CN1645117A - 一种高温空气温湿度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高温空气温湿度测量方法，属于空气状态参数测量技术领域。本发明的特征在于通过调节高温及低温空气的混风比，控制混合后空气的温度在常规温湿度仪表的测量量程范围内，通过测量高温空气的干球温度及低温空气与混风的干、湿球温度，利用湿空气热力性质关系计算被测高温空气的湿度及各状态参数，实现采用常规温湿度仪表对高温空气湿度的测量。该方法只需测量空气的干、湿球温度及调节冷、热风的混风比例，而无需直接测量混风比，不仅可实现高温空气湿度的测量，而且与现有技术相比，具有测量方法简单，精度高，测量成本低，易于操作和实现的优点。

Description

一种高温空气温湿度测量方法

技术领域

本发明涉及一种高温空气温湿度的测量方法，尤其是高温低湿环境空气的状态参数测量，属于空气状态参数测量技术领域。

背景技术

空气湿度是表征空气中水汽含量的多少或空气的干湿程度，它是空气状态参数中一个非常重要而又难以准确测量的物理量。空气的绝对含湿能力随空气温度的升高而增大，在100℃以上的高温状态下，即使空气的相对湿度相差很小，但其绝对含湿量的差异可能会很大，因此对于高温空气，其湿度测量的精度宜以绝对含湿量的测量精度指标来衡量。目前对空气湿度的测量主要有以下几种方法：一、利用毛发、纤维等物质随周围空气湿度变化而伸缩的特性来测量空气的含湿量。该测量方法简单，成本低；但测量量程窄，精度低，且维护管理过程复杂(程起范，空气湿度及其测量方法，辽宁气象，1996，(4)：36)。二、干湿球湿度计：该方法在量程范围内相对湿度测量精度较高，可达到±2％～±3％RH；但其只适用于0℃～85℃温度范围内的气体湿度测量(Humidity MeasurementTechnology.http://www.testo.de/US/lig/upload/mwmlus_1034594054750_l.pdf)。三、露点湿度计：该方法通过测量空气的露点温度来间接测量空气的湿度，主要由冷却装置、结露面和温度传感器组成。该方法在低温低湿条件下测量精度较高；但该测量方法费用高，装置复杂，同时为保证镜面的结露温度，需进行精确控制，实际中很少使用(程起范，空气湿度及其测量方法，辽宁气象，1996，(4)：36)。四、阻抗式湿度计：是根据湿敏传感器的阻抗值变化来求得湿度的一种湿度测量方法，该方法具有响应快，湿滞性小，测量量程宽的优点；但在高温、高湿环境中测量精度不够及测头工作不稳定，易老化。五、微波湿度计：它是通过空气吸收微波辐射的程度来测量空气的湿度，该方法虽测量量程宽，但仪表加工要求严格，成本高，且不适用于湿度变化快的测量场合。

在干燥、工业窑炉及锅炉烟气分析中，经常涉及到高温空气湿度的测量问题。而目前现有的各种空气湿度测量方法和仪表，其测量精度一般是以相对湿度的测量精度为指标，能适用于高温环境空气湿度测量的不多，并且在其测量精度和仪表价格等方面也不尽人意。因此，使得采用目前常规的测量方法及仪表很难满足高温空气湿度的高精度测量要求。虽然目前已有高温范围的温湿度测量仪表，如Pride公司的EE29/EE31多功能温湿度变送器在经过特殊标定以后其相对湿度的测量精度可达到±1％RH，但对于高温空气，如干球温度为140℃，相对湿度为7％时，空气的含湿量为206.99g/kga，应用该仪表测量其含湿量的绝对误差可达到±35g/kga～40g/kga，相对误差为15％～20％，如此大的测量误差是难以接受的。特别是在实验室高温、大风量工况下的干燥实验测量中，±1％RH的相对湿度测量精度可能导致完全错误的实验结果。因此，对于一些特殊的高温环境空气湿度测量场合，迫切地需要一种新的测量手段和仪表，对被测对象进行高精度的测量。

发明内容

针对现有的空气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空气湿度测量新方法，即采用冷、热混风方式测量高温空气湿度的方法。该方法不仅可以解决常规温湿度测量仪表测量量程与精度的不足问题，而且具有测量方法简单、精度高，成本低的优点。

本发明的目的和任务是通过如下技术方案来实现：

一种高温空气温湿度测量方法，其特征在于该方法采用冷、热混风方式进行测量，其测量步骤如下：

1)在高温空气的入口设置温度传感器，在低温空气入口及混风出口处分别设置干、湿球温度传感器，根据被测高温空气的温度，调节低温及高温风阀的开启度，控制冷、热风的混风比例，使其混合后的空气温度达到干、湿球温度传感器的测湿量程范围内；

2)利用温度传感器测量被测高温空气的干球温度t_g，低温空气的干、湿球温度t_n、t_ns及混合后空气的干、湿球温度t_m、t_ms；

3)由步骤2)所测低温空气及混风的干、湿球温度，根据湿空气热力性质关系式计算低温空气与混风的绝对含湿量和热焓值d_n，i_n及d_m，i_m；

4)由混风过程的热力学能量平衡与质量平衡关系，利用步骤2)所测高温空气的干球温度t_g以及步骤3)所计算的低温空气及混风的绝对含湿量及热焓值d_n，i_n与d_m，i_m，计算出在该测量状态下的冷、热风的混风比r；

根据热力学的热、湿平衡关系，建立冷、热空气混合过程的热量平衡与湿量平衡关系式：

                       G_g·i_g+G_n·i_n＝G_m·i_m    (1)

                       G_g·d_g+G_n·d_n＝G_m·d_m    (2)

                           G_m＝G_g+G_n          (3)

并定义冷、热风的混风比为：

$r=\frac{G_n}{G_g}---\left(4\right)$

所以由式(1)、式(2)和式(4)可得：

              d_g＝(1+r)·d_m-r·d_n    (5)

              i_g＝(1+r)·i_m-r·i_n    (6)

而高温湿空气的热焓可表达为：

               i_g＝1.01t_g+0.001d_g·(2501+1.84t_g)    (7)

                 ＝a+b·d_g

由式(5)～式(7)可得冷、热空气的混风比为：

$r=\frac{i_m-b\·d_m-a}{b\·(d_m-d_n)-(i_m-i_n)}---\left(8\right)$

在式(1)～(8)中，各物理量的意义为：

G_g，G_n，G_m—高温空气、低温空气及混合后空气的质量流量

r—冷、热空气的混风比，r＝G_n/G_g

t_g—被测高温空气的干球温度

d_g—被测高温空气的绝对含湿量，d_g＝d_g(t_g，t_n，t_ns，t_m，t_ms)

d_n—低温空气的绝对含湿量，d_n＝d_n(t_n，t_ns)

d_m—混合后空气的绝对含湿量，d_m＝d_m(t_m，t_ms)

i_g—被测高温空气的热焓值，i_g＝i_g(t_g，d_g)

i_n—低温空气的热焓值，i_n＝i_n(t_n，t_ns)

i_m—混合后空气的热焓值，i_m＝i_m(t_m，t_ms)

a，b—常系数，a＝1.01t_g，b＝2.501+0.00184t_g

t_n，t_ns—低温空气的干、湿球温度

t_m，t_ms—混风的干、湿球温度

5)由步骤4)所计算的混风比r及步骤3)所得低温空气、混风的绝对含湿量及热焓值d_n，i_n与d_m，i_m，计算被测高温空气的绝对含湿量d_g；

将式(8)代入式(5)可得高温空气的绝对含湿量为：

$d_g=\frac{(i_n-a)\·d_m-(i_m-a)\·d_n}{b\·(d_m-d_n)-(i_m-i_n)}---\left(9\right)$

6)通过步骤2)所测被测空气的干球温度t_g及步骤5)所得被测空气的绝对含湿量d_g，计算被测高温空气的湿球温度、相对湿度、露点温度及焓值。

本发明的特征在于通过调节高温及低温空气的混风比，控制混合后空气的温度在常规温湿度仪表的测量量程范围内。在高温空气的入口设置温度测点，以测量高温空气的干球温度；在低温空气入口及混风出口处分别设置干、湿球温度传感器，以测量低温空气及混风的干、湿球温度。通过测量上述5个温度参数，便可通过热力学关系计算出被测高温空气的各状态参数，从而实现采用常规仪表对高温空气湿度的测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：①本发明方法采用常规仪表实现对被测高温空气湿度的测量，极大地降低了测量仪表的成本。②本发明只需根据混风温度调节冷、热风的混合比例，无需直接测量二者的混风比，简化测量过程，减小了产生误差的测量环节；③该方法只涉及被测高温空气的干球温度、低温空气及混风的干、湿球温度的测量，测量方法简单，易于实现；在高温低湿测量环境下，具有测量精度高的优点。④由于该方法是通过调节混风比并通过干、湿球温度的测量实现对被测高温空气湿度的测量，因此本发明方法从理论上讲只受高温侧温度传感器测量量程的限制；⑤本发明方法可实现被测高温空气其它各状态参数的测量。

附图说明

图1表示采用冷、热混风方法测量高温空气湿度的原理图。

图2表示冷、热空气混合过程的i-d图。

图中各部件及各曲线的名称分别为：

1-高温风道；2-高温风阀；3-温度传感器；4-风机；5-低温风道；6-低温风阀；7-低温空气侧干、湿球温度传感器；8-混合室；9-混风道；10-混风侧干、湿球温度传感器；G-高温空气状态点；N-低温空气状态点；M-混风状态点；C₁-冷、热风混风过程线；C₂-100％相对湿度线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的原理及实施过程作进一步的说明。

冷、热混风的方法实现高温空气湿度的测量

实施例：

根据附图1布置各温度测点，实测某一时刻被测高温空气状态点G点的干球温度为：t_g＝140℃，环境低温空气状态N点的干、湿球温度为：t_n＝20℃，t_ns＝15.76℃。根据实测G点的干球温度t_g调节高温风阀2和低温风阀6的开启度使状态点G与N的空气混合至干、湿球温度传感器测湿量程范围内的M点。测得混合状态点M点空气的干、湿球温度分别为：t_m＝62℃，t_ms＝43.31℃。各干、湿球温度传感器的测量精度均为：±0.1℃，忽略各管道的热量损失，各湿球温度测点处风速为2.5m/s。

根据测量的各温度值，计算被测高温空气的湿度及各状态参数的方法与步骤如下：

①、根据湿空气热力性质关系，湿空气的饱和水蒸气压力为：

$P_{\mathrm{qb}}=98066.5\exp [0.0326889-7.235425(\frac{{10}^3}{273.16+t}-\frac{{10}^3}{373.16})+8.2\ln \left(\frac{373.16}{273..16+t}\right)-0.00571133(100-t)]---\left(10\right)$

湿空气中水蒸气的分压力为：

                 P_q＝P_qbs-A(t-t_s)B    (11)

湿空气的绝对含湿量及热焓值分别为：

$d=622\frac{P_q}{B-P_q}---\left(12\right)$

               i＝1.01t+0.001d(2501+1.84t)    (13)

式(10)～式(13)中，各物理量的意义如下：

P_qbs—对应湿球温度的饱和水蒸气压力，按式(10)计算

P_q—湿空气中水蒸气的分压力

t—对应测点的干球温度，t＝t_n，t_m

t_s—对应测点的湿球温度，t_s＝t_ns，t_ms

A—与风速有关的系数，可计算为：

$A=(593.1+\frac{135.1}{\sqrt{u}}+\frac{48}{u})\×{10}^{-6}---\left(14\right)$

u—风速，u≥2.5m/s

B—当地大气压力

d—对应测点的绝对含湿量，d＝d_n，d_m

i—对应测点的热焓值，i＝i_n，i_m

由式(10)～式(13)计算低温空气与混风的绝对含湿量及热焓值分别为：

      d_n＝9.471g/kga，i_n＝44.2355kJ/kg；

      d_m＝51.107g/kga，i_m＝196.2689kJ/kg

②、由式(7)计算a，b值分别为：

       a＝1.01t_g＝1.01×140＝141.4

       b＝2.501+0.00184t_g＝2.501+0.00184×140＝2.7586

③、由式(8)计算冷、热风的混风比r：

$r=\frac{196.2689-2.7586\×51.107-141.4}{2.7586\×(51.107-9.471)-(196.2689-44.2355)}=2.3164$

④、由式(9)计算被测高温空气的绝对含湿量d_g：

$d_g=\frac{(44.2355-141.4)\×51.107-(196.2689-141.4)\×9.471}{2.7586\×(51.107-9.471)-(196.2689-44.2355)}=147.552g/\mathrm{kga}$

⑤、根据误差传递理论，对于低温空气及混风状态点，其含湿量及热焓值的合成误差与干、湿球温度传感器测量精度之间的关系可表示为：

$\mathrm{\δd}=\sqrt{{(\frac{\∂d}{{\∂P}_q}\·\frac{{\∂P}_q}{\∂t})}^2\·{\mathrm{\δ}}^{2}t+{(\frac{\∂d}{{\∂P}_q}\·\frac{{\∂P}_q}{{\∂t}_s})}^2\·{\mathrm{\δ}}^2{t}_s}---\left(15\right)$

$\mathrm{\δi}=\sqrt{{\left(\frac{\∂i}{\∂t}\right)}^2\·{\mathrm{\δt}}^2+{\left(\frac{\∂i}{\∂d}\right)}^2\·{\mathrm{\δd}}^2}---\left(16\right)$

对于被测高温空气，在式(9)的基础上由误差传递理论，可将其含湿量及相对湿度测量值的合成误差表达为如下的形式：

${\mathrm{\δd}}_g=\sqrt{{\left(\frac{{\∂d}_g}{{\∂i}_n}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^2{i}_n+{\left(\frac{{\∂d}_g}{{\∂i}_m}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^2{i}_m+{\left(\frac{{\∂d}_g}{{\∂d}_m}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^2{d}_m+{\left(\frac{{\∂d}_g}{{\∂d}_n}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^2{d}_n+{\left(\frac{{\∂d}_x}{\∂a}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^{2}a+{\left(\frac{{\∂d}_g}{\∂b}\right)}^2\·{\mathrm{\δ}}^{2}b}---\left(17\right)$

式(15)～式(18)中，各物理量的意义如下：

δt—对应测点干球温度传感器的测量精度，δt＝δt_n，δt_m

δt_s—对应测点湿球温度传感器的测量精度，δt_s＝δt_ns，δt_ms

δd—对应测点含湿量的合成误差，δd＝δd_n，δd_m

δi—对应测点热焓值的合成误差，δi＝δi_n，δi_m

δt_g—高温空气干球温度传感器测量精度

δd_g—被测高温空气含湿量测量值的合成误差

δ_g—被测高温空气相对湿度测量值的合成误差

δa，δb—t_g测量精度对a，b值的影响，δa＝1.01δt_g，δb＝0.00184δt_g由式(15)和式(16)计算低温空气及混风状态点含湿量及热焓值的合成误差分别为：

δd_n＝0.1229g/kga，δi_n＝0.1028J/kg；

δd_m＝0.3788g/kga，δi_m＝0.1183J/kg

根据误差传递理论，由式(17)和式(18)可得在该测量工况下，被测高温空气的绝对含湿量及相对湿度测量误差分别为：

      δd_g＝±5.1415g/kga

      δ_g＝±0.1541％RH

⑥、由实测高温空气的干球温度t_g及④中所计算绝对含湿量d_g，利用热力学关系可确定被测高温空气的其它各状态参数分别为：

      相对湿度：_g＝5.4％；

      露点温度：t_l＝59.44℃；

      湿球温度：t_s＝63.34℃；

      焓  值：i_g＝547.59kJ/kg

在该实施例条件下，采用现有的高温空气湿度测量仪表(Pride公司的EE29/EE31多功能温湿度变送器)，测量量程为40℃～180℃，经特殊标定后相对湿度测量精度为±1％RH，此时含湿量的测量误差为-32.6g/kga～+35.6g/kga；而采用本发明方法，含湿量的测量误差为±5.1g/kga，相对湿度的测量误差为±0.154％。因此，由实施例的比较结果可以发现：对于高温空气湿度的测量，采用本发明方法可以极大地提高测量结果的精度，减小测量误差；同时也降低了测量仪表的成本，使测量方法更经济、有效。

Claims (1)

1.一种高温空气温湿度测量方法，其特征在于该方法采用冷、热混风方式进行测量，其测量步骤如下：

1)在高温空气的入口设置温度传感器，在低温空气入口及混风出口处分别设置干、湿球温度传感器，根据被测高温空气的温度，调节低温及高温风阀的开启度，控制冷、热风的混风比例，使其混合后的空气温度达到干、湿球温度传感器的测湿量程范围内；

2)利用温度传感器测量被测高温空气的干球温度t_g，低温空气的干、湿球温度t_n、t_ns及混合后空气的干、湿球温度t_m、t_ms；

3)由步骤2)所测低温空气及混风的干、湿球温度，根据湿空气热力性质关系式计算低温空气与混风的绝对含湿量和热焓值d_n，i_n及d_m，i_m；

4)由混风过程的热力学能量平衡与质量平衡关系，利用步骤2)所测高温空气的干球温度tg以及步骤3)所计算的低温空气及混风的绝对含湿量及热焓值d_n，i_n与d_m，i_m，计算出在该测量状态下的冷、热风的混风比r；

根据热力学的热、湿平衡关系，建立冷、热空气混合过程的热量平衡与湿量平衡关系式：

                           G_g·i_g+G_n·i_n＝G_m·i_m                          (1)

                           G_g·d_g+G_n·d_n＝G_m·d_m                          (2)

                                  G_m＝G_g+G_n                                   (3)

并定义冷、热风的混风比为：

$r=\frac{G_n}{G_g}---\left(4\right)$

所以由式(1)、式(2)和式(4)可得：

                            d_g＝(1+r)·d_m-r·d_n                           (5)

                            i_g＝(1+r)·i_m-r·i_n                           (6)

而高温湿空气的热焓可表达为：

                       i_g＝1.01t_g+0.001d_g·(2501+1.84t_g)                 (7)

                         ＝a+b·d_g

由式(5)～式(7)可得冷、热空气的混风比为：

$r=\frac{i_m-b\·d_m-a}{b\·(d_m-d_n)-(i_m-i_n)}---\left(8\right)$

在式(1)～(8)中，各物理量的意义为：

G_g，G_n，G_m-高温空气、低温空气及混合后空气的质量流量

r-冷、热空气的混风比，r＝G_n/G_g

t_g-被测高温空气的干球温度

d_g-被测高温空气的绝对含湿量，d_g＝d_g(t_g，t_n，t_ns，t_m，t_ms)

d_n-低温空气的绝对含湿量，d_n＝d_n(t_n，t_ns)

d_m-混合后空气的绝对含湿量，d_m＝d_m(t_m，t_ms)

i_g-被测高温空气的热焓值，i_g＝i_g(t_g，d_g)

i_n-低温空气的热焓值，i_n＝i_n(t_n，t_ns)

i_m-混合后空气的热焓值，i_m＝i_m(t_m，t_ms)

a，b-常系数，a＝1.01t_g，b＝2.501+0.00184t_g

t_n，t_ns-低温空气的干、湿球温度

t_m，t_ms-混风的干、湿球温度

5)由步骤4)所计算的混风比r及步骤3)所得低温空气、混风的绝对含湿量及热焓值d_n，i_n与d_m，i_m，计算被测高温空气的绝对含湿量d_g；

将式(8)代入式(5)可得高温空气的绝对含湿量为：

$d_g=\frac{(i_n-a)\·d_m-(i_m-a)\·d_n}{b\·(d_m-d_n)-(i_m-i_n)}---\left(9\right)$

6)通过步骤2)所测被测空气的干球温度t_g及步骤5)所得被测空气的绝对含湿量d_g，计算被测高温空气的湿球温度、相对湿度、露点温度及焓值。

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