现代湿度测量方法评述

　　0　引言

　　湿度是一个重要的物理量,在过程控制、质量控制、能源利用、健康及安全等诸多领域都扮演着重要的角色,特别是许多高科技领域,如半导体制造、制药、电力和通讯等,对湿度测量的要求越来越高。随着科学技术的发展,现代湿度测量技术有了长足的进步。从传统的干湿球法、露点法、电解法到各种电湿度测量方法再到吸收光谱法,各种方法不断完善、成熟,逐渐应用到了不同的湿度测量领域中,湿度测量正向着更快捷、更准确、更灵敏的方向发展。本文主要讨论露点法、电湿度传感器和吸收光谱法。

　　1　露点法

　　露点法是一种传统的湿度测量方法,其理论基础是:在气体和水汽都遵循理想气体定律的条件下,湿空气在冷却过程中水汽分压保持不变。从经典的Regnault露点仪算起,露点法已经有一百多年的历史了,但是,在现代湿度测量中露点法仍然占有重要的地位[1]。露点仪的设计过程中主要涉及以下几个关键问题:制冷方法、露点温度测量方法和露的检出方法。热电制冷是露点仪中普遍采用的制冷方法,其原理是利用半导体的帕尔帖效应。目前采用五级制冷的露点仪最低露点检测温度可以达到-80℃,制冷元件的热端一般采用水冷的方式,如果制冷元件的热端采用压缩机制冷,露点检测温度可以进一步扩展到-100℃。

　　在现代露点仪中,露点温度测量主要是采用铂电阻感温元件,它在相当宽的温度范围内阻值和温度近于线性关系,稳定性好,输出信号强,由于体积相对较大,为减小温度梯度的影响,在结构设计上应给予充分注意。

　　露的检出方法主要有三种:一是电学方法;二是光学方法;三是声表面波法。早期的露点仪主要采用电学方法,其原理是利用冷凝面上表面电阻的变化来测量露点温度;随着光电技术的发展,光学方法得到了广泛的应用,利用冷凝面对入射光的反射和散射可以准确地测量露点温度;近年来,表面声波技术在露点测量领域中的应用也逐渐成熟起来。下面介绍两种较为常用的露点仪:光电式露点仪和声表面波露点仪。

　　1.1　光电式露点仪(Chilled-Mirror Hygrometer)

　　现代光电式露点仪的测量原理如图1所示,测量室中有两对发光二极管和光电探测器,其中一路作为参考信号,另一路用来检测镜面的散射光。当镜面温度高于被测气体的露点温度时,镜面上没有露(霜)层形成,反射率很高,电桥处于不平衡状态,此时输出的信号通过功率放大控制热电制冷器;随着镜面温度下降,达到被测气体的露(霜)点温度后,在镜面上就会形成露(霜)层,光线将会在镜面上发生散射,电桥从不平衡趋向平衡状态,通过反馈控制系统调节镜面的温度,将冷凝在镜面上的露(霜)层控制在一定的厚度范围内,当被测气体中水汽的冷凝速度和镜面上露(霜)层的蒸发速度达到平衡状态后,测量此时的镜面温度,就是被测气体的露点温度。