一種高溫空氣溫濕度測量方法

專利名稱：一種高溫空氣溫濕度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫空氣溫濕度的測量方法，尤其是高溫低濕環境空氣的狀態參數測量，屬于空氣狀態參數測量技術領域。
背景技術：
空氣濕度是表征空氣中水汽含量的多少或空氣的干濕程度，它是空氣狀態參數中一個非常重要而又難以準確測量的物理量。空氣的絕對含濕能力隨空氣溫度的升高而增大，在100℃以上的高溫狀態下，即使空氣的相對濕度相差很小，但其絕對含濕量的差異可能會很大，因此對于高溫空氣，其濕度測量的精度宜以絕對含濕量的測量精度指標來衡量。目前對空氣濕度的測量主要有以下幾種方法一、利用毛發、纖維等物質隨周圍空氣濕度變化而伸縮的特性來測量空氣的含濕量。該測量方法簡單，成本低；但測量量程窄，精度低，且維護管理過程復雜(程起范，空氣濕度及其測量方法，遼寧氣象，1996，(4)36)。二、干濕球濕度計該方法在量程范圍內相對濕度測量精度較高，可達到±2％～±3％RH；但其只適用于0℃～85℃溫度范圍內的氣體濕度測量(Humidity MeasurementTechnology.http://www.testo.de/US/lig/upload/mwmlus_1034594054750_l.pdf)。三、露點濕度計該方法通過測量空氣的露點溫度來間接測量空氣的濕度，主要由冷卻裝置、結露面和溫度傳感器組成。該方法在低溫低濕條件下測量精度較高；但該測量方法費用高，裝置復雜，同時為保證鏡面的結露溫度，需進行精確控制，實際中很少使用(程起范，空氣濕度及其測量方法，遼寧氣象，1996，(4)36)。四、阻抗式濕度計是根據濕敏傳感器的阻抗值變化來求得濕度的一種濕度測量方法，該方法具有響應快，濕滯性小，測量量程寬的優點；但在高溫、高濕環境中測量精度不夠及測頭工作不穩定，易老化。五、微波濕度計它是通過空氣吸收微波輻射的程度來測量空氣的濕度，該方法雖測量量程寬，但儀表加工要求嚴格，成本高，且不適用于濕度變化快的測量場合。
在干燥、工業窯爐及鍋爐煙氣分析中，經常涉及到高溫空氣濕度的測量問題。而目前現有的各種空氣濕度測量方法和儀表，其測量精度一般是以相對濕度的測量精度為指標，能適用于高溫環境空氣濕度測量的不多，并且在其測量精度和儀表價格等方面也不盡人意。因此，使得采用目前常規的測量方法及儀表很難滿足高溫空氣濕度的高精度測量要求。雖然目前已有高溫范圍的溫濕度測量儀表，如Pride公司的EE29/EE31多功能溫濕度變送器在經過特殊標定以后其相對濕度的測量精度可達到±1％RH，但對于高溫空氣，如干球溫度為140℃，相對濕度為7％時，空氣的含濕量為206.99g/kga，應用該儀表測量其含濕量的絕對誤差可達到±35g/kga～40g/kga，相對誤差為15％～20％，如此大的測量誤差是難以接受的。特別是在實驗室高溫、大風量工況下的干燥實驗測量中，±1％RH的相對濕度測量精度可能導致完全錯誤的實驗結果。因此，對于一些特殊的高溫環境空氣濕度測量場合，迫切地需要一種新的測量手段和儀表，對被測對象進行高精度的測量。

發明內容
針對現有的空氣濕度測量方法與儀表存在的不足與缺陷，本發明的目的和任務是提供一種高溫空氣濕度測量新方法，即采用冷、熱混風方式測量高溫空氣濕度的方法。該方法不僅可以解決常規溫濕度測量儀表測量量程與精度的不足問題，而且具有測量方法簡單、精度高，成本低的優點。
本發明的目的和任務是通過如下技術方案來實現一種高溫空氣溫濕度測量方法，其特征在于該方法采用冷、熱混風方式進行測量，其測量步驟如下1)在高溫空氣的入口設置溫度傳感器，在低溫空氣入口及混風出口處分別設置干、濕球溫度傳感器，根據被測高溫空氣的溫度，調節低溫及高溫風閥的開啟度，控制冷、熱風的混風比例，使其混合后的空氣溫度達到干、濕球溫度傳感器的測濕量程范圍內；2)利用溫度傳感器測量被測高溫空氣的干球溫度tg，低溫空氣的干、濕球溫度tn、tns及混合后空氣的干、濕球溫度tm、tms；3)由步驟2)所測低溫空氣及混風的干、濕球溫度，根據濕空氣熱力性質關系式計算低溫空氣與混風的絕對含濕量和熱焓值dn，in及dm，im；4)由混風過程的熱力學能量平衡與質量平衡關系，利用步驟2)所測高溫空氣的干球溫度tg以及步驟3)所計算的低溫空氣及混風的絕對含濕量及熱焓值dn，in與dm，im，計算出在該測量狀態下的冷、熱風的混風比r；根據熱力學的熱、濕平衡關系，建立冷、熱空氣混合過程的熱量平衡與濕量平衡關系式Gg·ig+Gn·in＝Gm·im(1)Gg·dg+Gn·dn＝Gm·dm(2)Gm＝Gg+Gn(3)并定義冷、熱風的混風比為r=GnGg---(4)]]>所以由式(1)、式(2)和式(4)可得
dg＝(1+r)·dm-r·dn(5)ig＝(1+r)·im-r·in(6)而高溫濕空氣的熱焓可表達為ig＝1.01tg+0.001dg·(2501+1.84tg)(7)＝a+b·dg由式(5)～式(7)可得冷、熱空氣的混風比為r=im-b·dm-ab·(dm-dn)-(im-in)---(8)]]>在式(1)～(8)中，各物理量的意義為Gg，Gn，Gm—高溫空氣、低溫空氣及混合后空氣的質量流量r—冷、熱空氣的混風比，r＝Gn/Ggtg—被測高溫空氣的干球溫度dg—被測高溫空氣的絕對含濕量，dg＝dg(tg，tn，tns，tm，tms)dn—低溫空氣的絕對含濕量，dn＝dn(tn，tns)dm—混合后空氣的絕對含濕量，dm＝dm(tm，tms)ig—被測高溫空氣的熱焓值，ig＝ig(tg，dg)in—低溫空氣的熱焓值，in＝in(tn，tns)im—混合后空氣的熱焓值，im＝im(tm，tms)a，b—常系數，a＝1.01tg，b＝2.501+0.00184tgtn，tns—低溫空氣的干、濕球溫度tm，tms—混風的干、濕球溫度5)由步驟4)所計算的混風比r及步驟3)所得低溫空氣、混風的絕對含濕量及熱焓值dn，in與dm，im，計算被測高溫空氣的絕對含濕量dg；將式(8)代入式(5)可得高溫空氣的絕對含濕量為dg=(in-a)·dm-(im-a)·dnb·(dm-dn)-(im-in)---(9)]]>6)通過步驟2)所測被測空氣的干球溫度tg及步驟5)所得被測空氣的絕對含濕量dg，計算被測高溫空氣的濕球溫度、相對濕度、露點溫度及焓值。
本發明的特征在于通過調節高溫及低溫空氣的混風比，控制混合后空氣的溫度在常規溫濕度儀表的測量量程范圍內。在高溫空氣的入口設置溫度測點，以測量高溫空氣的干球溫度；在低溫空氣入口及混風出口處分別設置干、濕球溫度傳感器，以測量低溫空氣及混風的干、濕球溫度。通過測量上述5個溫度參數，便可通過熱力學關系計算出被測高溫空氣的各狀態參數，從而實現采用常規儀表對高溫空氣濕度的測量。
本發明與現有技術相比，具有以下優點和突出性效果①本發明方法采用常規儀表實現對被測高溫空氣濕度的測量，極大地降低了測量儀表的成本。②本發明只需根據混風溫度調節冷、熱風的混合比例，無需直接測量二者的混風比，簡化測量過程，減小了產生誤差的測量環節；③該方法只涉及被測高溫空氣的干球溫度、低溫空氣及混風的干、濕球溫度的測量，測量方法簡單，易于實現；在高溫低濕測量環境下，具有測量精度高的優點。④由于該方法是通過調節混風比并通過干、濕球溫度的測量實現對被測高溫空氣濕度的測量，因此本發明方法從理論上講只受高溫側溫度傳感器測量量程的限制；⑤本發明方法可實現被測高溫空氣其它各狀態參數的測量。


圖1表示采用冷、熱混風方法測量高溫空氣濕度的原理圖。
圖2表示冷、熱空氣混合過程的i-d圖。
圖中各部件及各曲線的名稱分別為1-高溫風道；2-高溫風閥；3-溫度傳感器；4-風機；5-低溫風道；6-低溫風閥；7-低溫空氣側干、濕球溫度傳感器；8-混合室；9-混風道；10-混風側干、濕球溫度傳感器；G-高溫空氣狀態點；N-低溫空氣狀態點；M-混風狀態點；C1-冷、熱風混風過程線；C2-100％相對濕度線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明的原理及實施過程作進一步的說明。
冷、熱混風的方法實現高溫空氣濕度的測量實施例根據附圖1布置各溫度測點，實測某一時刻被測高溫空氣狀態點G點的干球溫度為tg＝140℃，環境低溫空氣狀態N點的干、濕球溫度為tn＝20℃，tns＝15.76℃。根據實測G點的干球溫度tg調節高溫風閥2和低溫風閥6的開啟度使狀態點G與N的空氣混合至干、濕球溫度傳感器測濕量程范圍內的M點。測得混合狀態點M點空氣的干、濕球溫度分別為tm＝62℃，tms＝43.31℃。各干、濕球溫度傳感器的測量精度均為±0.1℃，忽略各管道的熱量損失，各濕球溫度測點處風速為2.5m/s。
根據測量的各溫度值，計算被測高溫空氣的濕度及各狀態參數的方法與步驟如下①、根據濕空氣熱力性質關系，濕空氣的飽和水蒸氣壓力為Pqb=98066.5exp
---(10)]]>濕空氣中水蒸氣的分壓力為Pq＝Pqbs-A(t-ts)B(11)濕空氣的絕對含濕量及熱焓值分別為d=622PqB-Pq---(12)]]>i＝1.01t+0.001d(2501+1.84t)(13)式(10)～式(13)中，各物理量的意義如下Pqbs—對應濕球溫度的飽和水蒸氣壓力，按式(10)計算Pq—濕空氣中水蒸氣的分壓力t—對應測點的干球溫度，t＝tn，tmts—對應測點的濕球溫度，ts＝tns，tmsA—與風速有關的系數，可計算為A=(593.1+135.1u+48u)×10-6---(14)]]>u—風速，u≥2.5m/sB—當地大氣壓力d—對應測點的絕對含濕量，d＝dn，dmi—對應測點的熱焓值，i＝in，im由式(10)～式(13)計算低溫空氣與混風的絕對含濕量及熱焓值分別為dn＝9.471g/kga，in＝44.2355kJ/kg；dm＝51.107g/kga，im＝196.2689kJ/kg②、由式(7)計算a，b值分別為a＝1.01tg＝1.01×140＝141.4b＝2.501+0.00184tg＝2.501+0.00184×140＝2.7586③、由式(8)計算冷、熱風的混風比rr=196.2689-2.7586×51.107-141.42.7586×(51.107-9.471)-(196.2689-44.2355)=2.3164]]>
④、由式(9)計算被測高溫空氣的絕對含濕量dgdg=(44.2355-141.4)×51.107-(196.2689-141.4)×9.4712.7586×(51.107-9.471)-(196.2689-44.2355)=147.552g/kga]]>⑤、根據誤差傳遞理論，對于低溫空氣及混風狀態點，其含濕量及熱焓值的合成誤差與干、濕球溫度傳感器測量精度之間的關系可表示為δd=(∂d∂Pq·∂Pq∂t)2·δ2t+(∂d∂Pq·∂Pq∂ts)2·δ2ts---(15)]]>δi=(∂i∂t)2·δt2+(∂i∂d)2·δd2---(16)]]>對于被測高溫空氣，在式(9)的基礎上由誤差傳遞理論，可將其含濕量及相對濕度測量值的合成誤差表達為如下的形式δdg=(∂dg∂in)2·δ2in+(∂dg∂im)2·δ2im+(∂dg∂dm)2·δ2dm+(∂dg∂dn)2·δ2dn+(∂dx∂a)2·δ2a+(∂dg∂b)2·δ2b---(17)]]> 式(15)～式(18)中，各物理量的意義如下δt—對應測點干球溫度傳感器的測量精度，δt＝δtn，δtmδts—對應測點濕球溫度傳感器的測量精度，δts＝δtns，δtmsδd—對應測點含濕量的合成誤差，δd＝δdn，δdmδi—對應測點熱焓值的合成誤差，δi＝δin，δimδtg—高溫空氣干球溫度傳感器測量精度δdg—被測高溫空氣含濕量測量值的合成誤差δg—被測高溫空氣相對濕度測量值的合成誤差δa，δb—tg測量精度對a，b值的影響，δa＝1.01δtg，δb＝0.00184δtg由式(15)和式(16)計算低溫空氣及混風狀態點含濕量及熱焓值的合成誤差分別為δdn＝0.1229g/kga，δin＝0.1028J/kg；δdm＝0.3788g/kga，δim＝0.1183J/kg根據誤差傳遞理論，由式(17)和式(18)可得在該測量工況下，被測高溫空氣的絕對含濕量及相對濕度測量誤差分別為δdg＝±5.1415g/kgaδg＝±0.1541％RH⑥、由實測高溫空氣的干球溫度tg及④中所計算絕對含濕量dg，利用熱力學關系可確定被測高溫空氣的其它各狀態參數分別為相對濕度g＝5.4％；露點溫度tl＝59.44℃；濕球溫度ts＝63.34℃；焓 值ig＝547.59kJ/kg在該實施例條件下，采用現有的高溫空氣濕度測量儀表(Pride公司的EE29/EE31多功能溫濕度變送器)，測量量程為40℃～180℃，經特殊標定后相對濕度測量精度為±1％RH，此時含濕量的測量誤差為-32.6g/kga～+35.6g/kga；而采用本發明方法，含濕量的測量誤差為±5.1g/kga，相對濕度的測量誤差為±0.154％。因此，由實施例的比較結果可以發現對于高溫空氣濕度的測量，采用本發明方法可以極大地提高測量結果的精度，減小測量誤差；同時也降低了測量儀表的成本，使測量方法更經濟、有效。
權利要求
1.一種高溫空氣溫濕度測量方法，其特征在于該方法采用冷、熱混風方式進行測量，其測量步驟如下1)在高溫空氣的入口設置溫度傳感器，在低溫空氣入口及混風出口處分別設置干、濕球溫度傳感器，根據被測高溫空氣的溫度，調節低溫及高溫風閥的開啟度，控制冷、熱風的混風比例，使其混合后的空氣溫度達到干、濕球溫度傳感器的測濕量程范圍內；2)利用溫度傳感器測量被測高溫空氣的干球溫度tg，低溫空氣的干、濕球溫度tn、tns及混合后空氣的干、濕球溫度tm、tms；3)由步驟2)所測低溫空氣及混風的干、濕球溫度，根據濕空氣熱力性質關系式計算低溫空氣與混風的絕對含濕量和熱焓值dn，in及dm，im；4)由混風過程的熱力學能量平衡與質量平衡關系，利用步驟2)所測高溫空氣的干球溫度tg以及步驟3)所計算的低溫空氣及混風的絕對含濕量及熱焓值dn，in與dm，im，計算出在該測量狀態下的冷、熱風的混風比r；根據熱力學的熱、濕平衡關系，建立冷、熱空氣混合過程的熱量平衡與濕量平衡關系式Gg·ig+Gn·in＝Gm·im(1)Gg·dg+Gn·dn＝Gm·dm(2)Gm＝Gg+Gn(3)并定義冷、熱風的混風比為r=GnGg---(4)]]>所以由式(1)、式(2)和式(4)可得dg＝(1+r)·dm-r·dn(5)ig＝(1+r)·im-r·in(6)而高溫濕空氣的熱焓可表達為ig＝1.01tg+0.001dg·(2501+1.84tg) (7)＝a+b·dg由式(5)～式(7)可得冷、熱空氣的混風比為r=im-b·dm-ab·(dm-dn)-(im-in)---(8)]]>在式(1)～(8)中，各物理量的意義為Gg，Gn，Gm-高溫空氣、低溫空氣及混合后空氣的質量流量r-冷、熱空氣的混風比，r＝Gn/Ggtg-被測高溫空氣的干球溫度dg-被測高溫空氣的絕對含濕量，dg＝dg(tg，tn，tns，tm，tms)dn-低溫空氣的絕對含濕量，dn＝dn(tn，tns)dm-混合后空氣的絕對含濕量，dm＝dm(tm，tms)ig-被測高溫空氣的熱焓值，ig＝ig(tg，dg)in-低溫空氣的熱焓值，in＝in(tn，tns)im-混合后空氣的熱焓值，im＝im(tm，tms)a，b-常系數，a＝1.01tg，b＝2.501+0.00184tgtn，tns-低溫空氣的干、濕球溫度tm，tms-混風的干、濕球溫度5)由步驟4)所計算的混風比r及步驟3)所得低溫空氣、混風的絕對含濕量及熱焓值dn，in與dm，im，計算被測高溫空氣的絕對含濕量dg；將式(8)代入式(5)可得高溫空氣的絕對含濕量為dg=(in-a)·dm-(im-a)·dnb·(dm-dn)-(im-in)---(9)]]>6)通過步驟2)所測被測空氣的干球溫度tg及步驟5)所得被測空氣的絕對含濕量dg，計算被測高溫空氣的濕球溫度、相對濕度、露點溫度及焓值。
全文摘要
一種高溫空氣溫濕度測量方法，屬于空氣狀態參數測量技術領域。本發明的特征在于通過調節高溫及低溫空氣的混風比，控制混合后空氣的溫度在常規溫濕度儀表的測量量程范圍內，通過測量高溫空氣的干球溫度及低溫空氣與混風的干、濕球溫度，利用濕空氣熱力性質關系計算被測高溫空氣的濕度及各狀態參數，實現采用常規溫濕度儀表對高溫空氣濕度的測量。該方法只需測量空氣的干、濕球溫度及調節冷、熱風的混風比例，而無需直接測量混風比，不僅可實現高溫空氣濕度的測量，而且與現有技術相比，具有測量方法簡單，精度高，測量成本低，易于操作和實現的優點。
文檔編號G01N25/56GK1645117SQ200510011169
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月14日 優先權日2005年1月14日
發明者李先庭, 余延順, 石文星, 田長青 申請人:清華大學