一种高速中温负压空气湿度的连续测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境监控领域，特别涉及了一种高速中温负压空气湿度的连续测量方 法。
【背景技术】
[0002] 1.目前的技术现状
[0003] 在计量中，湿度被定义为"物象状态的量"，湿度的表示方法很多，如绝对湿度，相 对湿度，露点温度，体积比等，相对湿度P表示一定温度下，空气接近饱和状态的程度。对于 中温环境的湿度测量，目前市场上使用偏多的还是露点湿度计。
[0004] 但由于在测量湿度的过程中。由于空气中含有大量的水滴，如果气流流速非常高， 且湿度传感器置于气流中，气流对传感器造成冲击的同时，由于速度的骤变，导致水汽温度 骤变，甚至会有水滴凝聚在传感器上，造成湿度传感器失真，从而无法得到气流的真实湿 度，综上所述，使用常规湿度传感器针对较高流动速度的空气进行测量时，存在较大的局限 性。因此目前市场中高端湿敏传感器可承受最大的风速也不过为20m/s。
[0005] 近几年，光纤湿度传感器有了较快的发展，它可适应高强度电磁辐射干扰和高污 染等特殊环境下的湿度检测。但光纤湿度传感器还不够成熟，其对测量环境温度和空气流 速的要求还有待研究。高速中等温度负压环境的流动空气的湿度检测是目前仍是一个技术 难点，采用现有常规湿度传感器对这种环境下的空气湿度进行直接测量是不可行的。
【发明内容】
[0006] 本发明基于下述理论基础：
[0007] 1、我国的湿度计量基准是基于质量混合比的定义建立的，湿度检测主要是检测空 气中水蒸气的含量；
[0008] 2、根据饱和水蒸气骨架表和ASHTAE、Houghton提出的水蒸气表，利用回归分析 法，拟合出〇°C以上的饱和水蒸气压方程；
[0009] 3、在工程应用中，空气的静态温度对湿度影响显著，通常，当含湿量恒为常数时， 相对湿度会随温度变化，温度升高，相对湿度就低，温度下降，相对湿度就高；
[0010] 4、将湿空气假设为理想气体；
[0011] 5、假设测量过程为绝热过程。
[0012] 以下对所用到的技术术语进行说明：
[0013] 质量混合比：是湿空气中所含的水汽质量与它共存的干空气质量的比值，用r表 示；
[0015] 式中ms--给定的湿空气中的水汽质量g ;
[0016] ma-与质量为ms的水汽共存的干空气质量g ;
[0017] 含湿量：每kg干空气中所含有的水蒸气量，用d表示；
[0019] 饱和湿空气：在一定温度下，单位体积湿空气中所含水蒸气的量达到最大限度时， 称此湿空气为饱和湿空气；
[0020] 水蒸气分压力：是指在湿空气中的水蒸气单独占有湿空气的体积，并具有与湿空 气相同温度时所具有的压力，用P q表示；
[0021] 饱和水蒸气分压：饱和湿空气所具有的水蒸气分压力称为饱和水蒸气分压，用Ps 表不；
[0022] 相对湿度：湿空气中的水蒸气分压力与相同温度下湿空气的饱和水蒸气分压力之 t匕，用切表不；
[0023] 其表达式如下所示：
[0025] 对于湿空气中的水蒸气和干空气别应用气体状态方程式，则由道尔顿分压力定律 有：
[0026] PqV = IiiqRJ (4)
[0027] PaV = HiaRJ (5)
[0028] 从中解出ms，ma代入含湿量的定义有：
[0030] 式中Rq--水蒸气气体状态参数；
[0031 ] Ra--干空气状气体态参数；
[0032] B--湿空气的总压，B = Pq+Pa ;
[0033] 湿度本身并不是一个独立的测量参数，它受很多因素的制约，且各影响之间相关， 湿度多数属于导出单位。本文技术现状中已经陈述，被测环境气流流速大于20m/s时，不满 足湿度传感器测量要求，使用现有湿度传感器无法实现对高速气流的相对湿度的直接准确 测量。
[0034] 间接测量原理是基于我国的湿度计量基准是基于质量混合比的定义建立的，试图 采用间接测量的方法，将测量气流流速降低至可测范围之内，测得该环境下的相对湿度，测 量过程保证气流含湿量不变化，依据含湿量和测量环境与原环境的压强的变化，对测量结 果进行补偿。
[0035] 其中，间接测量湿度传感器使用瑞士罗卓尼克温湿度传感器，其测量温度范围为 (TC一200°C ;误差补偿依据饱和和水蒸气骨架表和ASHTAE、Houghton提出的水蒸气表，利 用回归分析法，拟合出〇°C以上的饱和水蒸气压方程。
[0036] 以上间接测量相对湿度的方法可以归纳为：降低测量环境中的气流流速，通过测 得的相对湿度，推导气流含湿量，根据间接测量环境与原环的压强的变化，根据含湿量方程 和饱和水蒸气压方程对测量结果进行补偿。从而实现对高速中温负压环境气流的间接准确 的相对湿度测量。
[0037] 本发明的目的是为了实现高速中温负压环境下空气的湿度检测，特提供了一种高 速中温负压空气湿度的连续测量方法。
[0038] 本发明提供了一种高速中温负压空气湿度的连续测量方法，其特征在于：所述的 高速中温负压空气湿度的连续测量方法为，间接测量高速中温负压空气湿度的连续测量， 设计了一套测量装置，实现高速中温负压环境下空气的湿度检测；
[0039] 测量装置主要由真空泵、气体测量腔、冷却腔、加温器、湿度计、绝压表及电磁阀和 调节阀，保温装置组成；
[0040] 由于气流通道为负压，真空泵12的作用是将负压环境的被测气流抽吸至测量腔 6,测量腔6的作用是保温，降速，减小高速气流对湿度传感器4冲击的同时，满足传感器的 测量要求；冷却腔的作用是将被测中温气流与大气常温气流掺混，实现真空泵12对被抽吸 气体的温度要求；数据可上传中控，实现远程空置，实时监测，连续测量；
[0041] 真空泵12与调节阀1、测量腔6、冷却腔8及联接管路组成了抽吸装置，真空泵12 工作时可将被测环境中的气流抽至测量腔6 ;被测气流被抽吸流入测量腔6,出口体积膨 胀，气流速度降低，期望在湿度测量计4所在截面的来流速度降低至可测范围之内，温度计 7靠近湿度传感器4,以减小测量温度偏差；加温器5是保证测量腔6内的温度与来流气流 温度相同；被测气流流入冷却腔8,与流过调节阀9的大气常温气体在冷却腔内掺混，降低 气流温度，最后被抽入真空泵，排入大气。
[0042] 1)、根据测量段内的气流温度变化，选择合适的真空度；
[0043] 在测量装置中，尽管沿程管路及测量腔做保温处理，与测量腔相连的加温器5和 温度表7可以保证测量腔内的温度与气流通道内的温度相同，但是相对湿度只与气流的静 态温度有关；依据气体动力学可知，气流在管路中的流动，随着压强和速度的变化，气流本 身的静态温度也会变化；
[0044] 在真空泵的作用下，原测量环境与测量腔之间会形成一定的压差VP，气流则在测 量管路内速度逐渐变大；依据气体动力学知识，气流速度变化使得气流温度也会随着改变； 假设气流在管路流入测量腔的过程等效为绝热过程，且忽略气流通过调节阀及管路内的沿 程压力损失；测量管道的进出口温度和压强的关系为：
[0046] 式中T1--测量装置管路入口截面处的气流总温；
[0047] T2--气流流入测量腔的入口截面处的气流总温；
[0048] P1--测量装置管道入口截面处的气流总压强；
[0049] P2--气流流入测量腔的入口截面处的气流总压强；
[0050] k-绝热指数，理想气体k = 1. 4 ;
[0051] 假设气流通道为略小于大气压的负压环境，P1 = lOOOOOPa，T1 = 160°C，管道内流 速V = 180m/s为前提进行分析，测量腔压力表的绝压值调至IOkPa,则由以上公式（7)可 得：
[0052] T2 = 0. 97 X T1
[0053] 依据伯努利方程：
[0055] 式中V1--气流进入测量装置管道入口截面处的流速，测量管路引气口与管道避 免垂直，故取V 1 = 〇 ;
[0056] V2--气流进入测量腔的入口截面处的流速；
[0057] P1--气流进入测量装置管道入口截面处的气流密度；
[0058] p 2--气流进入测量腔的入口截面处的气流密度；
[0059] 由完全气体的状态方程：
[0061] 式中R--气体常数，假设为理想气体，R = 287J/kg · K
[0062] 则，P 1 = 0. 8047kg/m3,假设在抽吸过程中密度不随压强改变，则代入公式（8)可 得：
[0063] V2 = 157. 65m/s
[0064] 测量装置环境T = 160°C，此时的声速为
则，测量腔出口 的的马赫数为：
[0066] 查表气体动力学函数，气流静态温度T与气流总温f与马赫数的关系可知：
[0068] 此时，测量腔出口气体静温T' 2为：
[0069] T，2 = T2X τ (λ ) = 〇· 97Χ?\Χ τ (λ ) = 〇· 94?\
[0070] 式中Τ' 2--为测量腔气流静止温度；
[0071] T1-为被测管道内气流总温；
[0072] 由以上可知，实际气体总温度T1与测量腔气流静态温度T' 2存在一定误差，此误 差不可避免；
[0073] 测量腔出口气流参数随VJ3的变化结果如表1所示：
[0074] 表1绝压差V户对测量腔入口气流参数影响
[0075]
[0076] 在负压、中温环境稳定的条件下，随着绝压差VP的增大，被抽吸气体在