CN105319145B - 一种高速中温负压空气湿度的连续测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高速中温负压空气湿度的连续测量方法，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，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；由于气流通道为负压，真空泵的作用是将负压环境的被测气流抽吸至测量腔，测量腔的作用是保温，降速，减小高速气流对湿度传感器冲击的同时，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。本发明的优点：能够实现对高速负压中温环境的气流进行连续性湿度精准检测。检测精度高，避免重复测量，降低检测成本。

Description

一种高速中温负压空气湿度的连续测量方法

技术领域

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

1.目前的技术现状

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。

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。

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在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

本发明基于下述理论基础：

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；

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0℃以上的饱和水蒸气压方程；

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；

4、将湿空气假设为理想气体；

5、假设测量过程为绝热过程。

以下对所用到的技术术语进行说明：

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；

式中m_s——给定的湿空气中的水汽质量g；

m_a——与质量为m_s的水汽共存的干空气质量g；

含湿量：每kg干空气中所含有的水蒸气量，用d表示；

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；

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；

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p_s表示；

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比，用表示；

其表达式如下所示：

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：

P_qV＝m_qR_qT (4)

P_aV＝m_aR_aT (5)

从中解出m_s，m_a代入含湿量的定义有：

式中R_q——水蒸气气体状态参数；

R_a——干空气状气体态参数；

B——湿空气的总压，B＝P_q+P_a；

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。

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。

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0℃—200℃；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0℃以上的饱和水蒸气压方程。

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。

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。

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；

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；

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；

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。

1)、根据测量段内的气流温度变化，选择合适的真空度；

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；

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：

式中T₁——测量装置管路入口截面处的气流总温；

T₂——气流流入测量腔的入口截面处的气流总温；

P₁——测量装置管道入口截面处的气流总压强；

P₂——气流流入测量腔的入口截面处的气流总压强；

k——绝热指数，理想气体k＝1.4；

假设气流通道为略小于大气压的负压环境，P₁＝100000Pa，T₁＝160℃，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10kPa，则由以上公式(7)可得：

T₂＝0.97×T₁

依据伯努利方程：

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V₁＝0；

V₂——气流进入测量腔的入口截面处的流速；

ρ₁——气流进入测量装置管道入口截面处的气流密度；

ρ₂——气流进入测量腔的入口截面处的气流密度；

由完全气体的状态方程：

式中R——气体常数，假设为理想气体，R＝287J/kg·K

则，ρ₁＝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：

V₂＝157.65m/s

测量装置环境T＝160℃，此时的声速为则，测量腔出口的的马赫数为：

查表气体动力学函数，气流静态温度T与气流总温T^*与马赫数的关系可知：

此时，测量腔出口气体静温T′₂为：

T′₂＝T₂×τ(λ)＝0.97×T₁×τ(λ)＝0.94T₁

式中T′₂——为测量腔气流静止温度；

T₁——为被测管道内气流总温；

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；

测量腔出口气流参数随的变化结果如表1所示：

表1绝压差对测量腔入口气流参数影响

在负压、中温环境稳定的条件下，随着绝压差的增大，被抽吸气体在测量腔出口速度、静态温度与被测环境总温的误差越大；虽然，在测量腔出口处，因体积膨胀，气流速度会降低，气流静态温度会升高，且因测量腔的保温作用，气流静态温度会逐步趋于总温T₁；在间接测量方法中，进行含湿量计算中，饱和水蒸气分压p_s是按照被测环境总温T₁计算得到的，其真实值是与测量腔内温度静态温度相关的；为减小间接测量相对湿度的误差，在确保气流抽吸至测量腔内的同时，应尽量减小绝压差综合上述，针对气流静态温度的变化情况，选取绝压值为5kPa较合适；

2)、选择合适的真空度，避免被测气体在测量段内温度降低至过饱和状态，从而析出液态水；含湿量的变化会导致测量结果失真；

第1条技术解决方案中已经提到，在测量段内，气流流速的变化，引起气流本身静态温度的变化；当绝压差过大，气流流速变化较大，静态温度降低越大；若当静态温度降低至气流露点温度，即水蒸气饱和温度，尽管在中温环境下也会有液态水析出，然后再逐渐蒸发，此时气流中的含湿量就会发生明显的变化，测量结果会失真；由表1可知，测量腔入口静态温度T′₂与被测量通道总温T₁的关系已经列出；在测量相对湿度时，瑞士罗卓尼克温湿度传感器仍可测得露点温度，将露点温度与入口静态温度静态温度T′₂进行比较，测量通道总温T₁已知，确保测量腔入口静态温度T′₂应该大于露点温度；

减小测量腔入口的静态温度与气流总温的偏差，从而避免气流静态温度达到气流露点温度或饱和水蒸气温度；减小测量段的绝压值，可以减小静态温度的变化，从而避免液态水的析出；综上所述选取5kPa的绝压值较合适；

3)、根据测量段内气流的压强变化对相对湿度的影响，对测量腔内相对湿度测量结果进行补偿计算；

Regnault原理指出：当一定体积的湿空气在恒定的总压下被均匀降温时，在冷却过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态的温度就叫做露点；如果空气的温度是T_a，露点温度是T_d，则相对湿度可通过以下公式计算出来：

与公式(3)进行比较可知，气流水蒸气分压等于露点温度的饱和水汽分压；饱和水蒸气分压是温度的单值函数，根据饱和水蒸气骨架表和ASHRAE、Houghton提出的水蒸气表，利用回归分析方法，拟合出0℃以上的饱和水蒸气压方程如下：

湿度传感器为露点湿度计，测的露点温度及相对湿度值；假若传感器显示相对湿度的值由：

式中P_q2——为测量腔内气流的水蒸气分压；

P_dq2——为测量腔内气流的露点温度的饱和水蒸气分压；

P_s2——为测量腔内气流的饱和水蒸气分压；

合理的结构设计和保温装置可以将速度变化引起的气流静态温度的变化忽略不记，将测量截面的气流温度稳定在原环境气流通道总温T₁值；

由相对湿度总温T₁及公式(12)计算得测量腔内的气流水蒸气分压P_q2；再根据含湿量公式(6)，计算出测量腔内的气流含湿量d；

式中B₂——测量腔内的气流总压，该数据可通过某种方式测得；

根据含湿量守恒，计算出原环境气流通道内的气流露点温度饱和水蒸气分压(或原环境气流通道内的水蒸气分压P_q1)即：

式中B₁——原环境气流通道内的气流总压，该数据可通过某种方式测得；

P_q1——原环境气流通道内的气流水蒸气分压；

可得：

假设原气流通道内的气流相对湿度为则：

测量截面的气流温度稳定在原环境气流通道总温T₁，由公式(12)知P_s1＝P_s2；故：

则：原气流通道内的相对湿度可表示为：

其中：为相对湿度补偿量；

通过对测量腔内相对湿度的测量，及测量腔和原气流通道内的总压值，计算相对湿度的补偿量，准确的实现高温负压中文环境气流的相对湿度的准确测量；

4)、气体测量腔保温降速解决方案

以P₁＝100000Pa，T₁＝160℃，管道内流速v＝180m/s为前提进行分析，由上文得出结论，测量腔与被测通道之间的绝压值选择为5kPa，可得，在该温度下，流入测量腔入口的气流流速为V₂＝157.65m/s，

测量段管路设计为圆形截面，内径为6mm，测量腔是长为L＝342mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒，测量腔进气管路与排气管路采用上下两端布置；使用Fluent软件对测量段气体流速进行仿真计算，查看测量腔内湿度传感器截面内的气流速度；经计算后，测量腔中间截面为湿度传感器位置，该截面的流体平均速度为v＝2m/s<20m/s，为湿度传感器可测最大流速，满足湿度测量计工作要求；结果如图2所示；

此结构设计满足该专利测量方案要求；可实现相对湿度的连续测量；湿度传感器布置在测量腔中间截面处；

5)、冷却腔掺混降温解决方案

被测中温空气与大气常温空气在冷却腔8实现掺混，使得掺混后的空气温度满足真空泵要求，按照一般真空泵对气流温度要求，针对本专利，要求流入真空泵的气流温度低于80℃；

仍以中温气流温度为160℃，经调节阀9流入冷却腔内的常温空气温度为20℃为基准进行分析；将掺混过程等效为理想气体等压掺混；依据等压过程理想状态方程可知单位质量气体所得到的热量为：

Q_p＝c_p(T₂-T₁)J/kg (19)

由能量守恒可知：

A₁×v₁×ρ₁×c_p×(T₁-T₀)＝A₂×v₂×ρ₂×c_p×(T₂-T₀) (20)

式中A₁——经测量腔流入冷却腔的管道截面积；

v₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的流速；

ρ₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流密度；

T₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流温度；

T₀——冷却腔经过掺混后的气流温度；

A₂——从大气流入冷却腔的管道截面积；

v₂——从大气流入冷却腔的出口截面处的流速；

ρ₂——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流密度；

T₂——从大气流入冷却腔的出口截面处的气流温度；

q₁——经测量腔流流入冷却腔的气流流量；

q₂——从大气流入冷却腔的气流流量；

其中：T₁＝160℃，T₂＝20℃，T₀＝80℃

由状态方程(9)：

式中R—气体常数，R＝287J/(kg·K)；

可得：ρ₁＝0.8047kg/m³，ρ₂＝1.2kg/m³

以真空泵的抽吸能力q＝2L/s为参考，掺混过程是在冷却腔中实现，装置中真空泵与冷却腔相连圆形管道直径为12mm，测量腔与冷却腔相连管道及冷却腔与空气相连管道截面直径均为12mm，即A₁＝A₂；冷却腔是长L＝242mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成；由q₁+q₂＝2L/s，可得v₁＝11.789m/s，v₂＝5.98m/s；

应用Fluent仿真软件对冷却腔的气体掺混进行验证，查看中温与常温掺混效果，得出计算结果如图3所示，掺混后出口气体温度为q＝75℃<80℃；满足掺混要求；

实际调试和使用过程中，可以通过调节阀的调节，保证v₁＝v₂，使得掺混体积流量为1：1，此时增加冷空气质量流量这样掺混后温度会更低，有利于真空泵的使用；

6)、保证间接测量装置的连续性测量

通过以上技术方案的讨论，本专利要实现对高速中温负压环境的相对湿度的测量，需要保证测量腔与被测环境的绝对压差为5kPa；还要保证，调节阀的开度适当，保证经测量腔流入冷却腔内的体积流量与流入冷却腔的大气常温体积流量为1：1.

保证以上两点，真空泵工作时，被测气流会源源不断的被抽吸至测量腔、冷却腔及真空泵，最后入大气；测量腔内的气流流动稳定，冷却腔内的流入真空泵的气流温度稳定，这样真空泵就可连续工作；该方面可通过以下调节来实现；

(a)试验前先关闭调节阀9，打开电磁阀2，通过手动调整调节阀1，使得湿度测量腔压力P'在5kPa；记录压力数值；

(b)保持调节阀1位置不变，关闭电磁阀2，调节调节阀9的开度使得压力表3的数值也为P'；此时即可保证两路气流的沿程损失就相互抵消了，可保证来流体积比约为1：1；此时冷空气与中温气流的质量流量比大于1；

除此之外，湿度传感器、温度传感器、压力传感器的数值均可以直接传输至控制中心，测量腔测量相对湿度被测通道总压B₁，测量腔总压B₂，相对湿度补偿值在控制中心可实现自动计算并将补偿后相对湿度显示出来；

从装置的结构、设备调试和测控方面均可实现相对湿度的连续性测量；

7)、间接测量装置的基本结构

以上技术解决方案中已经对测量腔和冷却腔的结构进行了设计后的验证，测量装置的结构布置如图4所示，其中采样管道与测量管道壁面垂直，气体测量腔4与气体冷却腔8上下布置，气体测量腔4是长为：L＝342mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成，冷却腔8是长为：L＝242mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成；除采样圆管采用内径为φ6mm的圆管外，其余管路均采用内径φ12mm的圆管。

本发明的优点：

本发明所述的高速中温负压空气湿度的连续测量方法，能够实现对高速负压中温环境的气流进行连续性湿度精准检测。检测精度高，避免重复测量，降低检测成本。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为相对湿度间接测量装置示意图；

图2为测量腔速度计算结果示意图；

图3为冷却腔气体掺混仿真结果示意图；

图4为间接测量装置的基本结构布置示意图；

图中，1—调节阀，2—电磁阀，3—绝压表，4—湿度传感器，5—加温器，6—测量腔，7—温度表，8—冷却腔，9—调节阀，10—排水阀，11—温度表，12—真空泵。

具体实施方式

实施例1

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；

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；

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；

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。

1)、根据测量段内的气流温度变化，选择合适的真空度；

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；

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：

式中T₁——测量装置管路入口截面处的气流总温；

T₂——气流流入测量腔的入口截面处的气流总温；

P₁——测量装置管道入口截面处的气流总压强；

P₂——气流流入测量腔的入口截面处的气流总压强；

k——绝热指数，理想气体k＝1.4；

假设气流通道为略小于大气压的负压环境，P₁＝100000Pa，T₁＝160℃，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10kPa，则由以上公式(7)可得：

T₂＝0.97×T₁

依据伯努利方程：

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V₁＝0；

V₂——气流进入测量腔的入口截面处的流速；

ρ₁——气流进入测量装置管道入口截面处的气流密度；

ρ₂——气流进入测量腔的入口截面处的气流密度；

由完全气体的状态方程：

式中R——气体常数，假设为理想气体，R＝287J/kg·K

则，ρ₁＝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：

V₂＝157.65m/s

测量装置环境T＝160℃，此时的声速为则，测量腔出口的的马赫数为：

查表气体动力学函数，气流静态温度T与气流总温T^*与马赫数的关系可知：

此时，测量腔出口气体静温T′₂为：

T′₂＝T₂×τ(λ)＝0.97×T₁×τ(λ)＝0.94T₁

式中T′₂——为测量腔气流静止温度；

T₁——为被测管道内气流总温；

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；

测量腔出口气流参数随的变化结果如表1所示：

表1绝压差对测量腔入口气流参数影响

在负压、中温环境稳定的条件下，随着绝压差的增大，被抽吸气体在测量腔出口速度、静态温度与被测环境总温的误差越大；虽然，在测量腔出口处，因体积膨胀，气流速度会降低，气流静态温度会升高，且因测量腔的保温作用，气流静态温度会逐步趋于总温T₁；在间接测量方法中，进行含湿量计算中，饱和水蒸气分压p_s是按照被测环境总温T₁计算得到的，其真实值是与测量腔内温度静态温度相关的；为减小间接测量相对湿度的误差，在确保气流抽吸至测量腔内的同时，应尽量减小绝压差综合上述，针对气流静态温度的变化情况，选取绝压值为5kPa较合适；

2)、选择合适的真空度，避免被测气体在测量段内温度降低至过饱和状态，从而析出液态水；含湿量的变化会导致测量结果失真；

第1条技术解决方案中已经提到，在测量段内，气流流速的变化，引起气流本身静态温度的变化；当绝压差过大，气流流速变化较大，静态温度降低越大；若当静态温度降低至气流露点温度，即水蒸气饱和温度，尽管在中温环境下也会有液态水析出，然后再逐渐蒸发，此时气流中的含湿量就会发生明显的变化，测量结果会失真；由表1可知，测量腔入口静态温度T′₂与被测量通道总温T₁的关系已经列出；在测量相对湿度时，瑞士罗卓尼克温湿度传感器仍可测得露点温度，将露点温度与入口静态温度静态温度T′₂进行比较，测量通道总温T₁已知，确保测量腔入口静态温度T′₂应该大于露点温度；

减小测量腔入口的静态温度与气流总温的偏差，从而避免气流静态温度达到气流露点温度或饱和水蒸气温度；减小测量段的绝压值，可以减小静态温度的变化，从而避免液态水的析出；综上所述选取5kPa的绝压值较合适；

3)、根据测量段内气流的压强变化对相对湿度的影响，对测量腔内相对湿度测量结果进行补偿计算；

Regnault原理指出：当一定体积的湿空气在恒定的总压下被均匀降温时，在冷却过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态的温度就叫做露点；如果空气的温度是T_a，露点温度是T_d，则相对湿度可通过以下公式计算出来：

与公式(3)进行比较可知，气流水蒸气分压等于露点温度的饱和水汽分压；饱和水蒸气分压是温度的单值函数，根据饱和水蒸气骨架表和ASHRAE、Houghton提出的水蒸气表，利用回归分析方法，拟合出0℃以上的饱和水蒸气压方程如下：

湿度传感器为露点湿度计，测的露点温度及相对湿度值；假若传感器显示相对湿度的值由：

式中P_q2——为测量腔内气流的水蒸气分压；

P_dq2——为测量腔内气流的露点温度的饱和水蒸气分压；

P_s2——为测量腔内气流的饱和水蒸气分压；

合理的结构设计和保温装置可以将速度变化引起的气流静态温度的变化忽略不记，将测量截面的气流温度稳定在原环境气流通道总温T₁值；

由相对湿度总温T₁及公式(12)计算得测量腔内的气流水蒸气分压P_q2；再根据含湿量公式(6)，计算出测量腔内的气流含湿量d；

式中B₂——测量腔内的气流总压，该数据可通过某种方式测得；

根据含湿量守恒，计算出原环境气流通道内的气流露点温度饱和水蒸气分压(或原环境气流通道内的水蒸气分压P_q1)即：

式中B₁——原环境气流通道内的气流总压，该数据可通过某种方式测得；

P_q1——原环境气流通道内的气流水蒸气分压；

可得：

假设原气流通道内的气流相对湿度为则：

测量截面的气流温度稳定在原环境气流通道总温T₁，由公式(12)知P_s1＝P_s2；故：

则：原气流通道内的相对湿度可表示为：

其中：为相对湿度补偿量；

通过对测量腔内相对湿度的测量，及测量腔和原气流通道内的总压值，计算相对湿度的补偿量，准确的实现高温负压中文环境气流的相对湿度的准确测量；

4)、气体测量腔保温降速解决方案

以P₁＝100000Pa，T₁＝160℃，管道内流速v＝180m/s为前提进行分析，由上文得出结论，测量腔与被测通道之间的绝压值选择为5kPa，可得，在该温度下，流入测量腔入口的气流流速为V₂＝157.65m/s，

测量段管路设计为圆形截面，内径为6mm，测量腔是长为L＝342mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒，测量腔进气管路与排气管路采用上下两端布置；使用Fluent软件对测量段气体流速进行仿真计算，查看测量腔内湿度传感器截面内的气流速度；经计算后，测量腔中间截面为湿度传感器位置，该截面的流体平均速度为v＝2m/s<20m/s，为湿度传感器可测最大流速，满足湿度测量计工作要求；结果如图2所示；

此结构设计满足该专利测量方案要求；可实现相对湿度的连续测量；湿度传感器布置在测量腔中间截面处；

5)、冷却腔掺混降温解决方案

被测中温空气与大气常温空气在冷却腔8实现掺混，使得掺混后的空气温度满足真空泵要求，按照一般真空泵对气流温度要求，针对本专利，要求流入真空泵的气流温度低于80℃；

仍以中温气流温度为160℃，经调节阀9流入冷却腔内的常温空气温度为20℃为基准进行分析；将掺混过程等效为理想气体等压掺混；依据等压过程理想状态方程可知单位质量气体所得到的热量为：

Q_p＝c_p(T₂-T₁)J/kg (19)

由能量守恒可知：

A₁×v₁×ρ₁×c_p×(T₁-T₀)＝A₂×v₂×ρ₂×c_p×(T₂-T₀) (20)

式中A₁——经测量腔流入冷却腔的管道截面积；

v₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的流速；

ρ₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流密度；

T₁——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流温度；

T₀——冷却腔经过掺混后的气流温度；

A₂——从大气流入冷却腔的管道截面积；

v₂——从大气流入冷却腔的出口截面处的流速；

ρ₂——经测量腔流入冷却腔的出口截面处的气流密度；

T₂——从大气流入冷却腔的出口截面处的气流温度；

q₁——经测量腔流流入冷却腔的气流流量；

q₂——从大气流入冷却腔的气流流量；

其中：T₁＝160℃，T₂＝20℃，T₀＝80℃

由状态方程(9)：

式中R—气体常数，R＝287J/(kg·K)；

可得：ρ₁＝0.8047kg/m³，ρ₂＝1.2kg/m³

以真空泵的抽吸能力q＝2L/s为参考，掺混过程是在冷却腔中实现，装置中真空泵与冷却腔相连圆形管道直径为12mm，测量腔与冷却腔相连管道及冷却腔与空气相连管道截面直径均为12mm，即A₁＝A₂；冷却腔是长L＝242mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成；由q₁+q₂＝2L/s，可得v₁＝11.789m/s，v₂＝5.98m/s；

应用Fluent仿真软件对冷却腔的气体掺混进行验证，查看中温与常温掺混效果，得出计算结果如图3所示，掺混后出口气体温度为q＝75℃<80℃；满足掺混要求；

实际调试和使用过程中，可以通过调节阀的调节，保证v₁＝v₂，使得掺混体积流量为1：1，此时增加冷空气质量流量这样掺混后温度会更低，有利于真空泵的使用；

6)、保证间接测量装置的连续性测量

通过以上技术方案的讨论，本专利要实现对高速中温负压环境的相对湿度的测量，需要保证测量腔与被测环境的绝对压差为5kPa；还要保证，调节阀的开度适当，保证经测量腔流入冷却腔内的体积流量与流入冷却腔的大气常温体积流量为1：1.

保证以上两点，真空泵工作时，被测气流会源源不断的被抽吸至测量腔、冷却腔及真空泵，最后入大气；测量腔内的气流流动稳定，冷却腔内的流入真空泵的气流温度稳定，这样真空泵就可连续工作；该方面可通过以下调节来实现；

(a)试验前先关闭调节阀9，打开电磁阀2，通过手动调整调节阀1，使得湿度测量腔压力P'在5kPa；记录压力数值；

(b)保持调节阀1位置不变，关闭电磁阀2，调节调节阀9的开度使得压力表3的数值也为P'；此时即可保证两路气流的沿程损失就相互抵消了，可保证来流体积比约为1：1；此时冷空气与中温气流的质量流量比大于1；除此之外，湿度传感器、温度传感器、压力传感器的数值均可以直接传输至控制中心，测量腔测量相对湿度被测通道总压B₁，测量腔总压B₂，相对湿度补偿值在控制中心可实现自动计算并将补偿后相对湿度显示出来；从装置的结构、设备调试和测控方面均可实现相对湿度的连续性测量；

7)、间接测量装置的基本结构

以上技术解决方案中已经对测量腔和冷却腔的结构进行了设计后的验证，测量装置的结构布置如图4所示，其中采样管道与测量管道壁面垂直，气体测量腔4与气体冷却腔8上下布置，气体测量腔4是长为：L＝342mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成，冷却腔8是长为：L＝242mm，内腔直径为φ119mm的长圆筒焊接而成；除采样圆管采用内径为φ6mm的圆管外，其余管路均采用内径φ12mm的圆管。

Claims (1)

1.一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，针对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；

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；

由于气流通道为负压，真空泵的作用是将负压环境的被测气流抽吸至测量腔，测量腔的作用是保温，降速，减小高速气流对湿度传感器冲击的同时，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，实现真空泵对被抽吸气体的温度要求；数据上传中控，实现远程控制，实时监测，连续测量；

真空泵与调节阀、测量腔、冷却腔及联接管路组成了抽吸装置，真空泵工作时可将被测环境中的气流抽至测量腔；被测气流被抽吸流入测量腔，出口体积膨胀，气流速度降低，期望在湿度测量计所在截面的来流速度降低至可测范围之内，温度计靠近湿度传感器，以减小测量温度偏差；加温器是保证测量腔内的温度与来流气流温度相同；被测气流流入冷却腔，与流过调节阀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。