濕度發(fā)生器裝置的應用及工作原理

               濕度發(fā)生器裝置的應用及工作原理

從目前來看，濕度發(fā)生器主要利用一下五種原理。

   1 改變已知濕度氣體（主要是指飽和濕氣）狀態(tài)的方法 。我們知道，氣體的狀態(tài)由壓力、溫度和體積來確定，對于飽和濕氣，如果狀態(tài)條件不變，那末水汽的含量是恒定的，反之，若狀態(tài)改變，水汽含量亦隨之改變。于是可以利用熱力學 P 、 v 、 T

關系配制出所要求的濕度的氣體，基于這一原理的方法有改變壓力的方法，即雙壓法；改變溫度的方法，即雙溫法；以及同時改變壓力和溫度的方法；

   2 混合法 ，它又可以分為混流法和分流法兩種。前者是將飽和濕氣或過熱蒸汽同干氣混合：后者是將一股干氣地按比例分為兩股，其中一股用水汽飽和，另一股仍保持干燥、而后進行混合。

   3 膜滲透法 ，膜的一側是水，由于膜兩側的水汽分壓不同，于是水汽通過膜向另一側滲透?；蛇@一原理通常使用的方法是滲透管配氣技術。

   4 溫度固定點法 ，即平衡水汽壓法，這種方法是利用某些鹽類或其它化合物（例如硫酸和甘油）的水溶液在一定的條件下其氣相中的水汽分壓保持恒定的原理。

  5 化學方法 。根據定比定律，氫和氧在催化劑存在的情況下能按比例地化合，生成定量的水。

    飽和器是這些發(fā)生器結構的重要組成部分，是發(fā)生含有飽和水汽的濕空氣的裝置，因此，建立在發(fā)生飽和濕氣基礎上的各種恒濕氣體發(fā)生器，其性能與飽和器的效率密切相關。從發(fā)生器的工作原理，特點和適用的濕度范圍出發(fā)，飽和器可以設計成多種形式，主要有（1）鼓泡式（2）噴霧式（3）塔板式（4）管式（5）離心式（6）“迷宮”式，這里不再詳細介紹，有興趣可與編者。

下面介紹幾種典型的濕度發(fā)生器

一、雙壓法濕度發(fā)生器

  原理：氣體在加壓狀態(tài)下被水汽飽和然后減壓膨脹。假如氣體在飽和、膨脹過程溫度保持恒定，并服從理想氣體定律，那末由道爾

頓定律可得到如下關系式：

    式中 e w 和 P s 分別為飽和器中的飽和水汽分壓和氣體的總壓， e c 和 P c 分別為試驗腔中的水汽分壓和氣體的總壓。那

末，據定義，在溫度 t 時，低壓下的氣體的相對溫度可按下式計算： 

U=Pc/Ps*100

    如果飽和器內的溫度和試驗室內的溫度也不相同，即變成既改變壓力也改變溫度的情況，則試驗室的相對濕度可采用下式計算。

U=（Pc/Ps） * （ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

式中 ew（Ts） 和 ew（Tc） 分別為飽和器和試驗腔溫度下的飽和水汽分壓。

雙壓濕度發(fā)生器通常由如下六個部分組成

（ 1 ）氣源系統(tǒng)

（ 2 ）載氣干燥系統(tǒng)

（ 3 ）飽和器系統(tǒng)

（ 4 ）試驗腔

（ 5 ）恒溫系統(tǒng)

（ 6 ）溫度和壓力的測量與控制系統(tǒng)

二、雙溫法濕度發(fā)生器

    原理：ts 和 tc 分別為飽和器溫度和試驗腔溫度，通過氣泵使氣流在飽和器與試驗腔之間不斷循環(huán)，經過一定時間之后，氣流中的水汽達到飽和狀態(tài)。 e w （T s ） 是在溫度 T s 下的飽和水汽壓力， e c 是在較高溫度 T c 下的飽和水汽壓力。

假設氣體為理想氣體，并且飽和器總壓力 P s 等于試驗腔內氣體的總壓力 P c ，那么，在溫度為 T c 的試驗腔內氣體的相對濕度可以用如

下式計算：

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

    在 Ps 和 Pc 不一致時，特別是在氣流速度較高的情況下，就需要考慮進行壓力修正，

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * （Pc/Ps） * 100

    基于兩個溫度原理設計的密閉式濕度發(fā)生器有多種不同的結構形式。

三、低霜點濕度發(fā)生器

    低霜點濕度發(fā)生器是一種專門用于低濕領域校正的能夠發(fā)生水汽含量低至 ppm 級（即低于百萬分之一）氣體的設備。

    同雙溫法相似，霜點濕度發(fā)生器制備已知濕度氣體的過程是一個等壓變溫過程。經過充分干燥的氣體首先流經一個熱交換器然后進入飽和器，換熱器和飽和器均浸沒在一個恒溫液體槽中。飽和器是一根螺旋形金屬盤管。管的內表面為大約 1mm 厚的薄冰層所覆蓋。通過飽和器的氣流距離冰層表面不超過 4mm 。在流速為 2L/min 時，氣體的平均傳質時間大約 7s 。

    干氣流經過換熱達到槽溫而后進入飽和器，因為使氣流達到飽和所需的水汽量非常小，所以管內冰的升華作用不會導致冰面溫度明顯下降，另外，由于盤管足夠長，氣體的飽和過程在盤管的前部就己完成，盤管其余部分只是作為飽和氣體Z后換熱之用。通過飽和器的氣體不存在明顯的壓力降。飽和器出口端氣體的溫度與飽和器的溫度相同或十分接近，所以這一溫度可視為氣流的霜點溫度。

四 、分流法濕度發(fā)生器

    原理：干氣源（一般是干空氣）的氣體按一定的比例分成兩部分，一路進入飽和器 S ，被飽和的氣流在混合室 C M 中同另一股干氣混合，而后進入試驗腔 C T ，Z后排入大氣。飽和器、混合室和試驗腔浸在同一個恒溫槽中。

試驗腔中的相對濕度是下列因素的函數：

（1） 通過飽和器的空氣的份數。

（2） 飽和器中的總壓力。

（3） 飽和水汽壓力。

（4） 試驗腔中的水汽分壓力。

計算試驗腔中相對濕度的公式：

U=100 * X / [1-（1-X） es/Ps ]

式中，X分流比，es為飽和器中的水汽分壓力， Ps為飽和器中的總壓力。

分流法的相對溫度不確定度一般在 1-3 ％范圍內；所以在低溫下使用上述簡化式完滿足方法的準確度要求。

五、滲透法濕度發(fā)生器

    滲透管的工作基礎就是依據膜滲透原理，水分子穿過管壁的滲透過程遵循 Fick 定律，

q=-D*S * （dP/dB）

式中， q: 滲透速率，

D ：滲透系數

S: 有效滲透面積，

dP/dB: 膜兩側水汽的壓力梯度，其中 B 為膜的厚度。

    由上式可見滲透速率與膜的材料及其密度、厚度、有效滲透面積、材料的物理特性（如親水或憎水）以及膜兩側的水汽分壓差等

有關。

    發(fā)生器輸出的標準氣的水分濃度按下式計算：

C=（q*V） / （F*Mv）

式中： C ——標準汽的水分濃度，單位為 ppmv

q ——標定溫度對應的滲透率，單位為μ g/min

V ——水汽的摩爾體積，單位為 L/mol

F ——干載氣流量，單位為 L/min

Mv ——水的摩爾質量，單位為 g/mol

    由上可知，載氣的干燥程度及其流量會直接影響輸出氣體的濕度量值。因此，載氣必須經干燥系統(tǒng)充分干燥，同時要求氣源穩(wěn)定

和對流量進行準確的測量。發(fā)生器的準確度取決于所用的滲透管滲透率標定的不確定度、氣源的穩(wěn)定性、載氣流量測定的準確度，以及恒溫精度。