濕度發生器裝置的應用及工作原理

從目前來看，濕度發生器主要利用一下五種原理。

   1 改變已知濕度氣體（主要是指飽和濕氣）狀態的方法 。我們知道，氣體的狀態由壓力、溫度和體積來確定，對于飽和濕氣，如果狀態條件不變，那末水汽的含量是恒定的，反之，若狀態改變，水汽含量亦隨之改變。于是可以利用熱力學 P 、 v 、 T

關系配制出所要求的濕度的氣體，基于這一原理的方法有改變壓力的方法，即雙壓法；改變溫度的方法，即雙溫法；以及同時改變壓力和溫度的方法；

   2 混合法 ，它又可以分為混流法和分流法兩種。前者是將飽和濕氣或過熱蒸汽同干氣混合：后者是將一股干氣地按比例分為兩股，其中一股用水汽飽和，另一股仍保持干燥、而后進行混合。

   3 膜滲透法 ，膜的一側是水，由于膜兩側的水汽分壓不同，于是水汽通過膜向另一側滲透。基干這一原理通常使用的方法是滲透管配氣技術。

   4 溫度固定點法 ，即平衡水汽壓法，這種方法是利用某些鹽類或其它化合物（例如硫酸和甘油）的水溶液在一定的條件下其氣相中的水汽分壓保持恒定的原理。

  5 化學方法 。根據定比定律，氫和氧在催化劑存在的情況下能按比例地化合，生成定量的水。

    飽和器是這些發生器結構的重要組成部分，是發生含有飽和水汽的濕空氣的裝置，因此，建立在發生飽和濕氣基礎上的各種恒濕氣體發生器，其性能與飽和器的效率密切相關。從發生器的工作原理，特點和適用的濕度范圍出發，飽和器可以設計成多種形式，主要有（1）鼓泡式（2）噴霧式（3）塔板式（4）管式（5）離心式（6）“迷宮”式，這里不再詳細介紹，有興趣可與編者。

下面介紹幾種典型的濕度發生器

一、雙壓法濕度發生器

  原理：氣體在加壓狀態下被水汽飽和然后減壓膨脹。假如氣體在飽和、膨脹過程溫度保持恒定，并服從理想氣體定律，那末由道爾

頓定律可得到如下關系式：

    式中 e w 和 P s 分別為飽和器中的飽和水汽分壓和氣體的總壓， e c 和 P c 分別為試驗腔中的水汽分壓和氣體的總壓。那

末，據定義，在溫度 t 時，低壓下的氣體的相對溫度可按下式計算： 

U=Pc/Ps*100

    如果飽和器內的溫度和試驗室內的溫度也不相同，即變成既改變壓力也改變溫度的情況，則試驗室的相對濕度可采用下式計算。

U=（Pc/Ps） * （ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

式中 ew（Ts） 和 ew（Tc） 分別為飽和器和試驗腔溫度下的飽和水汽分壓。

雙壓濕度發生器通常由如下六個部分組成

（ 1 ）氣源系統

（ 2 ）載氣干燥系統

（ 3 ）飽和器系統

（ 4 ）試驗腔

（ 5 ）恒溫系統

（ 6 ）溫度和壓力的測量與控制系統

二、雙溫法濕度發生器

    原理：ts 和 tc 分別為飽和器溫度和試驗腔溫度，通過氣泵使氣流在飽和器與試驗腔之間不斷循環，經過一定時間之后，氣流中的水汽達到飽和狀態。 e w （T s ） 是在溫度 T s 下的飽和水汽壓力， e c 是在較高溫度 T c 下的飽和水汽壓力。

假設氣體為理想氣體，并且飽和器總壓力 P s 等于試驗腔內氣體的總壓力 P c ，那么，在溫度為 T c 的試驗腔內氣體的相對濕度可以用如

下式計算：

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

    在 Ps 和 Pc 不一致時，特別是在氣流速度較高的情況下，就需要考慮進行壓力修正，

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * （Pc/Ps） * 100

    基于兩個溫度原理設計的密閉式濕度發生器有多種不同的結構形式。

三、低霜點濕度發生器

    低霜點濕度發生器是一種專門用于低濕領域校正的能夠發生水汽含量低至 ppm 級（即低于百萬分之一）氣體的設備。

    同雙溫法相似，霜點濕度發生器制備已知濕度氣體的過程是一個等壓變溫過程。經過充分干燥的氣體首先流經一個熱交換器然后進入飽和器，換熱器和飽和器均浸沒在一個恒溫液體槽中。飽和器是一根螺旋形金屬盤管。管的內表面為大約 1mm 厚的薄冰層所覆蓋。通過飽和器的氣流距離冰層表面不超過 4mm 。在流速為 2L/min 時，氣體的平均傳質時間大約 7s 。

    干氣流經過換熱達到槽溫而后進入飽和器，因為使氣流達到飽和所需的水汽量非常小，所以管內冰的升華作用不會導致冰面溫度明顯下降，另外，由于盤管足夠長，氣體的飽和過程在盤管的前部就己完成，盤管其余部分只是作為飽和氣體Z后換熱之用。通過飽和器的氣體不存在明顯的壓力降。飽和器出口端氣體的溫度與飽和器的溫度相同或十分接近，所以這一溫度可視為氣流的霜點溫度。

四 、分流法濕度發生器

    原理：干氣源（一般是干空氣）的氣體按一定的比例分成兩部分，一路進入飽和器 S ，被飽和的氣流在混合室 C M 中同另一股干氣混合，而后進入試驗腔 C T ，Z后排入大氣。飽和器、混合室和試驗腔浸在同一個恒溫槽中。

試驗腔中的相對濕度是下列因素的函數：

（1） 通過飽和器的空氣的份數。

（2） 飽和器中的總壓力。

（3） 飽和水汽壓力。

（4） 試驗腔中的水汽分壓力。

計算試驗腔中相對濕度的公式：

U=100 * X / [1-（1-X） es/Ps ]

式中，X分流比，es為飽和器中的水汽分壓力， Ps為飽和器中的總壓力。

分流法的相對溫度不確定度一般在 1-3 ％范圍內；所以在低溫下使用上述簡化式完滿足方法的準確度要求。

五、滲透法濕度發生器

    滲透管的工作基礎就是依據膜滲透原理，水分子穿過管壁的滲透過程遵循 Fick 定律，

q=-D*S * （dP/dB）

式中， q: 滲透速率，

D ：滲透系數

S: 有效滲透面積，

dP/dB: 膜兩側水汽的壓力梯度，其中 B 為膜的厚度。

    由上式可見滲透速率與膜的材料及其密度、厚度、有效滲透面積、材料的物理特性（如親水或憎水）以及膜兩側的水汽分壓差等

有關。

    發生器輸出的標準氣的水分濃度按下式計算：

C=（q*V） / （F*Mv）

式中： C ——標準汽的水分濃度，單位為 ppmv

q ——標定溫度對應的滲透率，單位為μ g/min

V ——水汽的摩爾體積，單位為 L/mol

F ——干載氣流量，單位為 L/min

Mv ——水的摩爾質量，單位為 g/mol

    由上可知，載氣的干燥程度及其流量會直接影響輸出氣體的濕度量值。因此，載氣必須經干燥系統充分干燥，同時要求氣源穩定

和對流量進行準確的測量。發生器的準確度取決于所用的滲透管滲透率標定的不確定度、氣源的穩定性、載氣流量測定的準確度，以及恒溫精度。