一种宽温域空气温湿度取样测量装置的制作方法

1.本发明属于空气温湿度测量技术领域，具体涉及一种宽温域空气温湿度取样测量装置。


背景技术：

2.我们所处的环境大气是干空气和水蒸气的混合物，一般称之为湿空气。与常规意义上的环境温度概念不同，在烘干、采暖、空调、冷却塔等工程中通常所说的温度指的是湿空气的干球温度，这一参数可以直接测量得到。而一般采用湿球温度或环境大气的相对湿度和绝对湿度(又可称为“绝对含湿量”)等物理量表征湿空气的湿度状态参数，从而方便热力学领域湿空气热力过程分析计算。湿球温度、相对湿度及绝对湿度等湿度参数均可以用来表示空气中水汽含量或空气的湿润程度，它们是湿空气状态参数中一个非常重要却又难以精确测量的物理量。
3.空气的湿度测量方法一般可以通过直接测量湿空气的干球温度和湿球温度采用一定的计算方法获得湿空气的相对湿度或绝对湿度参数，也有测量仪器可以直接测量获得湿空气的相对湿度参数，也可以依据已有的计算公式可以计算获得湿空气湿度表征的其他参数。
4.目前湿空气湿度参数的测量方法包含以下几种：1.利用纤维、毛发等物质随空气湿度变化而伸缩的特性进行湿度测量，其优点在于方法简单、成本较低，但是测量精度较差。2.干湿球湿度法，其优点在于精度高，当空气温度为20～30℃，干、湿球温度的测量误差不超过0.1℃时，具有恒定通风装置的干湿表可认定为湿度测量的二等标准器，测量误差不超过
±
2％rh(相对湿度)。然而，由于水的饱和蒸汽压是温度的指数函数，低温下的饱和水蒸汽压力远低于常温状态对应数据，致使测量湿空气湿度的干湿球湿度法在低于0℃的温度条件下的不再适用，其测量范围一般为5～40℃。3.露点温度法。该方法通过测量空气的露点温度进行湿度的间接测量，主要由冷却装置、结露面和温度传感器组成。该方法在低温低湿条件下测量精度较高，但是装置复杂、成本较高，且难以实现结露面温度的精确控制。4.湿敏湿度传感器法。其优点在于响应快、湿滞性小、测量范围广，中、低湿段的标称测量精度为
±
2％rh，高湿段的标称测量精度为
±
4％rh。然而，第三方测试结果表明，即使在20～30℃的通风状态下，要达到该精度仍是非常困难的，低温段和高湿段的测量误差更是难以保证。此外，由于湿敏元件需要长期暴露在待测环境中，易受到污染而影响其精确度及稳定性。
5.在制冷空调产品的性能测试中，经常涉及宽温域的空气温湿度的测量问题。通常采用干、湿球法进行常温状态下空气湿度的测量，采用湿敏湿度传感器法进行低温状态下空气湿度的测量。由于湿敏湿度传感器法测试无法满足低温状态下空气湿度测量准确度问题，因此，低温下采用湿敏湿度传感器法进行的空气湿度参数的测试仅作为运行工况参数，不作为制冷制热能力计算使用。
6.随着社会的不断发展，各类低温热泵机组等新型产品得以开发应用，低温下的湿
度参数也需通过测试后，经空气焓差法计算参与到产品基础性能的计算确定，现有的湿敏湿度传感器稳定性较差，难以满足低温测湿的精度需求，而高精度露点温度传感器等成本则倍数增加，且装置复杂难以实现结露面温度的精确测控。因此，迫切需要一种新型测量装置，以实现宽温域空气尤其是低温空气湿度的精确、稳定的一体化测量。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽温域的空气温湿度测量及计算方法，使得其对于低于0℃时的湿空气湿球温度具有较高的测量精度，同时适用于常温及较高温度范围内的湿空气温湿度测量。
8.本发明采用以下技术方案：一种宽温域空气温湿度取样测量装置，包括保温箱体、设置在保温箱体外侧的空气取样器和取样空气测量组件，以及设置在保温箱体内部的加热空气测量组件；所述空气取样器、取样空气测量组件、加热空气测量组件通过风管依次连接形成一体化风道，所述取样空气测量组件和加热空气测量组件之间设置有空气加热器，所述加热空气测量组件的末端连接风机，所述加热空气测量组件包括设置在风道内的第二干球测温仪和空气湿球测温仪，所述第二干球测温仪电连接空气加热器。
9.所述空气加热器为翅片式电加热器，通过第二干球测温仪的测量温度反馈调节，实现加热后空气干球温度的可控，从而实现被测空气的等湿加热过程。
10.优选的，所述取样空气测量组件包括设置在风道内的第一空气测压仪和第一干球测温仪。
11.优选的，所述取样空气测量组件在风道内的进风端设置有第一混流器，所述加热空气测量组件在风道内的进风端设置有第二混流器。
12.优选的，所述加热空气测量组件还包括风速测量仪，所述风速测量仪靠近第二混流器设置，且所述风速测量仪电连接风机，风机接收风速测量仪的测量结果并调节风机的运行频率，使风道内风速恒定。由于风速对压强和热传递存在影响，本发明中，风机调节风速优选为5
±
1m/s。
13.优选的，所述风机设置在保温箱体内，并通过出风管连接至保温箱体外侧，用于排出测量后的加热空气。
14.优选的，所述空气湿球测温仪包括空气湿球测温仪本体和补水杯，所述补水杯内液面上部空间与所述风道联通，用于保持所述风道内的湿环境；所述空气湿球测温仪本体一端插入补水杯液面下，另一端伸入风道中用于测量。
15.所述空气湿球测温仪还包括液压补水罐，所述补水杯中水位由液压补水罐保持恒定。
16.优选的，所述保温箱体由保温材料制成，所述保温材料由厚度大于75mm且导热系数低于0.23w/m
·
k的保温材料制成，如双面彩钢板或阻燃式聚氨酯库板；设置在所述保温箱体内的风管，包裹有隔绝热辐射的材料，包括多孔材料,热反射材料和真空材料三大类，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等传统隔热材料或者气凝胶毡、真空板等新型隔热材料。
17.优选的，所述保温箱体上设置有检查门和监控屏，检查门上设置有观察窗，所述保温箱体的底部还设置有万向轮允许万向移动。
18.优选的，所述第一空气测压仪、第二空气测压仪、第一干球测温仪、第二干球测温
仪和空气湿球测温仪均电连接同一个plc处理系统，并输出测量数据和温湿度测量结果至监控屏。
19.优选的，为避免箱体漏热影响干湿球温度的测量，所述保温箱体内还设置有漏热补偿装置，所述漏热补偿装置由加热灯和热电偶组成，当热电偶温度低于20℃时，加热灯开启并加热所述保温箱体内环境，当热电偶温度高于25℃时，加热灯关闭。
20.本发明的有益效果在于：
21.1.本装置中，与空调加热器连接风管包裹防热辐射材料可以有效防止保温箱体内空气加热器对加热空气测量组件测量精度的影响。保温箱体的设置，提高了本装置在低温环境下运行的安全性和便捷性。特别的，补水杯设置在保温箱体内部，可实现空气湿球测温仪的自动补水和避免低温情况下发生冻裂无法使用的情况。
22.2.本装置可采用常规仪表实现对低温空气湿度的测量，极大的降低了投资和维护成本；plc系统的设置，使本装置集数据测量、计算和输出功能为一体，可独立应用于各种场合。且通过对测量数据进行计算，还可实现取样空气的其它各状态参数如相对湿度、露点温度等的测量。
23.3.本装置采用恒湿再热法对低温空气进行加热后测量各参数，但无需直接测量电加热量，简化测量过程，减小了产生误差的测量环节；同时通过可调电加热实现空气的等湿加热过程，其理论量程只受低温侧温度传感器量程的限制。
24.4.本装置仅涉及两个状态点参数的测量，分别为取样空气的干球温度、气压及加热后空气的干、湿球温度和气压，测量方法较为简单，易于实现，对低温空气湿度参数的测量具有测量精度高的优点。具体的，通过提高低温湿空气的湿度参数测量精度，减小测量获得的湿空气湿球温度与绝热饱和温度的偏差来提高低温湿空气的湿度参数测量精度，减小测量获得的湿空气湿球温度与绝热饱和温度的偏差。同时在进行后续计算时，可以忽略绝对饱和温度与湿球温度物理意义上的差别，利用绝对饱和温度与湿球温度的数值极相近简化计算过程，并得到具有较高精确度测量结果。最终实现宽温域
‑
30℃～80℃条件下空气温、湿度的一体化精确测量。
附图说明
25.图1为本宽温域空气温湿度取样测量装置的原理示意图；
26.图2为本宽温域空气温湿度取样测量装置的侧剖图；
27.图3为本宽温域空气温湿度取样测量装置的侧视图；
28.图4为本宽温域空气温湿度取样测量装置的轴测图。
29.图中标注符号的含义如下：
30.10
‑
空气取样器
31.20
‑
取样空气测量组件 21
‑
第一空气测压仪 22
‑
第一干球测温仪
32.30
‑
加热空气测量组件 31
‑
第二空气测压仪 32
‑
第二干球测温仪
33.33
‑
空气湿球测温仪 331
‑
补水杯 34
‑
风速测量仪 40
‑
空气加热器
34.50
‑
风道 60
‑
保温箱体 61
‑
检查门 611
‑
观察窗 62
‑
监控屏
35.71
‑
第一混流器 72
‑
第二混流器 80
‑
风机 81
‑
出风管
36.90
‑
漏热补偿装置 100
‑
待测试机器的回风口 101
‑
工况环境
具体实施方式
37.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
38.实施例1
39.如图1
‑
3所示，一种宽温域空气温湿度取样测量装置，包括保温箱体60、设置在保温箱体外侧的空气取样器10和取样空气测量组件20，以及设置在保温箱体60内部的加热空气测量组件30。空气取样器10、取样空气测量组件20、加热空气测量组件30通过风管依次连接形成一体化风道50。本实施例中，空气取样器10为取样耙。
40.取样空气测量组件20包括设置在风道内的第一空气测压仪21和第一干球测温仪22。取样空气测量组件20和加热空气测量组件30之间设置有空气加热器40，加热空气测量组件30的末端连接风机80。加热空气测量组件30包括设置在风道50内的第二空气测压仪31、风速测量仪34、第二干球测温仪32和空气湿球测温仪33。风速测量仪34靠近第二混流器72设置。
41.风速测量仪34电连接风机80，风机80接收风速测量仪34的测量结果并调节风机80的运行频率，使风道50内风速恒定。由于风速对压强和热传递存在影响，本发明中，风机调节风速优选为5
±
1m/s。风机80设置在保温箱体60内，并通过出风管81连接至保温箱体60外侧，用于排出测量后的加热空气。
42.第二干球测温仪22电连接空气加热器40。本实施例中，空气加热器40为翅片式电加热器，通过第二干球测温仪32的测量温度反馈调节，实现加热后空气干球温度的可控，从而实现被测空气的等湿加热过程。具体为，通过可编程逻辑控制器实时采集第二干球测温仪32测量的温度，使用该温度不断与设定的目标温度进行对比，并对功率调整器发出指令，调节空气加热器40的运行电流值，从而实现加热后空气干球温度的可控。
43.取样空气测量组件20在风道50内的前端即进风端设置有第一混流器71，加热空气测量组件30在风道50内的前端即进风端设置有第二混流器72，混流器用于保证流入取样空气测量组件20和加热空气测量组件30的空气温湿度均匀，减少测量误差。
44.空气湿球测温仪33包括空气湿球测温仪本体、补水杯331和液压补水罐，补水杯331内液面上部空间与风道50联通，用于保持风道50内的湿环境，补水杯331内液位由液压补水罐保持恒定，并保证补水杯331内液体不会进入风道50中。空气湿球测温仪本体一端插入补水杯33液面下，另一端伸入风道50中用于测量。
45.保温箱体60由厚度大于75mm且导热系数低于0.23w/m
·
k的保温材料制成，如双面彩钢板或阻燃式聚氨酯库板；设置在保温箱体60内的风管，表面均包裹有隔绝热辐射的材料。
46.保温箱体60上设置有便于各设备安装调试的检查门61，检查门61上设置有观察窗611。保温箱体60上还设置有监控屏62。本实施例中，第一空气测压仪21、第二空气测压仪31、第一干球测温仪22、第二干球测温仪32和空气湿球测温仪33均电连接同一个数据采集装置，数据采集装置以继电器输出型plc作为控制核心，并配置模拟量输入和模拟量输出模块，plc系统收集所有测量数据电信号，通过内部程序进行运算，最终输出各测量数据和温湿度测量结果至监控屏62。
47.保温箱体60的底部还可以设置万向轮方便移动。
48.为避免箱体漏热影响干湿球温度的测量，保温箱体60内还设置有漏热补偿装置
90，漏热补偿装置90由陶瓷加热灯和热电偶组成，将热电偶的测量温度信号通过模拟量采集模块引入可编程逻辑控制器，通过程序编辑，比较指令进行判断并控制陶瓷加热灯的开闭。当热电偶温度低于20℃时，输出控制信号打开陶瓷加热灯加热保温箱体60内环境，当热电偶温度高于25℃时，停止输出控制信号，关闭陶瓷加热灯。
49.实施例2
50.利用本发明装置进行取样空气的温湿度测量和计算，步骤如下：
51.s1.开启风机80，风机80工作产生吸力使低温空气通过空气取样器10经第一混流器71后流经取样空气测量组件20，再经空气加热器40和第二混流器72后流经加热空气测量组件30，最后自出风管81流出保温箱体60；
52.s2.加热空气测量组件30工作，风机80接收第二空气测压仪31测量的风速值并调节风机80的运行频率至风速在5m/s
±
1m/s；空气加热器40接收第二干球测温仪32测量的温度结果，并调节空气加热器40的功率直至其右端即下游风道内空气温度达到设定的温度值；
53.s3.取样空气测量组件20工作，第一空气测压仪21测量取样空气的加热前压力p1，第一干球测温仪22加热前空气温度t1，同时加热空气测量组件30测得加热后空气压力p2，加热后空气干球温度t2和加热后空气湿球温度t
w2
；
54.s4.根据s3所测结果，根据绝对湿度计算公式计算加热后空气的相对湿度计算过程为：先计算湿空气绝对湿度d2，所述绝对湿度计算公式为：
[0055][0056]
式中，d2为加热后空气的饱和水蒸气绝对湿度值，单位kg(水蒸气)/kg(干空气)，d
s
(t
w2
)为加热后空气在湿球温度t
w2
下的饱和湿度，单位kg(水蒸气)/kg(干空气)，r(t
w2
)为加热后空气在湿球温度t
w2
下的气化潜热，单位kj/kg；
[0057]
r(t
w2
)＝
‑
2.4114t
w2
2501.7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058][0059][0060]
式中，p
s
(t
w2
)为加热后空气在湿球温度t
w2
下对应的饱和水蒸气压力，单位pa。
[0061]
根据测量得到的加热后湿空气的湿球温度t
w2
的值，结合公式(2)～(4)，计算获得r(t
w2
)，d
s
(t
w2
)，p
s
(t
w2
)参数，根据测量得到的加热后湿空气的干球温度的值t2，结合公式(1)计算获得加热后湿空气的绝对含湿量的值d2。
[0062]
由加热前后湿空气绝对含湿量不变的原理，d2也即是取样加热前空气的绝对含湿量。
[0063][0064][0065]
r(t
w1
)＝
‑
2.4114t
w1
2501.7
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0066][0067]
p
s
(t
w1
)为t
w1
温度下的饱和水蒸气压力，单位pa；
[0068]
将(5)～(7)代入(8)式可得：
[0069][0070]
将取样空气的加热前压力p1和加热前干球温度t1和计算得到的d2代入式(9)即可得取样被测量低温空气的温湿度数据。
[0071]
上述公式利用了加热前后绝对含湿量保持不变的原理，由于通过本发明装置减小了测量获得的湿空气湿球温度与绝热饱和温度间的差值，因此计算过程中，可以忽略绝对饱和温度与湿球温度物理意义上的差别，利用绝对饱和温度与湿球温度的数值极相近简化计算过程，得到具有较高精确度测量结果。
[0072]
实施例3
[0073]
某一稳定运行的工况环境101，将本发明宽温域空气温湿度取样测量装置的空气取样器10放置在待测试机器的回风口100处，开启风机80，按照实施例2的步骤进行测量。
[0074]
某一时刻下，风速测量仪34测得当前风速为5m/s，取样空气测量组件20测得取样低温空气的的加热前压力p1＝100510p
a
，加热前空气温度t1＝
‑
10℃；加热空气测量组件30测得加热后空气压力p2＝100360p
a
，加热后空气干球温度t1＝23.4℃，加热后空气湿球温度t
w2
＝9.1℃。装置中使用的各干、湿球测温仪的传感器测量精度为
±
0.1℃。
[0075]
本实施例中，利用已知的数据，还可以进行取样低温空气的焓值h1、相对湿度、露点温度等数据。如：
[0076][0077]
将公式(5)代入公式(10)可得：
[0078][0079]
h1＝1.005t1 (2501 1.846t1)d1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0080]
将各参数代入公式(11)、(12)计算即可得取样前低温空气的焓值h1和相对湿度参数
[0081]
本实施例中计算得取样低温空气焓值h1为
‑
6.493kj/kg，相对湿度为80.71％rh，露点温度为
‑
12.18℃。
[0082]
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。