环境试验设备湿度的测量及控制概述

环境试验设备湿度的测量及控制概述

王均天,覃光来,雷庆满

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州 545000

摘要　本文介绍了湿空气的状态定义及常用湿度的表示方法，干湿球法进行相对湿度计算的推导过程，饱和水蒸气压力经验公式的选择，干湿球系数的确定，以及通过含湿量进行局部空间湿度控制的基本原理。

关键词　湿空气、相对湿度、含湿量、干球温度、湿球温度、饱和水蒸气分压力

0　引言

空气湿度是用来表示空气中水蒸气含量的物理量，可以表征环境的潮湿程度，是一个重要的环境参数。在工业生产和产品研发过程中，潮湿环境对产品和设备的外观性能和理化性能会产生重大影响，严重的导致设备功能性失效。基于此类问题，温湿度环境试验设备应运而生，在工程试验及产品可靠性测试中发挥着极其重要且不可替代的作用。因此，对湿度进行测量、计算以及局部范围的精准控制就变得意义重大。

1　湿空气状态定义

水三态转化之间存在一个动态平衡的状态称之为饱和状态，饱和状态对应的压力p和温度t的称为饱和压力和饱和温度，如图1所示。

图1水的相图

以气态水（即水蒸气）为研究对象，从p-t相图上看，AB段为气固两态的相平衡线，BC段为气液两态的相平衡线，相平衡线ABC上各点所对应的压力值即称为水蒸气的饱和压力，对应的温度值即为水蒸气的饱和温度。反之，当水蒸气压力值等于饱和压力，且温度值等于饱和温度时，水蒸气处于饱和状态。

湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合物，当湿空气中的水蒸气处于未饱和状态（过热状态）时，称之为未饱和湿空气；当湿空气中水蒸气处于饱和状态时，称之为饱和湿空气。根据理想气体的分压定律，湿空气的总压力p等于干空气分压力pa和水蒸气分压力pv之和，如果湿空气来自自然环境，总压力即为大气压力pb。

2　湿度的表示方法

目前常用的湿度表示方式很多，物理类湿度量主要有：相对湿度（%RH）、露点温度（℃）、绝对湿度（kg/m3）、水蒸气分压力（Pa）、含湿量（Kg/kg）等。其中露点温度、含湿量等参数在测量过程中与温度无关，仅与压力有关；而相对湿度、绝对湿度、水蒸气分压力等参数则与温度、压力均有关。相对湿度是人们最熟知、应用最广泛的湿度量，最能直观表示空气干燥程度的参数，通常环境试验设备的测量显示和计量校准均采用该定义。露点温度和含湿量由于是水蒸气分压力的单值函数，便于编程应用，更多应用在湿度控制方面。

2.1 相对湿度

相对湿度φ是指同样温度和压力条件下，湿空气中实际水蒸气分压力pv与饱和水蒸气分压力ps(t)的比值，用百分比表示。相对湿度的表示必须给定环境温度t，否则示值意义不明。

（1）

其值介于0到1之间，直接反映了湿空气的吸湿能力和水蒸气含量接近饱和的程度，相对湿度也叫饱和度。1式仅适用于饱和蒸气压≤总压力的情况，否则相对湿度另有定义，本文不涉及故不做描述。

2.2 含湿量

含湿量d是指在一定的大气压力下，1kg干空气所携带的水蒸气的质量，单位为kg（水蒸气）/kg（干空气），含湿量又称比湿度。气体质量通过物质的量n和气体摩尔质量M换算以后，再根据理想气体分压力定律（混合气体各组元摩尔数之比等于分压力之比），可转换得出含湿量的表达式：

（2）

式中，Mv=18.01610-3kg/mol，Ma=28.9710-3kg/mol，p为湿空气总压力（一般指大气压力），由2式可知湿空气的含湿量只取决于水蒸气的分压力pv。

3　相对湿度的测量

理论上，根据相对湿度的定义，已知实际水蒸气压力pv和饱和水蒸气压力ps即可计算得到空气的相对湿度。其中，ps值可以根据饱和水蒸气表查出，或根据经验公式计算（下文细述）；而pv值取决于空气中的含湿量d，这两个参数均是很难直接获取。因此，实际上相对湿度很难通过定义式直接获得。

常见的湿度测量方法有干湿球法和电子式传感器法。干湿球法不适用于低湿（＜20%RH），电子传感器不适用于高温（＞100℃），在环境试验设备中两种方法通常配合使用。两者相比结果如表1所示[8]：

表1 两种测湿方法对比

3.1 干湿球法

干湿球测湿法是一种间接测量的方法，根据测得的干湿球温度进行计算得到相对湿度值，因此计算公式及参数的选用直接影响最终结果的精度，本文对干湿法测湿原理以及相关参数的确定方法作详细介绍。

测量时两只精度相同的温度计，其中一支的感温头包上纱布，纱布下端浸入水中，在水分子作用下，整个纱布处于润湿状态，此温度计称为湿球温度计，测得的温度为空气的湿球温度tw。另一支不包纱布的称为干球温度计，测得的温度即为空气实际温度t。

测量刚开始时，湿球温度计上纱布中水分温度和空气温度相等。随着未饱和湿空气流经湿球表面，湿纱布中水分开始汽化扩散进湿空气，汽化所需热量Q2来自水分本身，使得湿纱布上水分温度下降；湿纱布和湿空气逐渐形成温差（t-tw），导致湿空气向湿纱布中水分传递热量Q1，传热速率随着温差增大而提高，直到单位时间内湿空气向湿纱布传递的热量Q

1等于湿纱布表面水分汽化所需热量Q2时，湿纱布中水分温度不再降低，达到平衡，即测得最终湿球温度tw。因此湿球温度取决于周围湿空气的饱和程度，饱和程度越低，湿纱布中水分汽化所需热量越大，湿球温度越低。相反，若湿空气已达饱和状态，湿纱布中水分无法汽化，湿球温度等于干球温度。由此可得，干湿球温差可以代表湿空气的饱和程度（相对湿度）。

图2干湿球湿度计原理图[1]

因为湿空气流量大，湿纱布的表面积小，湿空气向纱布的传热和从湿纱布汽化的水分对主流湿空气的温度t和含湿量d的影响可以忽略。根据牛顿热传导公式，空气传递给湿球的热量为：

  (5)

式中，h为对流换热表面的传热系数，W/ ( m2·℃ )，t为干球温度，tw为湿球温度，S为空气和湿纱布的接触表面积（m2）。

根据道尔顿蒸发定律，湿球纱布上水分蒸发量为：

 (6)

式中，为空气与湿球间的传质系数，kg /( m2 ·s)，S同5式，为湿球温度下的饱和水蒸气压力（Pa），为实际水蒸气压力（Pa），p为实际大气压（Pa）。

湿球纱布上水份蒸发的耗热量Q2=W，γ为湿球温度下水的汽化潜热，kJ/ kg，由此得出：

 （7）

当湿热交换达到平衡时Q1= Q2，可得：

（8）

式中， A=h/，定义为为干湿球系数，℃-1。 根据相对湿度的定义，将8式带入得到：

（9）

式中ps(t)为干球温度下的饱和水蒸气压力（Pa）。由此可知，计算相对湿度所需要的参数有t、tw、ps、A和p，其中t、tw、p均可直接测量所得，关键在于确定A和ps值。

干湿球系数A取决于湿球与空气间的传热传质特性，受温度、风速以及接触面尺寸和形状等因素的影响，是空气流速v和湿球温度tw的函数。A值随tw的升高而增大，随v的增大而减小，且减幅渐小，风速越大A值趋于稳定。其值无法直接通过仪器测得，一般通过经验公式计算得到，目前常用经验公式有三类：1、基于风速v，2、基于温度t，3、基于流速v和温度t综合考虑。结合环境试验最新国标的要求，以及经验公式常用性和权威性考量，本文选用基于风速v的经验公式[5]：

 (10)

此公式最佳温度适用范围在20℃～40℃，另外为了减小空气流速对A值的影响，通常要求风速v＞3m/s。

饱和水蒸汽分压力ps可以通过查表、查图或公式计算三种方法获得。在一般设计手册中，常以表格的形式给出在不同温度下的饱和水蒸汽分压力的值，或者以曲线的形式在焓湿图（h-d图）上给出饱和曲线，给定温度可以查表或查图获得对应值。但是表格给出的数据并不连续，介乎两个温度点之间的温度所对应的ps值则需通过插值法近似求得；查图法采用近似估计，精度更低；使用要求较高的情况，查表法或查图法无法满足要求。

利用函数关系进行任意温度对应的饱和蒸气压的计算，无论从编程便利性还是精度方面，都会有较大改善。ps=f(t)函数关系目前无法进行直接的数学推导，更多是利用试验数据反向进行回归拟合而得的经验公式，想要提升计算结果的精确度，关键就在选取最合适的经验公式。

饱和蒸气压计算公式众多，目前国内外最常用的有8种：1）Goff-Gratch公式，2）Hyland-Wexler公式，3）Tetens公式，4）Magnus公式，5）纪利公式，6）Buck1996公式，7）Antoine公式[1]，8）Marti Mauersberger公式。根据文献6的计算对比，考虑使用广泛度和权威性，本文选用Goff-Gratch公式进行计算[6]：

当T＞273.15K时

（11）

当T＜273.15K时

（12）

式中T为热力学温标，K，ps单位为hPa。

除此之外，Buck1996公式准确度接近Goff-Gratch公式，公式更为简洁，缺点是国内使用度不高，不利于传感器的检定校准和相互间比对，计算时可选备用[7]。

3.2 电子式传感器法

电子式湿度传感器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，采用标准湿度发生器进行标定后，可直接用于相对湿度的测量，其测量允差最高可达到±1.5％。

电子式湿度传感器采用半导体技术，因此对使用的环境温度有严格要求超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏，即使在温度使用范围内，不同温度条件也需要对测量结果进行温度补偿，补偿量由传感器内部电路根据温度变化自动完成[10]。

4、环境试验设备湿度的控制

根据相关法规和标准要求，环境试验设备默认的输入输出参数通常是环境温度t和相对湿度φ，设备配备相关测量传感器进行直接测量和显示。由于相对湿度受环境温度影响，而且不能直接和加湿量、除湿量相关联，直接作为被控量，控制逻辑较复杂，因此一般将其换算成利于控制的参数来进行系统设计。由前文可知，露点温度td和含湿量d只受水蒸气分压力pv影响，控制系统通常选用这两个参数作为被控量，露点控制和含湿量控制逻辑基本一致，而含湿量的换算更加简便，本文选用含湿量控制的方式进行介绍。

4.1 含湿量控制过程

环境试验设备含湿量控制的基本原理，就是用户通过交互界面给定目标值t0和φ0，系统将目标值换算成d0作为指令信号，实测环境值t1和φ1换算成d1作为反馈信号，干扰量通过测量、估算等方式换算成d2作为干扰信号，d0、d1、d2经过控制器计算比较后得到目前环境含湿量和目标含湿量的偏差值e，根据偏差值e控制加湿系统和除湿系统对舱内含湿量进行不断调整，直到舱内实测环境值t1和φ1达到给定值的允差范围t0±σ温和φ0±σ湿（σ为设备控制精度），最终保持在一个动态平衡的状态。

图3 环境试验设备湿度控制原理图

其中含湿量的换算由1式和2式可得：

 （13）

式中ps为环境温度t下的饱和水蒸气压力（Pa），p为大气压（Pa），一般试验舱配备压力平衡窗口调节舱内总气压。

整个过程分为两个阶段，加湿/除湿阶段即系统从当前状态运行到设定状态的过程，此时的控制量偏差来源于输入的d0、实测的d1、内外部干扰d2,；稳定运行阶段即保持设定状态持续运行的过程，此时的控制量偏差来源只有内外部干扰d2。两个阶段所需水蒸气的调节量各不相同，而且含湿量都处于动态变化的状态，控制系统的设计非常关键，目前常用技术是模糊自适应PID控制技术，简易原理见图4[8]。

图4模糊PID控制原理图[8]

4.2 加湿量/除湿量的计算

设定环境试验设备试验舱的容积为V（m3），舱内干空气分压力为pa=p-pv（Pa），舱内环境温度为T=t+273.15（K），Rga为1kg干空气的气体常数，其值为287.05J/(kg.K)。根据理想气体状态方程可得干空气质量ma：

  （14）

根据含湿量偏差值可以计算出试验舱内水蒸气的调节量：

  （15）

是一个实时变化量，控制系统经过复杂计算后，调节加湿量和除湿量的代数差（W1-W2），匹配试验舱内水蒸气的调节量需求，即可实现相对湿度的控制。

5、结语

空气湿度的表达方式有很多种，根据法规和标准要求，一般采用相对湿度的定义。相对湿度的测量过程中计算方法的选取直接影响结果的准确性，测量的准确性是保证湿度控制精度的前提条件。由于相对湿度是和环境温度关联的参数，直接用作环境试验设备的被控量会使控制程序变得复杂且不易精确控制，所以将环境温度和相对湿度换算成含湿量以后，以含湿量为被控量的湿度控制方式，可以轻松实现温度和湿度的独立控制，避免温度和湿度调节过程的相互影响。相对湿度得以准确测量和精准控制，才能保证环境试验的有效性。

参考文献

[1] 沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].第三版,高等教育出版社.

[2] 严家，余晓福，王永青.水和水蒸气热力性质图表[M].3版.北京：高等教育出版社,2015.

[3] GB /T 6999－2010《环境试验用相对湿度查算表标准》［S］.国家质量监督检验检疫总局. 北京: 中国标准出版社，2010: 4 ～ 5.

[4] GB /T 11605－2005《湿度测量方法》［S］. 国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.北京: 中国标准出版社，2005: 13 ～ 24.

[5] 王云鹤，程志明，金士英，等.干湿球系数影响因素分析与试验研究[J].计量与测试技术,2018,45(11)：6-9.

[6] 周西华，梁 茵，王小毛，等.饱和水蒸汽分压力经验公式的比较[J].辽宁工程技术大学学报,2007(6)：20-24.

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[8] 刘文斌，曹广忠，李永光，等.温湿度环境试验设备的现状及发展[J].现代制造工程,2013(11)：133-139.

[9] 李振杰.湿度测量方法研究[J].计量与测试技术,2011,38(6):41-42,44.

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