CN103712882B - 测量高温高压高湿气体湿度的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量高温高压高湿气体湿度的方法和系统。针对现有的气体湿度测量方法与仪表存在的不足与缺陷，本发明的目的和任务是提供一种高温高压高湿气体湿度测量新方法（包括含有饱和蒸汽的气体），即通过对高温高压气体的降压稳压且保温加热的处理，在较低压力下测试蒸汽含量，再通过温度压力的转换计算得到原气体的湿度和相关参数的测量方法。还公开了测量高温高压高湿气体湿度的系统。
Description
技术领域
本发明涉及气体状态参数测量技术领域，更具体地，涉及一种测量高温高压高湿气体湿度的方法。
背景技术
湿度测量在人类生活和生产活动中应用频繁，随着技术的进步，湿度测量已经遍及工农业、国防和科技领域。各类湿度测量仪器广泛使用于石化、微电子、通信、气象、电力、环境监测、制药、建筑、空调、军工航天、烟草、汽车等行业。
现代湿度测量技术主要集中在机械式（毛发式和高分子弹性元件式）、干湿球式（阿斯曼式和自然通风式）和湿度传感器式（高分子电容式和电阻式）。另外20世纪90年代发展起来的冷镜式露点仪也是测量湿度的良好方法，且由于其精度较高，作为世界气象组织（WMO）的湿度最高标准。
基于以上测量原理的湿度测量，测量范围最大的为电容式和电阻式湿度传感器。电阻式湿度传感器主要包括电解质式（氯化锂等）、陶瓷式（四氧化三铁等）和碳膜式，它们的各项技术性能都不如高分子电容式。电容式感湿层多为聚酰亚胺高分子薄膜，也有陶瓷电容式、氧化铝电容式等形式。高分子感湿元件适用温度范围-60℃~180℃，湿度测量范围为0%RH~99%RH，现有技术最高准确度可达0.8%RH。
用户对湿度测量仪器的环境适应性和测量精度等要求越来越高。尤其在石化、电力、航天、核能和汽车等领域，测试环境相对恶劣，普便存在高温高压高湿的湿度测量需求。
虽然高分子电容式湿度测量技术成熟，且测量环境已经标称达到：温度范围-60℃~180℃，湿度测量范围为0%RH~99%RH，准确度可达0.8%RH。但是其中混淆的一个概念是高温和高湿是否同时存在。在高温和高湿同时存在的情况下其能否准确测试。要解释这个问题，还要回归到测量原理和仪表信号处理及标定的过程。各类湿度测量仪表虽然测量原理不同，但是在研究或生产计量产品过程中都是将感湿元件置于稳定环境（温、湿度）中，将其产生的机械变形或电信号等与湿度环境对应，这个过程和湿度传感器校准过程恰好相反，但是两者的湿度环境应为同一级别。
目前国内主要采用JJF1076-2001《湿度传感器校准规范》，其通过标准湿度发生器产生标准湿度环境。湿度发生器的湿度范围：（5~95）%RH；温度范围：5~50℃；压力：常压。在此标准湿度环境中，其最大的蒸汽分压力是在湿度95%RH。温度50℃时，查饱和蒸汽压力表可知在50℃时，饱和蒸汽压力为12.378kPa，如相对湿度95%RH，其蒸汽分压力为11.759kPa。这也就意味着其感湿元件的最高蒸汽分压标定值为11.759kPa，对于更高的蒸汽分压不一定适用。国外一些产品也有通过更高温度标准的湿度发生器标定，但现有最高标准都限于常压环境，即使在100%RH湿度下，其蒸汽分压最高达到101.325kPa,所以理论上讲，湿度传感器测量蒸汽分压的范围应在101.325kPa以内。同时在蒸汽接近饱和状态时会有结露，易导致湿度传感器触水失效。所以理论上讲，湿度传感器测量相对湿度的范围达不到100%RH。
对于高温高压气体，其蒸汽分压可能相当高，也有可能接近于混合气体压力。例如气体压力5atm，湿度80%RH，温度120℃时，蒸汽分压为159.732kPa。此时显然蒸汽分压已经大大超过了101.325kPa，感湿元件的线性度都不确定，所以笼统的说湿度传感器技术已经达到温度测量范围-60℃~180℃，湿度测量范围为0%RH~99%RH，准确度可达0.8%RH是不恰当的。而如何测量高温高压高湿环境下（包括饱和蒸汽）的湿度正是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明适用于测量温度高于100℃，压力高于大气压的空气（气体）湿度。
针对现有的气体湿度测量方法与仪表存在的不足与缺陷，本发明的目的和任务是提供一种高温高压高湿气体湿度测量新方法，即通过对高温高压气体的降压稳压且保温加热的处理，在常压下测量蒸汽含量，再通过温度压力的转换计算得到原气体的湿度和相关参数的测量方法。
本发明的目的和任务是通过如下技术方案来实现：
一种高温高压高湿气体湿度的在线测量方法，其特征在于该方法采用降压加热的处理方式，其测量步骤如下：
1）设置取样管路进入高温高压高湿气体压力容器内部取样点；优选地，取样管路包括降压稳压阀和尾端的针阀；
2）在取样管路入口附近设置温度传感器、压力传感器，测量原气体温度T0、压力P0；
3）取样管路伴热且温控，温度控制范围较宽泛，保证管路内蒸汽不发生冷凝（大于110℃）且不超过湿度传感器最高工作温度180℃，使气体通过优选地位于取样管路入口的降压稳压阀降压后的相对湿度和温度保持在湿度传感器的较高精度测量范围内；
4）气体通过取样管路入口的降压稳压阀降压到略高于常压（表压0.1~0.4atm），且调节尾端的针阀以排气，从而形成适宜湿度测量的流动状态，且使管路内压力相对稳定；
5）降压后气体优选地经过螺旋管段，提高气体混合均匀性；
6）通过温湿度传感器和压力传感器分别测量管路内气体的温度T1、蒸汽分压e1和压力P1；
7）数据采集系统采集原气体温度T0，压力P0，降压后的气体温度T1、蒸汽分压e1和压力P1各类信号，进而进行热力学计算，得到原气体的蒸汽分压e0，还能得到原气体和降压后气体对应的饱和蒸汽压E0、E1，相对湿度等参数。该热力学计算优选地通过设定软件实现。具体关系式和计算如下：
(1)
(2)
(3)
从式（1）可以看出，通过原气体压力P0，降压后气体压力P1和降压后测得的蒸气分压e1即可得到原气体蒸汽分压力；式（2）通过降压前后测得的温度可得到其对应的饱和蒸汽压，进而通过式（3）计算得到降压前后的相对湿度值。
附图说明
图1是根据本发明实施例的测量系统的示意图。
具体实施方式
实施例1（高温高压高湿气体湿度测量）：
根据附图1布置温度、压力和湿度测点。其中，温度传感器7和湿度传感器8也可以是一个温湿度传感器。伴热保温管路11温度值设定为110℃，降压稳压阀3设定降压值为绝压1.2atm。降压稳压阀优选地设置在管路的入口处。调节优选地设置在管路的尾端的排放装置的开度使气体以较小流量排放。该排放装置优选是针阀10。此时测得降压后蒸汽分压力e1=0.849atm；温度T1=108℃；压力P1=1.21atm；同时测得压力容器内温度T0=160℃；压力P0=4.3atm。
根据测得的各参数，计算被测高温高压高湿气体的湿度等参数的方法步骤如下：
按照公式（1），计算得到：
原高温高压高湿气体的蒸汽分压为e0=3.017atm；
按照公式（2）
计算得到：
原气体温度160℃对应的饱和蒸汽压：E0=618183.825Pa=6.101atm
降压后管路内温度108℃对应的饱和蒸汽压：E1=134053Pa=1.323atm
按照公式（3）计算得到：
原气体的的相对湿度为：=49.45%RH；
降压后气体的相对湿度为：=64.17%RH。
如果湿度传感器测得的是相对湿度可利用公式（2）和（3）反推得到蒸汽分压e1，同样可以得到原气体的相对湿度。
实施例2（饱和且含有部分冷凝水的气体分析）：
实施例2与实施例1类似，两者相同的部分不再赘述。根据附图1布置温度、压力和湿度测点。其中，温度传感器7和湿度传感器8也可以是一个温湿度传感器。伴热保温管路11温度值设定为120℃，降压稳压阀3设定降压值为绝压1.2atm。调节针阀10开度使气体以较小流量排放。此时测得降压后蒸汽分压力e1=0.915atm；温度T1=120℃；压力P1=1.20atm；压力容器内温度T0=140℃；压力P0=6.0atm。
根据测得的各参数，计算被测高温高压高湿气体的湿度等参数的方法步骤如下：
按照公式（1），计算得到：
原高温高压高湿气体的蒸汽分压为e0=4.575atm
按照公式（2）
计算得到：
原气体温度140℃对应的饱和蒸汽压：E0=362946.15Pa=3.582atm
公式（1）得到的蒸汽分压力要大于公式（2）得到的饱和蒸汽压，证明在降压保温加热过程中蒸汽量增加，说明原气体混合状态中含有雾状液态水。同时也证明原气体为饱和蒸汽。
附图标记列表
1：高温高压容器
2，7：温度传感器
3：降压稳压阀
4，9：压力传感器
5：压力容器
6：采集处理系统
8：湿度传感器
10：针阀
11：伴热保温管路
12：螺旋管段
Claims (9)
1.一种测量高温高压高湿气体湿度的方法，包括如下步骤：
1）提供取样管路，所述管路伴热且温控，其包括降压稳压阀和设于尾端的排放装置；
2）设置所述管路以进入高温高压高湿气体压力容器内部取样点；
3）在所述管路入口附近设置温度传感器、压力传感器，以测量原气体温度T0、压力P0；
4）所述管路的温度控制保证管路内蒸汽不发生冷凝且不超过湿度传感器最高工作温度，使得气体通过所述降压稳压阀降压后的相对湿度和温度保持在所述湿度传感器的较高精度测量范围内；
5）气体通过所述降压稳压阀降压到比常压高0.1~0.4atm的压力，且调节所述排放装置以排气，从而形成适宜湿度测量的流动状态，且使管路内压力相对稳定；
6）通过温湿度传感器和压力传感器分别测量管路内气体的温度T1、蒸汽分压e1和压力P1；
7）采集原气体温度T0，压力P0，降压后的气体温度T1、蒸汽分压e1和压力P1，进而进行热力学计算，计算公式为：
从而得到原气体的蒸汽分压e0，以及原气体和降压后气体对应的饱和蒸汽压E0、E1，和对应的相对湿度，其中E指的是饱和蒸汽压，e指的是蒸汽分压，T指的是气体温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，所述管路包括位于所述降压稳压阀和所述排放装置之间的螺旋管段，使降压后气体经过所述螺旋管段，从而提高气体混合均匀性。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管路的温度控制保证管路内蒸汽的温度大于110℃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述排放装置为针阀。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述降压稳压阀设置在所述管路的入口处。
6.一种用于测量高温高压高湿气体湿度的系统，包括：
高温高压高湿气体压力容器，所述高温高压高湿气体容纳在其中；
取样管路，所述管路伴热且温控，其包括降压稳压阀和设于尾端的排放装置，所述管路被部分地设置在所述高温高压高湿气体压力容器内；
在所述管路入口附近设置在所述高温高压高湿气体压力容器内的温度传感器、压力传感器；
设置在所述管路中用于分别测量管路内气体的温度、蒸汽分压和压力的温湿度传感器和压力传感器；
数据采集系统，其采集原气体温度、压力，降压后的气体温度、蒸汽分压和压力，进而进行热力学计算，以得到原气体的蒸汽分压，以及原气体和降压后气体对应的饱和蒸汽压，和对应的相对湿度。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述管路包括位于所述降压稳压阀和所述排放装置之间的螺旋管段。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述排放装置为针阀。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述降压稳压阀设置在所述管路的入口处。
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