1 引言
相对湿度是表示在一定的温度、压强下,空气中含有的水蒸气是否接近饱和的一个物理量(水蒸气的温度始终与空气温度相同,而水蒸气压只是空气压力的分压),相对湿度越大,说明空气中的水蒸气越接近饱和,当空气中的水蒸气一旦呈饱和状态(此时的水蒸气又称饱和水蒸气压)而凝结成水时,就称之谓结露,这时的温度称为露点温度(或简称露点)。露点温度也就是用来表示气体的湿度。理论和实际表明,空气的露点温度和饱和水蒸气压是一一对应的。一定的温度下,空气中的水蒸气压一般都要低于该温度下的饱和水蒸气压,在保持压强不变的情况下,对空气进行降温,那么空气中相应的饱和水蒸气压必然会降低,一旦饱和水蒸气压降到与原来空气中的水蒸气压相同时,处于降
温过程的空气中的水蒸气必然要在此时达到饱和状态而结露,这个露点温度可以测量出。理论上,对于给定温度、压强的空气,它的相对湿度与露点温度是相互对应的,因此,只要在保持压强不变的情况下找到露点温度,通过换算或查表,就可以确定相对湿度,这就是用露点法来测量相对湿度的原理.
在精确测量湿度方面,露点法是一种相当准确的方法.实现露点的测量必须包括3个基本环节:降温、判断露点的形成和测量露点温度。一般的光电式精密露点仪由于价格昂贵,只是作为一级湿度标准计量器具。本文所叙述的便携式光学露点检测仪,具有精度高,传感器体积小,成本低,仪器操作使用方便等特点,可作为普通的工作计量器具推广使用。
2 露点仪工作原理
该仪器结构上分为传感器和机箱两部分,体积小,便于携带。传感器部分由光学系统(光的发射、反射和接收)、制冷系统、测温系统组成,结构如图1所示。
仪器的原理框图如图2所示。露点仪的工作原理:专门的采集空气的气道(气道内放置一个测温器件,在气道的尾部安装一个微型风扇)使样气通过气道后进入一体化结构(由光的发射、反射、接收、测温和制冷器件组成)。由测温传感器测出样气温度,制冷器使得光的反射面和测温模块一起降温,反射光的信号变化与参考电压比较产生一个误差信号,这个误差信号经过PID电路去驱动制冷器工作,使得镜面上始终保持结露状态(这时镜面上结露的水气与室温样气带走的水气相平衡),这时的镜面温度就是露点温度。在这种状态下,当样气的含湿量变化时,露点也随之跟踪变化。
3 设计特点
3.1 光学系统
光学系统是露点仪传感器中非常重要的一部分,包括光的发射和光的反射、接收。设计中采用LED发光二极管和光电二极管,光的单色性好,功耗小,驱动简单,性能稳定,不会在反射镜上产生明显的热效应。光的反射镜面,采用抛光的铂片,其性能稳定,耐腐蚀。反射光的光强变化反映反射镜面是否结露,所以要求光源是恒定不变的理想情况。在光学系统设计中,用一个参考二极管装在发光管的附近,参考光电二极管的信号放大后与一个基准电压比较,对各种因素引起的光强变化进行补偿。
3.2 制冷部分
制冷部分采用两级半导体制冷器,温差可达-40～45℃,可以通过调节工作电流来改变它的产冷量和制冷温度,并且尺寸小没有运动部件,便于携带。其制冷量和冷却端温差由下式计算:
式中Q——制冷量
I——通过电偶的电流
R——电偶对的总电阻
K——元件的导热系数
Th——热电偶对的热端温度
Tc——热电偶对的冷端温度
考虑到驱动半导体制冷器的电流较大,在设计时,采用了光电隔离技术。制冷器工作电流可预先设定,当制冷器工作时温度降至露点附近时,工作电流由PID电路的输出控制,制冷电流能自动调节,使冷端始终跟踪在露点温度。
3.3 温度测量
露点仪测量的精确度最终取决于温度测量的精度。在设计中,采用了半导体测温器件AD590,测温范围:-55～150℃,精度:±0。5℃,线性度:±0。5℃,且体积小,热稳定性好,输出电流信号,抗干扰能力强。将其嵌入制冷端的纯铜基座内,反射镜直接帖在AD590顶端,最大程度上减小了温度梯度。
3.4 露点和相对湿度的换算
露点温度是湿度的一种表示法,通常露点温度和相对湿度之间换算通过查表的方法。本设计利用单片机MCS-96系列8098芯片开发的小型单片机系统,可以把露点温度和样气温度换算成相对湿度单位。8098是一种准16位的单片机,具有16位的内部总线和8位的外部总线,非常适合在既需要体积小,又要低价格的场合应用。8098具有高速输入通道,片内有4路19位的A/D转换,并带有取样保持器,转换时间只需22μs(12MHz晶振时),用8098芯片开发了小型单片机系统,编制了相应的转换程序。露点测试结果可通过显示切换直接显示出相对湿度值,与(湿度查算表)查出的值比较,精度误差不超过0。5%。
4 技术指标
工作温度范围:-10～50℃;
测试湿度范围:相对湿度10%～95%;
误差:露点误差≤±0.3℃;
工作电源:220V,50Hz;
功耗:<30W;
传感器尺寸: 120×90mm;
仪器外形尺寸:264×242×145(宽×深×面板高度);
重量:10kg。
5 结束语
该便携式光电露点仪已在船舶上使用,用于对船舱湿度分布的精确测量,并且可广泛用于工业过程、仓储、实验室、气象探空的湿度测量.该仪器设计新颖、结构独特、携带方便、相对成本低,克服了高精度光学露点仪价格昂贵的不足,是一种即精密又经济的测湿仪器。
参考文献
1 钱浚霞,郑坚立.光电检测技术.北京:机械工业出版社,1992.
本文作者：
王晓娟 (西北工业大学)
周 俊 杨 杰 (海军工程学院)
