如何正确选择湿度与露点测量仪表

如何正确选择湿度与露点测量仪表
如何正确选择湿度与露点测量仪表
什么是湿度?湿度参数
介绍
水蒸气的分压强
湿度就是气态的水,正规称谓为水蒸气。
由于水蒸气呈气态,道尔顿分压定律等大
多数普适气体定律对其均有效。道尔顿定
律确定气体总压强等于各组分气体分压
强之和。
P总= P1 + P2 + P3...
对空气而言,这一等式表示总大气压强
1.013 bar (14.7psia) 为氮气、氧气、水
了解基本要求,获得最佳湿度测量效果。
在各种工业应用中均需要测量并控制湿度。每种应用对湿度仪
表均有不同要求,例如量程要求、温度和压强极限压强、冷凝
后恢复能力、危险环境工作能力以及安装和校准要求。没有只
用一款仪表就能能够满足所有这些要求。事实上仪表可选范围
相当宽泛,取决于对成本和品质的要求。
蒸气、氩气、二氧化碳以及各种其他微量
气体分压强之和。
水蒸气压(强)的定义
水蒸气压(P w) 是指在空气或某种气体中
水蒸气所施加的压强。水蒸气的最大分压
值取决于温度。此处的最大压强即饱和蒸
汽压(P ws)。温度越高,饱和蒸汽压越高,
空气中能够容纳的水蒸气越多。因此,暖
本文在以下几个方面讨论如何帮助您选用正确的湿度仪表:
空气容纳水蒸气的能力比冷空气更强。
• 不同的湿度参数
• 影响湿度仪表选用的传感器特性
当空气或混合气体中水气达到饱和蒸气
• 影响湿度仪表选用的环境条件
• 湿度仪表选择的实用指导原则
压时,若要增加额外的水蒸气则需要等量
的水气凝结为液态或固态。焓湿图以图形
方式显示了饱和蒸气压和温度的关系。
此外,还可使用蒸气压表查看任意温度
的饱和蒸气压,也有许多此类计算机计算
程序可用。
压强对湿度的影响
道尔顿定律说明气体总压(强)的变化必
对包括水蒸气在内所有各组分气体分压
产生影响。例如,如果总压增加一倍,则
所有组分气体分压同样增加一倍。在空
气压缩机的压缩过程中,增压会从空气
中“榨取”出液态水,这是因为水蒸气分
压(P w)增加了,但饱和蒸气压仍然为温度
的函数。随着储气罐中压强的增加,P w 达
某些湿度测量仪表可以选择能够以图形化方式显示的单一湿度
参数。本图为维萨拉·HUMICAP手持式温湿度仪表HM70的不同显
示视图。
到P ws,气态水冷凝为液态,并最终从罐体
中排出。
间内,室温增加到
25°
C时,相对湿度将
会降至约37%,但水蒸气分压保持不变。
于冰的水蒸气饱和压与水的不同,在0°C
以下霜点温度始终略高于露点。人们还经
常用零度以下的露点来当作霜点使用。当
压强也会改变相对湿度。例如,某工艺在
您无法确定是否如此时,可要求对此澄
保持恒定温度时,如果工艺过程压强增
清。
加一倍,相对湿度也将增加一倍。
百万分一(ppm)
露点温度
在湿度值较低的情况下有时也使用百万
移动电话上也可使用湿度计算
表。
当气体冷却时,气态水蒸气开始冷凝为液
分一(ppm)作为单位。该值为水蒸气与干
态,发生冷凝时的温度即露点温度(Td)。
燥气体或总气体(含湿气)的比值,即可表
相对湿度为100%时,环境温度即等于露点
示为体积/体积(pp m vol ),也可表示为质
温度。露点温度低于环境温度越多,发生
量/重量(ppm w)。百万分一可以量化的形
冷凝的可能性越小,空气越干燥。
式表述如下:
露点与饱和蒸气压(P ws)直接相关。任何露
相对湿度
点温度所相关的水蒸气分压均可以方便
地计算出。与相对湿度不同,露点不取决
当把水蒸气看作气体时,相对湿度就比较
于温度,但受压强影响。常见的露点测量
容易定义了。相对湿度(RH)
应用包括各种干燥工艺、干燥空气应用以
可定义为在
某一特定温度下水蒸气分压(P w)对饱和压
及压缩空气干燥等。
(P ws)的比率。
%RH = 100% × P w / P ws
在定义中由于分母(P ws)为温度的函数,因
此相对湿度对温度有很强的依赖性。例
如,在相对湿度50% 且在温度 20°
C的房
霜点温度
如果露点温度低于冰点(在干燥空气应用
中会出现这种情况),有时候用术语霜点
(Tf)来确切表述冷凝为冰的这一状况。由
ppm vol = [P w /(P - P ws )] × 106
在描述带压且干燥的纯气体中水蒸气含
量时,通常使用ppm 作为单位。
混合比
混合比(x)为水蒸气质量与干燥气体质量
的比值。该值没有单位,但通常用每公斤
干燥空气中水蒸气的克数表示。混合比主
要用在干燥工艺和暖通空调应用中,用于
在空气质量流量已知的条件下计算水含
量。
湿球温度
绝对湿度
水活度
传统概念上湿球温度(Tw)是指包裹有湿
绝对湿度指在给定温度和压强的情况下,
水活度(aw)与平衡相对湿度类似,但并非
润棉套的温度计显示的温度。湿球温度
单位体积湿润空气中水的质量。该值通
使用0%-100%标度,而是使用介于0至1之
和环境温度结合使用可计算相对湿度或
常表达为每立方米空气水的克数。绝对
间的值标度。
露点。例如,空调系统的湿球 温 度与干
湿度是工艺控制和干燥应用中的常见参
球温度对比可判别蒸发冷却器的冷却能
数。
焓值
力。
热焓值是指将干燥气体从
0°
C转化到当
前状态所需要的能量值,通常用于空调计
算。
环境条件对湿度测量的影响
环境条件对湿度和露点测量具有显著的
注意温差问题
推荐的安装方式
在将湿度探头安装就位时,要避免沿探
探头
密封
管道或腔室安装
影响。为了获得最佳测量效果,需要对以
下环境因素加以考虑:
参考探头安装孔
头长度方向出现温度下降。当探头与外部
环境存在较大温差时,整个探头主体应
当安装在工艺环境内部,线缆入口点应当
始终选择能够代表被测环境的位置作为
隔绝材料
密封
绝热处理。
测量点,要避免热点或冷点。安装在门、
加 湿器或 空调 进 气口附 近的变 送 器可
在可能发生冷凝的情况下,应以水平方式
能会发生迅速的湿度变动,表现不够稳
安装探头,避免水滴到探头/线缆上并让
定。
过滤器达到饱和(见图1)。
由于相对 湿 度 对 温 度具有很强的依 赖
确保传感器周边空气能够流动。空气自
性,因此让湿度传感器与被测空气或气体
由流动可确保传感器与工艺温度保持平
处于相同温度状态非常重要。在比较两种
衡。在温度
不同仪表的湿度读数时,保持仪表/探头
条件下,传感器与测量区之间1°C的温差
与被测气体之间的热平衡特别关键。
会导致3%RH的测量误差。在相对湿度为
20°
C和相对湿度
如果有
冷凝
险,不推
荐采用该
安装方式
探头
要避免沿着
探头形成大
的温度差
图1:在冷凝环境下安装湿度
探头。
50%RH的
100%RH时,误差为 6%RH(见图2)。
湿度差
选择代表性测量位置
隔绝材料
密闭空间
与相对湿度不同,露点测量与温度没有关
系。但是在测量露点时必须考虑压强条
适用于较高湿度的仪表
件。
温度
此处将相对湿度>90%RH的环境定义为较
高湿度环境。在相对湿度为90%RH时,2°C
的差异就能够导致传感器上出现水的凝
结,在通风不良的空间可能要花费数小时
图2:当周围空气与传感器之
间的温度差为1°C时不同温度
下100%RH相对湿度的测量误
差。
露点测量何时需要使用采样系
统?
才能让其恢复干燥。维萨拉湿度传感器可
从冷凝状态下恢复。但是,如果冷凝水已
经受到污染,传感器上会出现污染物沉积
(特别是盐类沉积),从而影响仪表测量精
探头应尽可能安装在实际工艺流程中,以
度。这种情况甚至会缩短传感器的寿命。
获得最精确的测量数据和迅速的响应时
在可能发生冷凝的较高湿度应用中,应选
间。但是直接安装并非始终可行。在这种
用带加热功能的传感器探头。
情况下,在线安装的采样腔就可作为适当
测量探头的测量点使用。
适用于较低湿度的仪表
球阀
注意由于温度变化会影响到测量结果,外
此处将相对湿度<10%RH的环境定义为较
部采样系统不可用于相对湿度测量。采样
低湿度环境。在较低湿度环境下,测量相
系统可与露点探头配合使用。在测量露点
对湿度的仪表精度可能不足。测量露点反
时,采样系统通常可起到降低工艺气体温
而能够获得较佳的湿度值。例如,维萨拉
度,保护探头免于特定污染,或实现无需
不锈钢过滤器
DRYCAP®产品即专为测量露点而设计。
中断工艺流程即可轻松将仪表接入或拆
下的功能。
如果压缩空气系统的干燥机发生故障,
工艺管道
就可能会出现水的凝结,此时仪表需要恢
将露点变送器与采样腔连接就构成一套
复原始状态。许多露点传感器在这种情况
最简单的露点采样装置。维萨拉拥有多种
下都会被损坏或损毁,但维萨拉DRYCAP®
露点传感器能够耐受较高湿度,甚至在水
图3:安装在工艺管路上的球
阀。
溅环境也可工作。
型号产品可满足最常见的应用和采样需
求。例如,安装方便的DSC74采样腔即专为
压缩空气应用中的流动和压强条件而设
计。
适用于极端温度及压强条件的
仪表
在要求苛刻的工艺条件下,采样系统的选
用须谨慎周到。由于露点与压强有关,可
始终连续曝露在极端温度条件下可能会
降低泄漏。但是,当工艺环境处于隔离状
能需要使用流量计、压强表、特殊非多孔
对传感器和探头材料造成影响。因此为苛
态,或当工艺环境与外部环境之间存在
管件、过滤器及泵等装置。图4为适用于
刻环境选择能够与之匹配的产品至关重
压差较大时,必须选用密封型探头,并进
DM70程度维萨拉 DRYCAP®便携式采样系
要。在温度高于60°
C条件时,应将变送器
行正确的安装。探头安装口处的泄漏将会
统DSS70A工作流程图举例。
电子器件安装在工艺环境外部,仅将与之
影响局部湿度,导致错误的测量读数。
匹配的高温探头插入高温环境内。另外,
在加压系统内,由于工艺压强会产生足够
需要使用内置温度补偿减少由于较大温
在许多应用中,建议使用球阀将探头与工
的气流进入采样腔,所以无需使用采样
度波动或极端温度导致的误差。
艺环境分离,从而无需关闭整个工艺流程
泵。
就可拆下探头进行维护作业(见图3)。
当被测环境与周围环境压强相仿的工艺
在使用采样系统测量露点时,若冷盘管或
条件下测量相对湿度时,少许泄漏是可以
连接管路周边环境温度处在露点温度的
接受的,并可通过探头或线缆周边的密封
10°
C范围之内,则应使用伴随加热系统。
这样可以避免将露点仪表与工艺环境连
接的管件发生冷凝。
危险环境
在潜在爆炸区域内仅可使用经过适当认
证的产品。例如,在欧洲产品必须符合自
2003年起生效的ATEX100a指令要求。本
质安全产品则即使出现故障,也不会产生
足以引燃某类气体的能量。从本质安全产
品引出至安全区域的线路必须使用安全
栅进行隔离。例如,维萨拉HMT360系列本
质安全湿度变送器即专为危险环境应用
而设计。
冲击与振动
维萨拉HUMICAP®湿度温度变送器系列HMT360即专为危险及爆炸
环境而设计。
在探头承受过量冲击或振动的情况下,对
于探头选型、安装方法和安装位置须加
以周密考虑。
过滤器
Td探头采样室
针阀
流量计
采样泵
样气入口
样气入口
图4: DSS70A采样系统由用于净化气体的过滤器和控制采样流
速的针阀组成。针对未加压工艺气体的采样需要使用采样泵。
优质湿度传感器有哪些特征?
湿度传感器性能是湿度测量总体质量的
最佳量程
良好的化学耐受性
要根据应用和工作温度的不同选择湿度
腐蚀性化学物质会造成传感器的损毁或
传感器,在极端湿度条件下尤为如此。
污染。仪表制造商应当了解各种化学品对
关键所在。可以从以下几个重要方面考虑
传感器特性:
快速响应时间
其传感器的影响,并提供可耐受化学品浓
绝大部分维萨拉湿度传感器可在全量程
传感器响应时间即传感器对湿度阶跃变
0至100%RH范围内工作。维萨拉HUMICAP®
化的响应速度。除传感器之外,温度、气
传感器是针对相对湿度处于10–100%RH
流和过滤器类型均对响应时间有一定影
应用的最佳之选,而DRYCAP®传感器则专
响。阻塞式过滤器会减缓响应速度。
为0–10%RH较低湿度范围测量而设计。
度有关的建议。
高精度
精度是一个使用甚广但又难于定义的术
语。从国际认可校准实验室的主标准到实
际产品制造和现场测量的每个校准链环
节均会产生误差。这些潜在误差的总和即
测量的不确定性。
在选择湿度传感器时,需考虑以下与精度
有关的因素:
维萨拉生产的湿度传感器。
• 工作范围内的线性
• 迟滞性与可重复性
• 一段时间内的稳定性
在仪表制造过程中,维萨拉产品是与工厂
数维萨拉产品随设备提供包含详细校准
标准为基准进行比较与调校,而工厂标准
链信息的证书。
是直接溯源到国际公认的标准。绝大多
• 传感器的温度依赖性
为‘工作’选择适当的湿度仪表
维萨拉以 HUMICAP®和DRYCAP®传感器为
等级为IP65或NEMA 4的外壳能够有效防
基础设计并制造了多种用于测量相对湿
护粉尘和喷溅水的影响。在安装过程中
度、温度和露点的产品。所有维萨拉湿度
需要对线缆接入点进行密封处理。
仪表均配有内置温度补偿功能,可降低由
维萨拉湿度仪表使用的防护性
过滤器。
于温度波动和极端工作温度导致的误差。
在室外使用仪表时,应安装防辐射罩或
许多产品还包括其他湿度参数的内置计
百叶箱以防止太阳辐射和极端天气影响
算功能。
测量效果。
选用正确的过滤器保护传感器
和电子器件
仪表必须具有抗冷凝功能吗?
在接近冷凝条件下获得良好的湿度测量
为确定适用的最佳湿度参数和最佳仪表,
过滤器不但可以将传感器与任何杂散电
效果具有相当难度。在测量接近饱和点相
无论哪种应用均应知道气体 温度和预计
磁场屏蔽隔离,还可保护传感器免于粉
对湿度时,采用可加热探头技术能够获
水蒸气含量的范围。在工艺环境测量湿度
尘、污垢和机械应力的影响。薄膜过滤
得可靠的测量性能。可加热探头的湿度水
时,还须知道工艺压强。对于空气之外的
器或网式过滤器适用于大多数应用。在
平始终保持在环境湿度水平之下,因此不
气体,必须知道气体组分。
温度高于80°
C、高压、或空气流动速度达
会发生冷凝。
到75米/秒的情况下,应当选用烧结过滤
术语探头、变送器和传感器均用以表述测
器。
量湿度的仪表产品。探头是包含湿度传感
器在内的产品组件。探头可直接与变送器
适当的保护型外壳能够让仪表电子器件
连接,也可通过柔性线缆连接。变送器可
免于粉尘、污浊和过度潮湿的影响。防护
提供输出信号。
仪表必须具备耐受化学品的性
能吗?
化学品清除功能有助于保持化学品或清
洁剂浓度较高环境下的测量精度。定期
清洗加热传感器能够有效去除长时间积
累的化学物质。
电磁兼容性(EMC)的重要性
有许多标准对产品抗外部电气干扰能力
有明确定义。此外,产品必须不得产生能
够对敏感性设备产生干扰的辐射。工业
应用对电磁兼容性(EM C)的要求比暖通
维萨拉HUMICAP®温湿度变送器系列HMT330是专为满足苛刻工业
需求而设计、使用灵活的产品系列。
空调设备更为苛刻,CE标记为欧洲合规标
志。
需要使用哪种电源和输出信号?
连接,在这种2线制系统中电源和输出信
号电流是在同一线缆中。
接线与接地问题
大多数测量仪表使用低压电源供电。如果
选用低压交流电源,则建议每个变送器使
除模拟输出外,某些维萨拉产品还可通
若非线缆走线较短,则推荐使用屏蔽电
用隔离电源,避免产生接地回路或受到电
过RS-232,RS-485,或LA N/WLA N接口实
缆。应避免接近高压电缆或射频辐射源。
感负载干扰。
现数字通讯。还可使用选定的商业协议
建议将电缆屏蔽层在公共点接地,避免
(Modbus, BACnet)。
使用多个接地点。某些维萨拉产品还可
模拟输出仪表通常均可选择电压与电流
选用电流隔离功能。
输出。选择哪种取决于信号输出距离和接
口设备。某些产品采用4–20mA 回路供电
采购前对校准问题考量
湿度(露点)测量仪表通常需要每年或每
表长期运行的稳定性。定期校准是了解仪
隔一年进行校准。根据应用领域和仪表
表长期稳定性的关键。
稳定性的不同,在不同程度的现场检查与
校准便利性上对校准要求也有所不同,例
校 准 频 率 与 工 作 环 境 有 关 。对 于
如,某些仪表需要送至实验室进行校准。
H U M ICA P ®产品来说,维萨拉每年 校准
因此熟悉校准需求是仪表选型的重要方
一次 的 经 验 法 则 足以 满 足 要 求 ,而 对
面。
DRYCAP®产品来说,大多数应用可选择两
年校准一次。在恒定高湿度 (>85%RH)、
校准频率
高温
(>120°
C)、或化学腐蚀气氛下测量
时,需要进行更高频度的检查。
特定仪表的单独校准证书可显示校准时
的精度和线性特征。但并不能够体现出仪
配合HM70手持式仪表使用的
HMW90湿度变送器现场校准。
湿度仪表校准
在校准过程中,需要将仪表的湿度读数与
便携式参考仪表对照。应对参考仪表定
期进行校准,并配有有效证书。在选择校
准方法时,必须对时间、成本、技术要求、
专业知识以及机构特定需求进行权衡。
可从设备上拆下的仪表和便携式仪表能
够在认证实验室校准,或返回至仪表供应
商处校准。维萨拉在全球设有四个提供
校准服务的服务中心。
安装在工艺流程内且安装空间狭小的仪
表可选用无需拆卸仪表即可进行现场单
点校准方式。单点校准也可用于确认是否
需要进一步调校需求。
诸如维萨拉HUMICAP®
用于多点现场校准的维萨拉湿度校准器HMK15。
手持式湿度温度
仪表HM70或维萨拉DRYCAP®手持式露点
比,多点校准的优势在于全量程范围内可
拉DRYCAP®产品进行校准。他们可选择在
仪表DM70之类的便携式仪表可直接与现
获得更高精度。例如,在使用维萨拉湿度
诸如维萨拉服务中心之类的专业性校准
场测量产品连接,将读数与便携式仪表显
校准器HMK15的情况下可创建多个湿度水
实验室进行校准。但是,可使用维萨拉
示的读数对照。
平。
DRYCAP®
手持式露点仪DM70对露点仪表
进行现场检查,以确认是否需要调整。
在湿度变动较大的环境下,推荐选用多点
露点仪表校准
若需有关维萨拉湿度仪表的更多信息,请
校准方法。只要当地局部环境温度保持
稳定,在湿度发生装置的帮助下可以在
对低露点仪表进行高品质校准具有相当
现场完成两点或三点校准。与单点校准相
难度。为此维萨拉不建议由客户对维萨
Ref. B211203ZH-A ©Vaisala 2012
更多详情,请访问 cn.vaisala.com,
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维萨拉环境部客户支持电话:400 810 0126
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