濕度發(fā)生器

從目前來(lái)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(lái)確定，對(duì)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(xué) P 、 v 、 T

關(guān)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(shí)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(guò)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(jìn)行混合。

3 膜滲透法 ，膜的一側(cè)是水，由于膜兩側(cè)的水汽分壓不同，于是水汽通過(guò)膜向另一側(cè)滲透?；蛇@一原理通常使用的方法是滲

透管配氣技術(shù)。

4 溫度固定點(diǎn)法 ，即平衡水汽壓法，這種方法是利用某些鹽類(lèi)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(xué)方法 。根據(jù)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(guān)。從發(fā)生器的工作原理，特點(diǎn)和適用的濕度范圍出發(fā)，飽和器可以設(shè)計(jì)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(xì)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

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(guò)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(guān)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(yàn)腔中的水汽分壓和氣體的總壓。那

末，據(jù)定義，在溫度 t 時(shí)，低壓下的氣體的相對(duì)溫度可按下式計(jì)算：

U=Pc/Ps*100

如果飽和器內(nèi)的溫度和試驗(yàn)室內(nèi)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(yàn)室的相對(duì)濕度可采用下式計(jì)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(yàn)腔溫度下的飽和水汽分壓。

雙壓通常由如下六個(gè)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(yàn)腔

（ 5 ）恒溫系統(tǒng)

（ 6 ）溫度和壓力的測(cè)量與控制系統(tǒng)


二、雙溫法

原理：ts 和 tc 分別為飽和器溫度和試驗(yàn)腔溫度，通過(guò)氣泵使氣流在飽和器與試驗(yàn)腔之間不斷循環(huán)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后，氣流

中的水汽達(dá)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(shè)氣體

為理想氣體，并且飽和器總壓力 P s 等于試驗(yàn)腔內(nèi)氣體的總壓力 P c ，那么，在溫度為 T c 的試驗(yàn)腔內(nèi)氣體的相對(duì)濕度可以用如

下式計(jì)算：

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

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

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * （Pc/Ps） * 100

基于兩個(gè)溫度原理設(shè)計(jì)的密閉式有多種不同的結(jié)構(gòu)形式。

三、低霜點(diǎn)

低霜點(diǎn)是一種專(zhuān)門(mén)用于低濕領(lǐng)域校正的能夠發(fā)生水汽含量低至 ppm 級(jí)（即低于百萬(wàn)分之一）氣體的設(shè)備。

同雙溫法相似，霜點(diǎn)制備已知濕度氣體的過(guò)程是一個(gè)等壓變溫過(guò)程。經(jīng)過(guò)充分干燥的氣體首先流經(jīng)一個(gè)熱交換器然后

進(jìn)入飽和器，換熱器和飽和器均浸沒(méi)在一個(gè)恒溫液體槽中。飽和器是一根螺旋形金屬盤(pán)管。管的內(nèi)表面為大約 1mm 厚的薄冰層所覆

蓋。通過(guò)飽和器的氣流距離冰層表面不超過(guò) 4mm 。在流速為 2L/min 時(shí)，氣體的平均傳質(zhì)時(shí)間大約 7s 。

干氣流經(jīng)過(guò)換熱達(dá)到槽溫而后進(jìn)入飽和器，因?yàn)槭箽饬鬟_(dá)到飽和所需的水汽量非常小，所以管內(nèi)冰的升華作用不會(huì)導(dǎo)致冰面溫度

明顯下降，另外，由于盤(pán)管足夠長(zhǎng)，氣體的飽和過(guò)程在盤(pán)管的前部就己完成，盤(pán)管其余部分只是作為飽和氣體zui后換熱之用。通過(guò)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(diǎn)溫度。

四 、分流法

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(jìn)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(jìn)入試驗(yàn)腔 C T ，zui后排入大氣。飽和器、混合室和試驗(yàn)腔浸在同一個(gè)恒溫槽中。

試驗(yàn)腔中的相對(duì)濕度是下列因素的函數(shù)：

（1） 通過(guò)飽和器的空氣的份數(shù)。

（2） 飽和器中的總壓力。

（3） 飽和水汽壓力。

（4） 試驗(yàn)腔中的水汽分壓力。

計(jì)算試驗(yàn)腔中相對(duì)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(duì)溫度不確定度一般在 1-3 ％范圍內(nèi)；所以在低溫下使用上述簡(jiǎn)化式完滿足方法的準(zhǔn)確度要求。

五、滲透法

滲透管的工作基礎(chǔ)就是依據(jù)膜滲透原理，水分子穿過(guò)管壁的滲透過(guò)程遵循 Fick 定律，

q=-D*S * （dP/dB）

式中， q: 滲透速率，

D ：滲透系數(shù)

S: 有效滲透面積，

dP/dB: 膜兩側(cè)水汽的壓力梯度，其中 B 為膜的厚度。

由上式可見(jiàn)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(cè)的水汽分壓差等

有關(guān)。

發(fā)生器輸出的標(biāo)準(zhǔn)氣的水分濃度按下式計(jì)算：

C=（q*V） / （F*Mv）

式中： C ——標(biāo)準(zhǔn)汽的水分濃度，單位為 ppmv

q ——標(biāo)定溫度對(duì)應(yīng)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(zhì)量，單位為 g/mol

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

和對(duì)流量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。發(fā)生器的準(zhǔn)確度取決于所用的滲透管滲透率標(biāo)定的不確定度、氣源的穩(wěn)定性、載氣流量測(cè)定的準(zhǔn)確度，以及恒溫精度。

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