干湿球法测量烟气湿度影响因素探讨

赵龙海

奥来国信（北京）检测技术有限责任公司 北京 101300

1 测量原理

干湿球法是一种间接测量湿度的方法，它是通过测量干球温度和湿球温度利用公式或查表求出湿度的。

该方法是使用两支规格完全相同的温度计组成干湿球湿度计。干球温度的感温元件处于烟气气流主体中，湿球温度的感温元件用湿球纱布套包裹，并与盛水的容器相连。将湿球与周围的烟气作为一个系统，不考虑辐射导热，也不考虑温度计本身的导热损失。

由于纱布套上的水不断蒸发，吸收热量，从而使湿球温度下降，在测量过程中，烟气对湿球的传热量与湿球纱布套上水分蒸发所消耗的热量之间存在平衡关系，而湿球水分蒸发的速度与其周围气体的水汽含量成某种函数关系。

基于干湿球法原理的湿度自动测量装置，其微处理器控制传感器测量、采集干球、湿球表面温度以及通过湿球表面的压力及排气静压等参数，同时由湿球表面温度导出该温度下的饱和水蒸气压力，结合大气压，根据August-Apzohn干湿球方程，得出干湿球法测量湿度的计算公式为[1]：

式中：Xsw—排气中水分含量体积百分数，%；

Pbv—温度为tb时饱和水蒸气压力（根据tb值，由空气饱和时水蒸气压力表中查得），Pa；

0．00067—干湿球系数，℃-1；

tb—湿球温度，℃；

tc—干球温度，℃；

Pb—通过湿球温度计表面的气体压力，Pa；

Ba—大气压力，Pa；

Ps—测点处排气静压，Pa。

2 测量准确性影响因素

固定污染源监测中，现场环境复杂多样，影响湿度测量准确性的因素种类繁多。针对干湿球法，提出现场烟气湿度监测中的一些注意事项，以提高烟气湿度测量的准确性。

2.1 通风速度的影响

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（2．5-4．5）m/s[2]之间时，干湿球系数A接近为常数。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。

由于通风速度会对湿度测量造成影响，这就要求监测人员在日常监测中，要注意检查湿度采样管的气流通畅状况，防止发生阻塞而影响通风速度。一般来说，设备在设计时会根据烟气湿度采样管尺寸设定合适的通风量，以控制合理的通风速度。监测单位在日常仪器维护保养中，也要对湿度采样管的通风量、通风速度进行检查，以保证通风速度在有效范围内。

2.2 湿球纱套的影响

湿球纱套的作用是利用毛细现象将储水盒中的水吸送到湿球上，使得湿球保持湿润。由于湿球纱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他污物附着在湿球纱套上，因细菌作用使纱套变质造成的。因此应定期或及时更换纱套，尤其是在污染源排气中污染物浓度较高的情况下。

在实际监测中，打开采样孔后，要先清除孔中的积灰，再进行监测；在更换湿球纱套时，应将手洗净，以免人手上的油脂污染纱布而影响湿球温度的测量。

另外，湿球上的纱套应使用专用纱套，因为纱套的吸水性、纱线密度、厚度等性能都会影响湿球温度的测量。

2.3 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，因此温度传感器的准确性和稳定性对干湿球法测量湿度有非常重要的影响。

一般来说，应选择精密度较高的热电偶或铂电阻温度传感器作为干球、湿球的测温传感器。除了考虑准确度等级的影响外，温度计的稳定性也是非常关键的，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。

此外，现场监测时，应待干、湿球温度稳定后再进行读数，稳定后的干球温度应与烟气温度相近。在对连续多源进行监测时，需要待湿球温度与环境平衡后再进行下一个源的测量。

2.4 压力传感器的影响

通过湿球温度计表面的气体压力是由设备压力传感器测出的，环境大气压力是由设备测出或现场直接输入的，由式（1-1）可知，压力对烟气湿度的测量有直接的影响。

所以，设备应选择精密度较高的压力传感器。若环境大气压为现场输入值，就要求监测人员现场根据压力表测量值输入，切不可在设备中不进行更改或直接输入标准大气压值进行监测。

2.5 加热采样管的影响

当烟气温度较低或水分含量较高时，水分可能会在采样管内冷凝而产生误差，为避免这种情况的发生，应对采样管进行保温或加热，以防止烟气温度降低达到露点温度而冷凝。

现场监测时，要根据测点处烟气的实际温度，通过调节采样管加热温度，避免进入干湿球室的烟气温度与采样处烟道内的烟气温度相差过大。实际操作中，采样管的加热温度应略高于测点处的烟气温度。

此外，有些监测设备采样管与干、湿球温度计之间用胶管连接，此处连接用的胶管要尽可能短，且管壁不宜过薄，以防止烟气温度过度下降。

2.6 储水盒水温的影响

储水盒是提供湿球纱套水分的来源，也是影响湿球纱套温度的因素之一（烟气温度是纱套温度的另一影响因素）。储水盒水温会影响湿球纱套的温度，纱套温度不同，湿球纱套水分的蒸发速度也会不同，对应湿球温度下的饱和水蒸气压力也不同，进而影响烟气湿度的测量结果。下表数据为在同一烟气环境，不同储水盒水温下的烟气湿度测量结果。

图1数据表明，储水盒水温会对烟气湿度测量结果产生影响，烟气湿度测量结果会随着储水盒水温升高而变大，两者之间呈正相关关系。

3 测量的限制范围

干湿球法是依据湿球中水分蒸发速度与被测气体湿度相关的原理建立的一种测量方法。水分的蒸发需要吸收湿球的热量，又导致湿球温度下降，因此湿球温度下降值与气体湿度大小相关，其相关关系服从计算式（1）。在以下几种条件下这种相关关系被破坏，该法的运用受到限制。

图1 储水盒水温对烟气湿度的影响

3.1 被测气体处于饱和状态时

根据干湿球法测量湿度原理，在被测气体处于饱和状态时，湿球水分不再蒸发，测量机理消失，不能用干湿球法测量这种状态下的气体的湿度。

在实际监测中，有的污染源排气本身湿度较大或烟气温度较高与烟道外界环境温差过大，这时就有可能出现烟气湿度饱和甚至过饱和现象，所以此时就要判断排气湿度是否为饱和状态。

本文根据饱和水蒸气压力表，计算出不同温度时的饱和状态的湿度，用以判断湿度是否为饱和状态，计算公式为：

式中：X—排气中水分含量体积百分数，%；

Pv—不同温度时的饱和水蒸气压力（由空气饱和时水蒸气压力表[3]中查得），Pa；

Ba—大气压力，Pa；

Ps—测点处排气静压，Pa。

根据日常监测经验，污染源排气静压Ps一般不会太大，故在绘制曲线时忽略，气压以标准大气压值计算。由此制成不同烟气温度时饱和含湿量曲线图2。由曲线图可知，曲线下方的区域为干湿球法测量烟气湿度的适用范围。

图2 不同烟气温度时饱和含湿量曲线

3.2 被测气体温度过高时

在实际监测中，有的污染源烟气温度过高，导致湿球温度升至100℃，这时湿球温度不再受气体湿度的影响，测量机理消失，因此不能用干湿球法测量这种状态下气体的湿度。

3.3 湿球水分蒸发殆尽时

在污染源烟气温度较高，湿球蒸发速度较快，或监测时间较长时，此时就要注意湿球纱套的水分。当湿球水分蒸发殆尽后，湿球温度明显上升，测量机理消失，必须给湿球补充水分后再进行测量。

4 不同方法的比较与分析

GB/T16157-1996中规定的湿度测量方法有冷凝法、重量法、干湿球法。近年来，随着现代微电子、微机械加工、计算机等技术的发展，出现了阻容法、电容法、激光法等多种湿度测量方法。

为了探讨干湿球法在不同工况条件下所测数据的准确性，通过查阅相关文献资料进行方法比对。文献中采用了干湿球法、重量法、阻容法、激光法对7个不同的污染源进行了比对，其中干湿球法所用仪器为3012H设备，与目前市场上普遍使用设备相同，具备可比性，结果如下[4]：

图3 污染源烟气监测时工况

图4 不同污染源4种测定方法湿度测量结果对比分析

由图中数据可知：干湿球法测定烟温在100℃以下烟气的湿度结果与其他3种方法相关性较好，能较准确的获得监测数据；干湿球法测定烟温在100℃以上烟气的湿度准确度差。

5 结语

污染源湿度监测中，干湿球法以其操作简单、易于维护、测试快速等优势在实际监测中应用最为普遍，但其同样存在影响测量准确性的因素及方法本身的局限性。

本文针对干湿球法，提出烟气湿度测量当中的一些注意事项，在实际监测中，首先应在方法的适用范围内测量，同时保证规范的操作方式，避免由于操作原因导致测量误差。