湿度发生器

湿度发生器

从目前来看，湿度发生器主要利用一下五种原理。

1 改变已知湿度气体（主要是指饱和湿气）状态的方法 。我们知道，气体的状态由压力、温度和体积来确定，对于饱和湿

气，如果状态条件不变，那末水汽的含量是恒定的，反之，若状态改变，水汽含量亦随之改变。于是可以利用热力学 P 、 v 、 T

关系配制出所要求的湿度的气体，基于这一原理的方法有改变压力的方法，即双压法；改变温度的方法，即双温法；以及同时改变压

力和温度的方法；

2 混合法 ，它又可以分为混流法和分流法两种。前者是将饱和湿气或过热蒸汽同干气混合：后者是将一股干气地按比例分

为两股，其中一股用水汽饱和，另一股仍保持干燥、而后进行混合。

3 膜渗透法 ，膜的一侧是水，由于膜两侧的水汽分压不同，于是水汽通过膜向另一侧渗透。基干这一原理通常使用的方法是渗

透管配气技术。

4 温度固定点法 ，即平衡水汽压法，这种方法是利用某些盐类或其它化合物（例如硫酸和甘油）的水溶液在一定的条件下其气

相中的水汽分压保持恒定的原理。

5 化学方法 。根据定比定律，氢和氧在催化剂存在的情况下能按比例地化合，生成定量的水。

饱和器是这些发生器结构的重要组成部分，是发生含有饱和水汽的湿空气的装置，因此，建立在发生饱和湿气基础上的各种恒湿

气体发生器，其性能与饱和器的效率密切相关。从发生器的工作原理，特点和适用的湿度范围出发，饱和器可以设计成多种形式，主

要有（1）鼓泡式（2）喷雾式（3）塔板式（4）管式（5）离心式（6）“迷宫”式，这里不再详细介绍，有兴趣可与编者。

下面介绍几种典型的湿度发生器

一、双压法

原理：气体在加压状态下被水汽饱和然后减压膨胀。假如气体在饱和、膨胀过程温度保持恒定，并服从理想气体定律，那末由道尔

顿定律可得到如下关系式：



式中 e w 和 P s 分别为饱和器中的饱和水汽分压和气体的总压， e c 和 P c 分别为试验腔中的水汽分压和气体的总压。那

末，据定义，在温度 t 时，低压下的气体的相对温度可按下式计算：

U=Pc/Ps*100

如果饱和器内的温度和试验室内的温度也不相同，即变成既改变压力也改变温度的情况，则试验室的相对湿度可采用下式计算。

U=（Pc/Ps） * （ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

式中 ew（Ts） 和 ew（Tc） 分别为饱和器和试验腔温度下的饱和水汽分压。

双压通常由如下六个部分组成

（ 1 ）气源系统

（ 2 ）载气干燥系统

（ 3 ）饱和器系统

（ 4 ）试验腔

（ 5 ）恒温系统

（ 6 ）温度和压力的测量与控制系统


二、双温法

原理：ts 和 tc 分别为饱和器温度和试验腔温度，通过气泵使气流在饱和器与试验腔之间不断循环，经过一定时间之后，气流

中的水汽达到饱和状态。 e w （T s ） 是在温度 T s 下的饱和水汽压力， e c 是在较高温度 T c 下的饱和水汽压力。假设气体

为理想气体，并且饱和器总压力 P s 等于试验腔内气体的总压力 P c ，那么，在温度为 T c 的试验腔内气体的相对湿度可以用如

下式计算：

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * 100

在 Ps 和 Pc 不一致时，特别是在气流速度较高的情况下，就需要考虑进行压力修正，

U=（ew（Ts）/ew（Tc）） * （Pc/Ps） * 100

基于两个温度原理设计的密闭式有多种不同的结构形式。

三、低霜点

低霜点是一种专门用于低湿领域校正的能够发生水汽含量低至 ppm 级（即低于百万分之一）气体的设备。

同双温法相似，霜点制备已知湿度气体的过程是一个等压变温过程。经过充分干燥的气体首先流经一个热交换器然后

进入饱和器，换热器和饱和器均浸没在一个恒温液体槽中。饱和器是一根螺旋形金属盘管。管的内表面为大约 1mm 厚的薄冰层所覆

盖。通过饱和器的气流距离冰层表面不超过 4mm 。在流速为 2L/min 时，气体的平均传质时间大约 7s 。

干气流经过换热达到槽温而后进入饱和器，因为使气流达到饱和所需的水汽量非常小，所以管内冰的升华作用不会导致冰面温度

明显下降，另外，由于盘管足够长，气体的饱和过程在盘管的前部就己完成，盘管其余部分只是作为饱和气体zui后换热之用。通过饱

和器的气体不存在明显的压力降。饱和器出口端气体的温度与饱和器的温度相同或十分接近，所以这一温度可视为气流的霜点温度。

四 、分流法

原理：干气源（一般是干空气）的气体按一定的比例分成两部分，一路进入饱和器 S ，被饱和的气流在混合室 C M 中同另一

股干气混合，而后进入试验腔 C T ，zui后排入大气。饱和器、混合室和试验腔浸在同一个恒温槽中。

试验腔中的相对湿度是下列因素的函数：

（1） 通过饱和器的空气的份数。

（2） 饱和器中的总压力。

（3） 饱和水汽压力。

（4） 试验腔中的水汽分压力。

计算试验腔中相对湿度的公式：

U=100 * X / [1-（1-X） es/Ps ]

式中，X分流比，es为饱和器中的水汽分压力， Ps为饱和器中的总压力。

分流法的相对温度不确定度一般在 1-3 ％范围内；所以在低温下使用上述简化式完满足方法的准确度要求。

五、渗透法

渗透管的工作基础就是依据膜渗透原理，水分子穿过管壁的渗透过程遵循 Fick 定律，

q=-D*S * （dP/dB）

式中， q: 渗透速率，

D ：渗透系数

S: 有效渗透面积，

dP/dB: 膜两侧水汽的压力梯度，其中 B 为膜的厚度。

由上式可见渗透速率与膜的材料及其密度、厚度、有效渗透面积、材料的物理特性（如亲水或憎水）以及膜两侧的水汽分压差等

有关。

发生器输出的标准气的水分浓度按下式计算：

C=（q*V） / （F*Mv）

式中： C ——标准汽的水分浓度，单位为 ppmv

q ——标定温度对应的渗透率，单位为μ g/min

V ——水汽的摩尔体积，单位为 L/mol

F ——干载气流量，单位为 L/min

Mv ——水的摩尔质量，单位为 g/mol

由上可知，载气的干燥程度及其流量会直接影响输出气体的湿度量值。因此，载气必须经干燥系统充分干燥，同时要求气源稳定

和对流量进行准确的测量。发生器的准确度取决于所用的渗透管渗透率标定的不确定度、气源的稳定性、载气流量测定的准确度，以及恒温精度。

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