湿度 测量控制 水蒸汽

众所周知，空气是多种气体的混合物，其主要成分是氧气和氮气，以及总数不到1%的稀有气体和二氧化碳。此外，空气中还有一种重要的、数量上经常变化的成分——水汽。以蒸汽状态存在的水，按照热力学的习惯，当气体的温度低于其临界温度时称为蒸汽，对于水蒸汽又称为蒸汽或水汽。

湿度测量学的研究对象就是气体中以蒸汽形态存在的水。首先对各种湿度测量方法及其基本原理有了解，才能在实际工作中正确选择和合理使用适当的方法提供原则性的指导。

最常用的湿度测量方法和测量仪器，主要用于气体湿度测量。为了满足生产和科学技术发展的需要，各种类型商品化湿度计和湿敏元件近年来大量涌现，据不完全统计不下30种，其类型之所以如此繁多，是因为现有的任何一种仪器（或方法）都不具备普适性，换句话说也就是还没有一种仪器（或方法）能满足所有的测量需要。这在某种意义上反映了湿度测量的复杂性。有人认为湿度测量和温度测量有相似之处。目前温度测量按照低温、中温和高温3个区域来划分，测温手段按不同的温区、不同的对象、不同的精度要求进行选择。从湿度测量的现状和发展趋势来看，这种观点是有道理的。目前绝大部分湿度测量方法或测量仪器都有一定的适用范围，大体上也可以按低湿、中湿和高湿来划分。因而在实际工作中湿度测量手段同样存在一个正确和合理选择的问题。要从实际出发，根据测量对象和使用场合、量限、精度和经济合理性等因素综合进行考虑。大多数湿度计的使用都是比较简单的，但是如何根据本身的工作需要进行正确和合理选择却往往不是一件容易的事。

空气湿度与人类生存密切相关，气象是湿度测量的重要领域。例如大气中的水汽影响着降雨和雨量大小，决定对农作物有影响的霜冻的形成，影响暴风雨的发展，影响河流、湖泊、水库、海洋中水甚至雪山和冰面的蒸发，以及人类和各种生物存在和生长的环境等等。因此湿度和气压、温度、风速等一起构成了气象的基本要素。

气象中的湿度测量主要分两个方面：一个是地面观测中的空气湿度；另一个是高空探测中的湿度测量。后者和天气预报直接有关。气象湿度测量的环境温度范围较宽，大约从+50℃到-60℃，相对湿度从百分之几到100%，由于测量环境异常复杂，成为天气观测中的一个难点。

湿度测量要求湿度传感器无明显的滞后，要具有快速响应特性。现在多使用吸湿材料制成的基于尺寸变化的湿度传感器。随着科学技术的发展，湿度测量的应用领域不断地扩大，要求也愈来愈高。在量限方面低湿气体测量达10-3mg/mL量级，高湿至104mg/mL量级的饱和湿气。与此同时，对测量精确度的要求也相应地提高。在应用方面，湿度的测量和控制与工业、农业、国防和科学研究等部门关系密切。

空气湿度控制的目的是调节特定空间中空气的含水量，使其接近规定的湿度。控制的空间可以小到几个立方厘米，大到整个建筑物。湿度控制按要求可分为控制绝对湿度和控制相对湿度两种情况。不过两者并没有明确的界限。前者是控制其体重的绝对含水量，即控制露点温度，以防止发生水的冷凝或结冰。后者则需要对气体的温度和绝对含水量同时进行控制，主要用于空调房间，以及谷物、胶片、纸张、印刷、面粉、医药食品、烟草、纺织等的加工和储存。

空调中的湿度控制可借助湿度和温度传感器改变送到空调间的空气的含水量来实现。在比较精确的恒温恒湿调节中，则通过改变饱和湿空气状态的方法实现恒定湿度空气的送风。不言而喻，这是一种比较复杂和费钱的方法。另一种方法是根据湿度传感器给出的值和设定值的比较，由控制系统驱动加湿器、干燥器、加热器、冷却器等控制单元，实现湿度的反馈自动控制。这是一种比较经济的方法。在小型空调机组中采用后者更为方便。对于湿度控制系统的质量评价和一般参数控制标准相似，好的湿度控制的特征是：状态的转变过程阻尼大（说明系统的稳定性好），观测值与设定值之间的偏差小，转换过程时间短。

综述环境试验箱的原理和设计特点。所谓环境试验箱是为实验室的试验提供所需特殊环境的设备。用以提供人为控制的各种温度、湿度和压力条件，以便进行材料和仪器性能以及生理学、生物学等方面的试验。提出环境湿度箱的设计应考虑下列因素：温度变化对相对湿度的影响；空气流动速度的影响；加湿的过程；控制仪表和控制阀门；加湿器；减湿过程；加热过程；冷却过程；综合控制程序。

为了获得稳定的相对湿度，首先必须同时将温度严格的控制在一定范围内。其次要能迅速测定并修正状态的变化。为此，要采用波动性小，快速响应的自动控制系统，以便在变化的极限范围内能进行有效调节。最后，应该正确地设计控制程序，以保证控制方式简单和合理。对于设计者来说，从减小时间滞后和波动性来考虑，有多种装置和控制方法可以选用。这些方法基本上可以归纳为3种：静态法、间接法和直接法。

在静态法中，通常使用恒湿物质控制湿度。例如，在密封的容器内放置一定数量的恒湿物质，当相对湿度发生微小变化时，恒湿物质亦随之吸收或放出相当数量的水汽。如果容器的温度均匀一致，则相对湿度的变化很小，通常可以忽略不计。使用这种方法获得的湿度值无需进行测量，因为该值就是恒湿物质（例如某种恒湿盐）在某一温度下的平衡相对湿度。显然这种方法只宜用于较小的空间。

间接法采用连续地往容器内输送恒湿空气流的方式来控制湿度。如果容器的温度是稳定的，则相对湿度也是稳定的。在大多数情况下，恒湿气流由湿度发生器提供，所以气体的含水量不仅恒定，而且其数值和准确度也是已知的。因此，同样没有单独测量相对湿度的必要。

直接法的特点是借助湿度传感器进行控制。为使被控制空间的相对湿度波动性小，并且对状态和变化能作出快速修正，所用的湿度传感器应当具有性能稳定、响应速度快以及讯号便于输出等特性。除过去普遍使用的通风干湿表和毛发元件之外，大多数电湿度传感器的性能基本上都能满足上述要求。用电阻温度计作为感温元件的通风干湿表和陶瓷湿敏元件尤其适用于高湿和高温高湿的控制场合，使用日益广泛。

随着科学技术进步，湿度测量技术发展很快，要使湿度测量领域在概念和量值方面统一，就必须首先重视湿度测量与控制。■

2012-07-09