一種高速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及了一種高速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1.目前的技術(shù)現(xiàn)狀
[0003] 在計(jì)量中，濕度被定義為"物象狀態(tài)的量"，濕度的表示方法很多，如絕對濕度，相 對濕度，露點(diǎn)溫度，體積比等，相對濕度P表示一定溫度下，空氣接近飽和狀態(tài)的程度。對于 中溫環(huán)境的濕度測量，目前市場上使用偏多的還是露點(diǎn)濕度計(jì)。
[0004] 但由于在測量濕度的過程中。由于空氣中含有大量的水滴，如果氣流流速非常高， 且濕度傳感器置于氣流中，氣流對傳感器造成沖擊的同時，由于速度的驟變，導(dǎo)致水汽溫度 驟變，甚至?xí)兴文墼趥鞲衅魃?，造成濕度傳感器失真，從而無法得到氣流的真實(shí)濕 度，綜上所述，使用常規(guī)濕度傳感器針對較高流動速度的空氣進(jìn)行測量時，存在較大的局限 性。因此目前市場中高端濕敏傳感器可承受最大的風(fēng)速也不過為20m/s。
[0005] 近幾年，光纖濕度傳感器有了較快的發(fā)展，它可適應(yīng)高強(qiáng)度電磁輻射干擾和高污 染等特殊環(huán)境下的濕度檢測。但光纖濕度傳感器還不夠成熟，其對測量環(huán)境溫度和空氣流 速的要求還有待研究。高速中等溫度負(fù)壓環(huán)境的流動空氣的濕度檢測是目前仍是一個技術(shù) 難點(diǎn)，采用現(xiàn)有常規(guī)濕度傳感器對這種環(huán)境下的空氣濕度進(jìn)行直接測量是不可行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明基于下述理論基礎(chǔ)：
[0007] 1、我國的濕度計(jì)量基準(zhǔn)是基于質(zhì)量混合比的定義建立的，濕度檢測主要是檢測空 氣中水蒸氣的含量；
[0008] 2、根據(jù)飽和水蒸氣骨架表和ASHTAE、Houghton提出的水蒸氣表，利用回歸分析 法，擬合出〇°C以上的飽和水蒸氣壓方程；
[0009] 3、在工程應(yīng)用中，空氣的靜態(tài)溫度對濕度影響顯著，通常，當(dāng)含濕量恒為常數(shù)時， 相對濕度會隨溫度變化，溫度升高，相對濕度就低，溫度下降，相對濕度就高；
[0010] 4、將濕空氣假設(shè)為理想氣體；
[0011] 5、假設(shè)測量過程為絕熱過程。
[0012] 以下對所用到的技術(shù)術(shù)語進(jìn)行說明：
[0013] 質(zhì)量混合比：是濕空氣中所含的水汽質(zhì)量與它共存的干空氣質(zhì)量的比值，用r表 示；
[0015] 式中ms--給定的濕空氣中的水汽質(zhì)量g ;
[0016] ma-與質(zhì)量為ms的水汽共存的干空氣質(zhì)量g ;
[0017] 含濕量：每kg干空氣中所含有的水蒸氣量，用d表示；
[0019] 飽和濕空氣：在一定溫度下，單位體積濕空氣中所含水蒸氣的量達(dá)到最大限度時， 稱此濕空氣為飽和濕空氣；
[0020] 水蒸氣分壓力：是指在濕空氣中的水蒸氣單獨(dú)占有濕空氣的體積，并具有與濕空 氣相同溫度時所具有的壓力，用P q表示；
[0021] 飽和水蒸氣分壓：飽和濕空氣所具有的水蒸氣分壓力稱為飽和水蒸氣分壓，用Ps 表不；
[0022] 相對濕度：濕空氣中的水蒸氣分壓力與相同溫度下濕空氣的飽和水蒸氣分壓力之 t匕，用切表不；
[0023] 其表達(dá)式如下所示：
[0025] 對于濕空氣中的水蒸氣和干空氣別應(yīng)用氣體狀態(tài)方程式，則由道爾頓分壓力定律 有：
[0026] PqV = IiiqRJ (4)
[0027] PaV = HiaRJ (5)
[0028] 從中解出ms，ma代入含濕量的定義有：
[0030] 式中Rq--水蒸氣氣體狀態(tài)參數(shù)；
[0031 ] Ra--干空氣狀氣體態(tài)參數(shù)；
[0032] B--濕空氣的總壓，B = Pq+Pa ;
[0033] 濕度本身并不是一個獨(dú)立的測量參數(shù)，它受很多因素的制約，且各影響之間相關(guān)， 濕度多數(shù)屬于導(dǎo)出單位。本文技術(shù)現(xiàn)狀中已經(jīng)陳述，被測環(huán)境氣流流速大于20m/s時，不滿 足濕度傳感器測量要求，使用現(xiàn)有濕度傳感器無法實(shí)現(xiàn)對高速氣流的相對濕度的直接準(zhǔn)確 測量。
[0034] 間接測量原理是基于我國的濕度計(jì)量基準(zhǔn)是基于質(zhì)量混合比的定義建立的，試圖 采用間接測量的方法，將測量氣流流速降低至可測范圍之內(nèi)，測得該環(huán)境下的相對濕度，測 量過程保證氣流含濕量不變化，依據(jù)含濕量和測量環(huán)境與原環(huán)境的壓強(qiáng)的變化，對測量結(jié) 果進(jìn)行補(bǔ)償。
[0035] 其中，間接測量濕度傳感器使用瑞士羅卓尼克溫濕度傳感器，其測量溫度范圍為 (TC一200°C ;誤差補(bǔ)償依據(jù)飽和和水蒸氣骨架表和ASHTAE、Houghton提出的水蒸氣表，利 用回歸分析法，擬合出〇°C以上的飽和水蒸氣壓方程。
[0036] 以上間接測量相對濕度的方法可以歸納為：降低測量環(huán)境中的氣流流速，通過測 得的相對濕度，推導(dǎo)氣流含濕量，根據(jù)間接測量環(huán)境與原環(huán)的壓強(qiáng)的變化，根據(jù)含濕量方程 和飽和水蒸氣壓方程對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)對高速中溫負(fù)壓環(huán)境氣流的間接準(zhǔn)確 的相對濕度測量。
[0037] 本發(fā)明的目的是為了實(shí)現(xiàn)高速中溫負(fù)壓環(huán)境下空氣的濕度檢測，特提供了一種高 速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量方法。
[0038] 本發(fā)明提供了一種高速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量方法，其特征在于：所述的 高速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量方法為，間接測量高速中溫負(fù)壓空氣濕度的連續(xù)測量， 設(shè)計(jì)了一套測量裝置，實(shí)現(xiàn)高速中溫負(fù)壓環(huán)境下空氣的濕度檢測；
[0039] 測量裝置主要由真空泵、氣體測量腔、冷卻腔、加溫器、濕度計(jì)、絕壓表及電磁閥和 調(diào)節(jié)閥，保溫裝置組成；
[0040] 由于氣流通道為負(fù)壓，真空泵12的作用是將負(fù)壓環(huán)境的被測氣流抽吸至測量腔 6,測量腔6的作用是保溫，降速，減小高速氣流對濕度傳感器4沖擊的同時，滿足傳感器的 測量要求；冷卻腔的作用是將被測中溫氣流與大氣常溫氣流摻混，實(shí)現(xiàn)真空泵12對被抽吸 氣體的溫度要求；數(shù)據(jù)可上傳中控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空置，實(shí)時監(jiān)測，連續(xù)測量；
[0041] 真空泵12與調(diào)節(jié)閥1、測量腔6、冷卻腔8及聯(lián)接管路組成了抽吸裝置，真空泵12 工作時可將被測環(huán)境中的氣流抽至測量腔6 ;被測氣流被抽吸流入測量腔6,出口體積膨 脹，氣流速度降低，期望在濕度測量計(jì)4所在截面的來流速度降低至可測范圍之內(nèi)，溫度計(jì) 7靠近濕度傳感器4,以減小測量溫度偏差；加溫器5是保證測量腔6內(nèi)的溫度與來流氣流 溫度相同；被測氣流流入冷卻腔8,與流過調(diào)節(jié)閥9的大氣常溫氣體在冷卻腔內(nèi)摻混，降低 氣流溫度，最后被抽入真空泵，排入大氣。
[0042] 1)、根據(jù)測量段內(nèi)的氣流溫度變化，選擇合適的真空度；
[0043] 在測量裝置中，盡管沿程管路及測量腔做保溫處理，與測量腔相連的加溫器5和 溫度表7可以保證測量腔內(nèi)的溫度與氣流通道內(nèi)的溫度相同，但是相對濕度只與氣流的靜 態(tài)溫度有關(guān)；依據(jù)氣體動力學(xué)可知，氣流在管路中的流動，隨著壓強(qiáng)和速度的變化，氣流本 身的靜態(tài)溫度也會變化；
[0044] 在真空泵的作用下，原測量環(huán)境與測量腔之間會形成一定的壓差VP，氣流則在測 量管路內(nèi)速度逐漸變大；依據(jù)氣體動力學(xué)知識，氣流速度變化使得氣流溫度也會隨著改變； 假設(shè)氣流在管路流入測量腔的過程等效為絕熱過程，且忽略氣流通過調(diào)節(jié)閥及管路內(nèi)的沿 程壓力損失；測量管道的進(jìn)出口溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系為：
[0046] 式中T1--測量裝置管路入口截面處的氣流總溫；
[0047] T2--氣流流入測量腔的入口截面處的氣流總溫；
[0048] P1--測量裝置管道入口截面處的氣流總壓強(qiáng)；
[0049] P2--氣流流入測量腔的入口截面處的氣流總壓強(qiáng)；
[0050] k-絕熱指數(shù)，理想氣體k = 1. 4 ;
[0051] 假設(shè)氣流通道為略小于大氣壓的負(fù)壓環(huán)境，P1 = lOOOOOPa，T1 = 160°C，管道內(nèi)流 速V = 180m/s為前提進(jìn)行分析，測量腔壓力表的絕壓值調(diào)至IOkPa,則由以上公式（7)可 得：
[0052] T2 = 0. 97 X T1
[0053] 依據(jù)伯努利方程：
[0055] 式中V1--氣流進(jìn)入測量裝置管道入口截面處的流速，測量管路引氣口與管道避 免垂直，故取V 1 = 〇 ;
[0056] V2--氣流進(jìn)入測量腔的入口截面處的流速；
[0057] P1--氣流進(jìn)入測量裝置管道入口截面處的氣流密度；
[0058] p 2--氣流進(jìn)入測量腔的入口截面處的氣流密度；
[0059] 由完全氣體的狀態(tài)方程：
[0061] 式中R--氣體常數(shù)，假設(shè)為理想氣體，R = 287J/kg · K
[0062] 則，P 1 = 0. 8047kg/m3,假設(shè)在抽吸過程中密度不隨壓強(qiáng)改變，則代入公式（8)可 得：
[0063] V2 = 157. 65m/s
[0064] 測量裝置環(huán)境T = 160°C，此時的聲速為
則，測量腔出口 的的馬赫數(shù)為：
[0066] 查表氣體動力學(xué)函數(shù)，氣流靜態(tài)溫度T與氣流總溫f與馬赫數(shù)的關(guān)系可知：
[0068] 此時，測量腔出口氣體靜溫T' 2為：
[0069] T，2 = T2X τ (λ ) = 〇· 97Χ?\Χ τ (λ ) = 〇· 94?\
[0070] 式中Τ' 2--為測量腔氣流靜止溫度；
[0071] T1-為被測管道內(nèi)氣流總溫；
[0072] 由以上可知，實(shí)際氣體總溫度T1與測量腔氣流靜態(tài)溫度T' 2存在一定誤差，此誤 差不可避免；
[0073] 測量腔出口氣流參數(shù)隨VJ3的變化結(jié)果如表1所示：
[0074] 表1絕壓差V戶對測量腔入口氣流參數(shù)影響
[0075]
[0076] 在負(fù)壓、中溫環(huán)境穩(wěn)定的條件下，隨著絕壓差VP的增大，被抽吸氣體在