1、本科毕业设计（20届）人工温湿度环境模拟室构建研究所在学院专业班级通信工程学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】我国在发展经济的同时也加快了电力工程的建设，由此带来了电力设备电晕放电的危害。然而，在户外对电晕放电现象的研究会带来不易找到测试点、实验周期长、代价高等问题。针对这些问题，本设计提出了温湿度环境模拟室的方案。本设计从温湿度控制的实现、模块的布局以及零件装配等方面出发来完成模拟室的构建，通过传热学、绝对湿度和相对湿度等一些基本原理及概念，对加热器的功率以及加湿器的加湿量进行计算从而指导如何选择加热器和加湿器；经过各种传感器之间的性能比较，选购了型号为THC70的温湿度控制模
2、块及相应的温湿度传感器。经过测试，本设计基本满足温湿度控制的要求，为电晕放电现象的研究带来了方便。【关键词】电晕放电；模拟室；导热；温湿度均匀性。IIABSTRACT【ABSTRACT】WITHTHEDEVELOPMENTOFTHECOUNTRYSECONOMY,THECONSTRUCTIONOFELECTRICPOWERENGINEERINGHASBEENSPEDUP,BRINGINGTHEHARMOFCORONADISCHARGEOFPOWEREQUIPMENTHOWEVER,THEOUTDOORRESEARCHESONCORONADISCHARGEHAVEPROBLEMSSUCHASTH
3、EDIFFICULTYINFINDINGTESTPOINTS,LONGEXPERIMENTALPERIODANDHIGHCOSTINORDERTOSOLVETHESEPROBLEMS,THISDESIGNPROPOSESASCHEMEOFTHECONSTRUCTIONOFANARTIFICIALTEMPERATUREANDHUMIDITYSIMULATIONCHAMBERTHISDESIGNWASFINISHEDINTHEASPECTSOFTHEIMPLEMENTATIONOFTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL,MODULELAYOUTANDPARTASSEMBLYWI
4、THTHEFUNDAMENTALPRINCIPLESANDCONCEPTSOFHEATTRANSFERTHEORY,ABSOLUTEHUMIDITYANDRELATIVEHUMIDITY,THEHEATERPOWERANDTHEHUMIDIFICATIONOFHUMIDIFIERWERECOMPUTED,THUSLEADINGTOHOWTOCHOOSEHEATERANDHUMIDIFIERCOMPARINGWITHDIFFERENTSENSORS,WESELECTEDTHEMODULETHC70OFTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLANDTHECORRESPONDING
5、TEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSAFTERTESTING,THISDESIGNFUNDAMENTALLYSATISFIEDTHEREQUIREMENTSOFTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL,MAKINGTHERESEARCHESONCORONADISCHARGEPROCEEDMORECONVENIENTLY【KEYWORDS】CORONADISCHARGESIMULATIONCHAMBERHEATCONDUCTINGTHEUNIFORMITYOFTEMPERATUREANDHUMIDITYIII目录1引言12模拟室的整体构建基础321模拟室的
6、构建前提及依据322模拟室的体积设计323模拟室的材料选择424模拟室的整体构造实现53温湿度控制原理及设计831关于湿度的基本概念和公式8311绝对湿度8312相对湿度8313饱和湿度932湿度控制设计10321湿度传感器的选择10322湿度控制的相关计算12323加湿器的选择1333传热学基本原理15331导热15332对流16333热辐射1834温度控制设计18341温度传感器的选择18342模拟室的热传递方式20343加热器的选择214温湿度控制实现2841温湿度控制模块介绍28411温湿度控制器技术规格28412温湿度控制器参数设置说明2942固态继电器SSR选择3143外围电路的设
7、计325零件装配及外壳接地3451零件装配3452外壳接地356数据测试及分析3661温湿度控制测试及分析36611加热数据测试及分析36612加湿数据测试及分析3862温湿度均匀性测试407总结41参考文献42致谢错误未定义书签。附录4311引言随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国的电力需求增速飞快，这也促成了电网建设的大规模发展及长线路的高压线投资建设。据国家能源局发布的数据，我国在2009年对电网的投资达38471亿元，同比增长3289，占全国电力工程总投资的509。此外，全国用电量也成快速增长，2010年我国全社会的用电量达到419万亿度电，较上年增长1456。电力网的
8、大规模建设及供电要求的不断增加使得电力设备存在诸多隐患如老化问题、过负荷问题、电晕放电问题等，其中电晕放电是主要的危害之一。据估测，每年的电晕放电所带来的危害仅次于雷电事故所带来的危害。电晕放电是指当导线或者电极表面的电场强度超过一定阈值后其周围气体发生局部电离而产生的一种气体自持放电现象。电晕放电带来的危害主要包括电能损耗、无线通信干扰以及噪声干扰，其中电晕放电所造成的电能损耗每年可达205亿度电1。减少电晕放电危害的一种方法就是尽早避免电晕放电，这要求及时对电晕放电现象进行检测。如何对电晕放电进行有效快速地检测是解决该问题的关键。对于电晕放电的检测技术，目前国内外主要有红外热成像检测、脉冲
9、电流法、目视观察法及紫外探测等技术1,2。电晕放电过程中除了产生漏电流之外，还会产生NO、OH等自由基活性物质，并会放出声波及辐射光谱3,4。通过分析，辐射光谱包括可见光、红外光及紫外光三个光谱谱段。上述的各个检测方法就是通过电晕放电过程中所伴随的各种现象所进行的。目视观察法的缺点在于观察目标往往较小且其强度弱，用肉眼观察存在很大的困难。对于脉冲电流法，需在实地环境中对电力设备进行检测，该方法往往会受到电磁场的干扰，即使采取措施抑制电磁干扰，也无法避免随机脉冲的影响4。红外热成像是一种将检测到的红外图像转换成可视化图像的波长转换技术。虽然其避免了电磁场的干扰，但是日光的干扰、大气环境及与被检测
10、对象的探测距离会影响到目标对象的红外辐射能量的检测，例如大气中的二氧化碳、水汽等气体分子会降低传输的红外辐射。而对于紫外探测技术，由于辐射到地球表面的太阳光中紫外线波长只在300400NM之间，其中紫外光波长定义在范围为100400NM之间。而我们所要研究的电晕放电现象所产生的紫外辐射光谱范围为230450NM。因此在230300NM这段不受到太阳光的影响，其中我们将240280NM的光谱范围称为太阳盲区。由上可知，我们可以利用这段太阳盲区对电2晕放电现象进行检测，这克服了红外热成像所带来的不足。紫外探测技术还可以在不改变电力设备的运行状态的前提之下对电力设备的电晕状况进行检测即具有不停电的优
11、点1113。目前紫外探测技术在国外发展较快，例如在军事应用中，美国、欧洲等国家和地区所开发的紫外摄像设备已经具有了较高的灵敏度和适当的波长范围；而采用紫外探测技术用于检测电晕放电现象这一方法只在以色列有所报道1。在国内，对于紫外探测技术的研究还在起步阶段。因此，加紧对紫外探测技术的研究显得迫切和重要。由上述可知，电晕放电现象常伴有漏电流和辐射光谱的产生，但是其漏电流强度和紫外辐射光谱强度均受周围环境因素的影响，例如温度和湿度等5,6。然而，倘若在开放式的大气环境中对电晕放电现象进行研究，由于大气环境因素的复杂性和不稳定性便会给研究工作带来难以找到测试点、实验周期长、代价高等诸多问题。如果能够在
12、一个适当大小的可模拟温湿度环境的密闭空间里进行研究工作，那么这无疑会提高实验的可操作性及可重复性，为研究工作的顺利进行带来极大的方便。此外，对于本课题的研究还可以极大地推动其他有关电晕放电现象的研究。32模拟室的整体构建基础21模拟室的构建前提及依据如果在户外环境中对导线或其他电力设备进行电晕放电的测试，则会存在难以找到测试点、实验周期长、投资大等问题。减少投资成本、提高实验的可控性也是构建模拟室的前提和基础。模拟室的构建还需要考虑的一个前提是在一个密闭空间里能否真实模拟实地环境中的电晕放电现象。根据文献6及文献7，导线以及其他电力设备的电晕性质主要由电力设备周围的电场强度决定的，而对于导线而
13、言，需要建立一个假设条件不管周围导线的电极安排如何，导线的电晕现象所产生的漏电流强度是由导线的“真实”最大表面梯度决定的。根据这一假设条件，可以在电晕笼中对单一导线进行测试，而不用去考虑其他导线如何安排；该假设也可以同样应用于其他的电力设备，如绝缘子、变压器等。根据文献6，在一个不大的电晕笼中对尺寸较小的导线施加比较低的电压也可以得到与特高压试验中导线周围的电场强度相近的电场，因此电晕笼具有模拟实地环境的可行性。然而，构建一个专门针对导线的电晕笼不能够反映所有电力设备的电晕特性。为了使电晕笼的设计以及在该电晕笼进行的试验能够具有普遍性，则需要考虑进行何种放电形式。根据电晕放电现象的定义，在导线
14、或者电极表面的电场强度超过一定阈值后，周围气体发生局部电离；在曲率很大即曲率半径小的导线或电极的的附近电场强度容易积聚从而更易发生电晕放电现象。鉴于该情况，在构建模拟室时可以考虑采用尖板电极方式进行放电，即在理论上研究曲率达到几乎最大的情况下电晕放电的特性。这样做的理由是一方面尖板电极放电不像导线放电需要加特高电压即更容易产生电晕放电现象，这不仅可以降低实验因为加大电压所带来的各种开销，还可以进一步保证实验人员的安全性；另一方面，尖板电极这一放电方式提取了各种设备放电的共同特性即曲率很大的情况下往往容易产生电晕放电现象，这使得这种放电方式具有研究的普遍性。通过对尖板电极方式电晕放电的研究，虽然
15、我们无法得到关于导线或绝缘子等电力设备的具有针对性的结论，但是我们可以得到电晕放电现象本身的一些特性。22模拟室的体积设计由于模拟室构建本身是为了更好地为下一步电晕放电现象的研究服务。因此，在设计模拟室的一开始就要考虑到后期可能会用到的各个模块所占的大小和位置把放。模拟室的体积设计需要考虑到的模块有尖板电极放电模块、加热加湿器模块、温湿度传感器模块、温4湿度控制模块、波段辐射测量模块、漏电流测量、光谱辐射测量模块等。为了使其更方便地进行试验，可以将部分模块放于模拟室外部，另一部分则放于模拟室内部。这需要对模块本身在实验中起到的作用进行分析。可以这样分类将与模拟室的环境因素或实验研究的对象直接性
16、决定关系的模块放于模拟室内部；将与模拟室的环境因素或实验研究的对象间接关联的模块可以放于模拟室外部，但是如果由于本身模块的性质要求如测量距离不能太远、测量的是环境因素等，也可以放于模拟室内部；将与模拟室环境因素或实验研究的对象关联较小且需要有实验人员参与（控制、观察等）或会受模拟室内部环境影响或者是会影响模拟室内部研究对象特性的模块放于模拟室外部。根据这一分类，第一种情况的模块包括尖板电极放电模块、加热加湿器模块，将这两种模块放于模拟室内部，不过也可以为加热器和加湿器添置通道进行加热或加湿；第二种情况包括温湿度传感器模块、波段辐射测量模块、漏电流测量模块和光谱辐射测量模块，由于温湿度传感器模块
17、是要对模拟室内部的环境因素进行直接地数据采集，故可将温湿度传感器模块放于模拟室内部；第三种情况包括温湿度控制模块，该模块一方面与模拟室环境因素或研究对象的关联较小，另一方面又需要实验人员进行操作，故这两点决定了该模块必须放在模拟室的外部。根据上面的分析，放于实验室内部的有尖板电极放电模块、加热器加湿器模块和温湿度传感器模块。在不考虑各个模块的形状条件下，只考虑各个模块最大的长宽高所构成的体积以及各个模块之间预留的空间距离。考虑尖板电极放电模块的规格为CM505050；考虑加热器的规格为CM252525，共2个；考虑加湿器的规格为CM101010，共2个；考虑温湿度传感器的规格为CM888，共1
18、个。保留尖板电极放电模块放电部分周围一定范围的空间以不受其他模块的干扰和保持温湿度参数的稳定性及均匀性。综合上面的因素，设定模拟室的体积为M111。根据这一体积设定，倘若将加热器、加湿器模块均放在模拟室的底部，则预留的空间大致为841238105CM3，相当于规格为CM949494，足以保证尖板电极放电模块放电部分周围的空间要求。当然实际情况中，各个模块的大小形状各异，这里的计算只是为了说明设计一个M111大小的模拟室足以容纳放电模块及加热器等附加的模块。23模拟室的材料选择为了模拟室的整体构造的稳定性，选择可拆卸的钢架作为M111的模拟室框架。对于模拟室的六个面，考虑材料的保温性和绝缘性，选
19、择参数较为合适的且易于裁剪的材料作为平面的材料。为此，我们选购了如下两种材料来作为模拟室的外壳，其特性及相关的应用5介绍如下环氧树脂的特性环氧树脂是将聚醚液体通过一特殊的固化过程后转化成熔固体而制成的。在多数情况中，树脂是表氯醇和双酚A之间的化学反应制成的。环氧树脂有许多不用的应用比如在工业工具应用中，可用来制造薄板、夹具和模子等；在电子产业中，可用来制造绝缘体、变压器、发电机和开关设备等。其材质通常比较坚固且耐用，其热导率为02W/MK。发泡聚苯乙烯（EPS）的特性发泡聚苯乙烯是一种坚硬的且闭孔的泡沫，通常为白色。熟悉的应用包括建筑保温的模压板、易碎物品的包装材料等。热电阻通常约为28MK/
20、W，即热导率为00357W/MK。其密度范围约为16640KG/M3。选购的环氧树脂板的厚度为4MM，而发泡聚苯乙烯泡沫的厚度为20MM。在制作外壳的过程中，先将发泡聚苯乙烯泡沫作为里面的一层起到保温绝缘的作用，再利用703硅橡胶将环氧树脂板与泡沫粘合作为模拟室的外壳，起到保护里面一层泡沫的作用。24模拟室的整体构造实现模拟室的整体构造实现需要考虑模块的布局。模块的布局安排最大的原则就是要让最终得到的实验数据准确有效。对于温湿度控制模拟室而言，如何保证数据的有效性，考虑的因素有温湿度在模拟室各个点的数值相差不大即保持温湿度的均匀性、各个模块不受电晕放电影响或者模块对电晕放电现象影响最小。根据这
21、两点，首先考虑尖板电极放电模块，为了温湿度的分布均匀，将其放在模拟室的中央；对于两个加热器，为了加热更加均匀，将它们以对角的方式置于模拟室底部，同理加湿器也这样放置；对于温湿度检测模块，一方面不能将传感器放于电晕的放电范围内，但另一方面又需要保证测得的温湿度更能代表放电范围的数据，因此将温湿度传感器固定于放电范围等高的内壁上。对于波段辐射测量模块、光谱辐射测量模块和火焰探测模块而言，两者均需要对放电时的光谱进行强度的探测。因此两者的观察应对准放电范围，因此需要在放电范围等高的模拟室壁的中央处开三个孔（因为放电模块是置于模拟室中央）。另外可在剩下的一面也相应地开一个孔，用于观察电晕放电是否起晕（
22、可用紫外成像仪）。在钢架搭建成模拟室框架的同时，将发泡聚苯乙烯材料制成的板固定于框架之内。通过螺丝的固定可基本使M111的模拟室的构造稳定。整个外形构造及模块的大致安排如图21的A和B所示。635CM温湿度控制模块人工温湿度控制箱加热/加湿器加湿/加热器光谱辐射测量模块电晕放电装置波段辐射测量模块漏电流测量模块1M1MA模拟室布局侧视图35CM温湿度控制模块加热器加湿器光谱辐射测量模块波段辐射测量模块温湿度传感器漏电流测量模块加热器加湿器人工温湿度控制箱1M1MB模拟室布局俯视图图21模拟室外形构造及模块布局示意图图21的A和B所示的是模拟室构造时的大致布局，将波段辐射测量模块、光谱辐射测量模
23、块、漏电流测量模块及温湿度控制模块放置于模拟室外部；将两对加湿器和加热器、电晕放电装置、温湿度传感器放入模拟室内部。从图21的A所示，加热器和加湿器均放于模拟室底部；也可观察到电晕放电装置的放置及预留的空间范围及高度；漏电流的测量模块是连接于放电模块的板电极和地之间。从图21的B所示，加热器和加湿器以对角方式分别放置于模拟室的底部；可观察到电晕放电预留空间的范围；光谱辐射测量模块及波段辐射测量模块的观察视角均对准放电区域中心。对于温湿度传感器的布局，不能从图1A中观察到的原因是温湿度传感器可固定于模拟室的内壁上，对图21A与B所示的示意图进行比较，温湿度传感器可放置于电晕放电装置的正后方即被电
24、晕放电装置所遮住，这也是为了使图更7方便地显示各个模块以不至于电晕放电模块和温湿度传感器模块之间互相重叠。模拟室的搭建最终实现如图22所示图22模拟室的构造实现图从图22中可以看到，由可拆卸的钢架构成的框架及由发泡聚苯乙烯制成的面板。由发泡聚苯乙烯制成的模拟室底部能够承受电晕放电装置、加热器加湿器等重量，能够保证试验得以有效进行。83温湿度控制原理及设计31关于湿度的基本概念和公式湿度是一种用来表示大气中水蒸汽的数量的术语，可以指代任何一种湿度的术语，比如绝对湿度、相对湿度等。按规定，湿空气不是“潮湿的空气”而是空气和水蒸汽的混合物。如果湿度定义为该混合物中含水量的多少，则称为绝对湿度。在日常
25、使用中，湿度通常指代为相对湿度，在天气预报及家用湿度计中用百分比表示；如此称呼它的原因还在于相对湿度为相对于最大值的当前的绝对湿度。比湿度是空气混合物中水蒸汽的含量与干空气含量的比值。对于混合物中的水蒸汽的含量的测量，既可以用每体积的质量也可以用分压来表示，关键是看用在何处。在气象学中，湿度可表明降雨量、露水或雾气的可能性。高相对湿度会减少皮肤的水分蒸发率，从而减少出汗来降低身体温度。在夏天里，这种影响往往会用热指数表来描述。311绝对湿度以体积为基础计算的绝对湿度表示为每一体积的空气里水的质量。尽管任何质量单位以及任何体积单位都可以用，但是最常用的单位是G/M3。如果在一体积空气里的所有水蒸
26、汽浓缩至一个容器里，容器中的水质量可以用天平来确定其绝对湿度。在该体积空气里水蒸汽的数量就是该体积空气里的绝对湿度。更专业地说，在一体积的绝对湿度就是每立方米湿空气的所分解的水蒸汽的质量，公式如下NETWAVMH（31）式中，MW为水蒸汽的质量，VNET为湿空气的体积。绝对湿度的范围为0G/M3（干空气）到30G/M3（在30OC温度下，水蒸汽最大可达的绝对湿度即饱和湿度）。绝对湿度随着气压的变化而变化。这对化学工程计算是极为不方便的，比如对烘衣机而言，温度的变化相当大。因此，在化学工程中绝对湿度常被定义为每质量干空气中水蒸汽的质量，也被称为是质量混合比率，这比在热量和质量平衡计算中更为严格。
27、如今，有许多的绝对湿度表用的单位是G/KG或KG/KG。312相对湿度相对湿度定义为在给定的温度下，水蒸汽的分压（或绝对湿度）和水蒸汽的饱和压力（或饱和湿度）的比值。换句话说，相对湿度即是在一个给定的温度下，相对于空气中水蒸汽的9最大量（即空气中水蒸汽的量刚刚好全部保持气态，没有凝结成液态水）与此时空气中水蒸汽的量之比。相对湿度常用百分比表示，计算公式如下所示100SAHHRH（32）式中，RH为相对湿度，HA为绝对湿度，HS为相对湿度。相对湿度在天气预报中是一个很重要的指标，这是因为如前所述，它可以表明降雨量、露水或雾气产生的可能性。在夏天，相对湿度的增加也可以增加人体的表面温度（包括其他动
28、物），即随着相对湿度的升高，阻碍了皮肤表面的水分的蒸发。例如，根据热指数，在温度为27OC、相对湿度为75的环境下，感觉像是在温度为28652OC左右且相对湿度为44的环境中。313饱和湿度饱和湿度的定义在前面有所涉及。归结为在给定的温度下，每一体积空气里所能容纳最大的水蒸汽的质量。不同于绝对湿度的概念，饱和湿度相当于规定了绝对湿度的上限，在特定的温度和特定的气压下，饱和湿度即是一个常数。对于最大的水蒸汽质量的理解，可以假设在已经达到饱和湿度的空气里再加入水蒸汽，那么会在墙壁等地方凝结出相同质量的水蒸汽，这类似于盐在水中饱和一样。当然饱和的最大值的维持是动态平衡的。下面表31列出了各个温度及一
29、个标准大气压下，各个饱和湿度的值表31各个温度下的饱和湿度的值温度（OC）饱和湿度（G/M3）04845691109741513520185252513033635446405854576050973105512560158702478037690556利用公式（32）和表31，只要知道空气中绝对湿度的质量就可以算的相对湿度。相对湿度的求得有助于理论上的分析。32湿度控制设计对于湿度控制设计，与温度控制类似，需要考虑湿度传感器的选择、湿度控制的相关计算以及加湿器的选择。321湿度传感器的选择湿度传感器的选择需要考虑其湿度的测量范围以及测量精度。一般性，湿度传感器是用来测量相对湿度。按湿敏元件类
30、型分，主要有电容式的湿度传感器和电阻式的湿度传感器8。电容式的湿度传感器是用高分子薄膜制成的电容所构成，该高分子薄膜会对空气的湿度变化产生相应的变化，从而改变电容值；因此对该电容进行检测即可检测出相对湿度的变化；简而言之，电容式即是将空气中水汽成分的含量对应成电容的数值变化；在常温下，检测的湿度范围比较低（1080）且在相对湿度为30以下时更有优势；而对于高相对湿度的测量，比如80以上，测量效果就比较差；电容式还具有的一个优点是其对温度的相关性不是很强，基本可以不用考虑8。电阻式的湿度传感器是利用具有感湿性质的薄膜来感应湿度变化；一旦空气中的湿度发生变化，就会引起电阻的阻值改变；通过对电阻的阻
31、值测量，可得出湿度值；类似于电容式湿度传感器，电阻式也是将空气中水汽成分的含量转换成电阻的数值变化；在常温下，检测的湿度范围相对于电容式较高（4090）且在相对湿度范围为8090的测量较为精确；与电容式的相反，电阻式对于低湿度的测量，测量效果较差；此外，电阻式存在的一个缺点是其受温度的变化影响，需要在测量时考虑温度的变化进行相应地补偿以减少误差8。对于本课题中，我们需要测量的湿度必定在0100以内，而电容式的比较有效的测量范围在1080之间较电阻式的更为适宜。此外，由于本课题还需要进行对模拟室进行加热，则需要考虑温度是否会对传感器造成影响。可以看到，电阻式的湿度传感器受温度影响比较大，而电容式
32、的却基本不受温度的影响。故而综上所述，选择电容式的传感器。11对于电容式的传感器，我们选择了型号为HS1101的湿度传感器。HS1101的特性及介绍基于一特殊的电容元件，这些相对湿度传感器是为了那些体积庞大且要消耗空气中的湿气的应用而设计的，比如办公室自动化、自动化座舱室内空气控制、家庭应用和工业进程控制系统。它们同样也可应用于需要湿度补偿的应用中。特性全移植性，没有在标准状态下所需要的调校快速脱饱和，这是在长期的饱和之后与自动化组装流程兼容，包括波动焊合及水浸低误差率及高耐用度申请过专利的固体的合成构造严格遵守可追溯要求的个人标记下面的表32和表33分别介绍其最大等级列表和特性参数列表表32
33、最大等级列表（CTOA25，除非有其他的注明）等级参数符号范围单位操作温度TA40100OC存储温度TSTG40125OC供应电压VS10V湿度工作范围RH0100RH在CTO260的焊接T10S表33特性参数（除非有其他的注明，CTOA25，测试频率为10KHZ）特性参数符号最小值典型值最大值单位湿度测量范围RH199供应电压VS510V在55RH的标称电容C177180183PF温度系数TCC004PF/OC3375RH的平均敏感度C/RH034PF/RH12漏电流（VVCC5）IX1NA150小时冷凝后的恢复时间TR10S湿度滞后/15长期的稳定性05RH/YR响应时间（3376RH，空
34、气仍为63）TA5S与典型响应曲线的偏差（1090RH）/2RH如果需要有更规范的说明书322湿度控制的相关计算对于湿度控制的相关计算，主要是针对加湿器的加湿量能否满足课题试验的要求。由于人体对相对湿度更为敏感，故选择相对湿度作为研究的对象。考察在规定时间内能否将相对湿度加到预设的相对湿度。然而，加湿器的加湿量的单位为ML/H即每一个小时加湿器内减少的水的体积，故需要进行体积转换成质量的变换，则由此可以得到空气中的绝对湿度。设加湿量为VH，单位为ML/H。HHVM水（33）式中，相对地，MH的单位为G/H。水即是水的密度，为1G/CM3或1000KG/M3。则经过H个小时之后，水蒸汽新增的质量
35、为HMMHHA（34）由于原本的空气中，还存在一定的水蒸汽，故计算H个小时之后，水蒸汽的质量还需考虑原先空气中的水蒸汽。则根据式（32），原先水蒸汽的质量为VHRHVHMSOAHO（35）式（35）中，MHO为原先水蒸汽的质量，单位为G；RHO为最初空气中的相对湿度；HS为当前模拟室温度下的饱和湿度，单位为G/M3；V为模拟室的体积。由于在湿度控制中有湿度的检测功能，故可以将最初空气中的相对湿度认为是已知的条件。13根据式（34）和式（35），得出H个小时后，空气中水蒸汽的总质量MH为HOHAHMMMVHRHHMSOH（36）若算出MH且已知模拟室的体积，则可得到模拟室的绝对湿度为SOHHAH
36、RHVHMVMH（37）根据式（32）及（37），得到相对湿度的公式。100100OSHSARHVHHMHHRH（38）将式（38）的右边RHO项左移，得到如下的公式100SHOVHHMRHRHRH（39）从式中，可以看出，增加的相对湿度即是增加的水蒸汽质量与模拟室体积及饱和湿度之比。再根据式（33）和式（39），得到在V体积的空间里，加湿H个小时，增加RH所需的加湿量VH为100100SHSHVHHVVHHMRH水HVHRHVSH水（310）考虑可能出现较坏的情况，在1M3体积的模拟室内部，加湿1/4个小时即15分钟，相对湿度从20上升到50，室内温度为50OC，则该温度下饱和湿度为973G
37、/M3。分别代入式（310），算得HMLVH/761164/1013971013066故在购选加湿器时，需要注意的是其总共的加湿量能够大于等于11676ML/H。当然也可购得加湿量较少的加湿器，不过这需要花更多的时间使加湿到所需的相对湿度。323加湿器的选择市面上的加湿器分为四种类型电加热型、纯净型、雾化型和超声波型电加热型加湿器是一种最早的比较简单的加湿器。它是通过加热内置水至沸点将因沸腾而产生的水蒸汽释放到需要加湿的空间里。其优点是便于携带，价格低廉，若无水则自动断14电。其缺点在于所需的功率较大。纯净型加湿器是利用最新兴起的纯净加湿技术为基础，对水中所存在的2CA离子、2MG离子进行筛选
38、清除，从而解决了水分蒸发所遗留的白色粉粒的问题。其最大优点是对水质的要求低。缺点是价格相对较贵。雾化型加湿器的最大特点是加湿量大，适合应用于比较特殊的场合比如医疗、婴儿护理等领域。由于其加湿量大，相应地，其所需要的功率也相对较高，这也是其缺点。超声波型加湿器利用超声波的震荡将水雾化成很小的微粒并释放到需要加湿的空间中去。其主要的优点在于消耗的功率小、使用寿命较长及价格较便宜。而缺点是对水质的要求较高，需要纯净水或蒸馏水作为加湿器的水源。比较适合面积为20M230M2的空间范围进行加湿。对于本课题的试验，实验中可以提供蒸馏水，对于水质的要求基本可以满足。而在加湿量方面，由于雾化型加湿器适合于比较
39、大的场合，而本课题中，加湿的体积只有1M3，不需要如此大的加湿量；电加热型虽然价格便宜，但是功率要求大，在试验中可能会存在加湿器水分不足以及沸腾时释放的水蒸汽会影响模拟室内部的温度；纯净型及超声波型加湿器均能满足本课题的要求，根据上面所述，本课题中可以提供纯净水或蒸馏水，因此对于水质的要求不用很高，在考虑到价格等方面的因素，本课题选择超声波型加湿器。选择的超声波型加湿器为艾恩凯尔GH2108超声波加湿器，其图片如下图31所示图31艾恩凯尔加湿器示意图该加湿器为超声波型加湿器，其供电电压为交流100240V，输出电压为直流24V，最大加湿量约为70ML/H，适用的面积为20M2以下的房间，水容量
40、范围为300ML1000ML。本课题中，购得该加湿器两个，故总共的最大加湿量为140ML/H，大于11676ML/H的加湿量，故满足课题的要求。1533传热学基本原理传热学是一门用来研究因温差导致的热量传递规律的学科。凡是具有温度差的地方就会有热量自发地从高温物体（或物体的高温部分）向低温物体（或物体的低温部分）传递。在本课题中，由于存在对模拟室进行加热的过程，这需要了解如何保证加热过程中的温度均匀性以及如何设定加热器的功率。如今，传热学在生产技术领域中的应用越来越广泛，体现在材料制造、能源动力、建筑工程、交通运输、电气电信等诸多领域中，例如由于大规模集成电路的不断发展，电子器件的散热问题越来
41、越受到关注，如何解决电子器件的散热问题牵涉到的就是传热学中的内容。从物体温度与时间的关系的角度来看，热量传递过程可分为稳态过程和非稳态过程两类。稳态过程的定义是凡是物体中各点的温度不随时间的变化而变化的热量传递过程；非稳态过程的定义与之相反。一般性，各种热力设备在持续不变的工作状态下运行的时候产生的热传递过程属于稳态过程，然而，各种热力设备在启动、停机和改变工作状态时所经历的热传递过程属于非稳态过程。本课题主要研究稳态过程。热传递过程存在三种基本方式9导热、对流和热辐射。下面分别就这三种基本传热方式进行介绍。331导热导热的定义为在物体各部分之间不发生相对移位的情况下，分子、自由电子等微粒子进
42、行热运动而发生的热传递过程。比如，热量从物体中温度相对较高的部分传递到温度相对较低的部分或者热量从某个温度较高的物体通过接触的地方传递到另外一个温度较低的物体上，这些现象就是所谓的导热现象。导热这一热量传递的微观机理因物体的形态不同而各有所异对于气体而言，因气体分子的不规则的热运动而发生相互碰撞，从而导致导热这一热传递现象，温度越高，气体分子的动能则越大，相互碰撞后，热量从温度高的部分传递到温度低的部分；对于可以导电的固体而言，热传递中起到主要作用的是导电固体中的自由电子；而对于不能导电的固体而言，导热过程是由于晶格结构的振动而产生的。因此，一般性，导电固体相对于不能导电的固体更容易导热，这可
43、以从我们平时接触到的生活常识观察到比如功率管的散热片往往是由金属材料制成的。对于液体而言，其微观机理具有争议性，这里不予讨论。首先观察一下通过平板的导热过程，如图32所示，假设该导热过程是一维的，即热量传递过程是往一个方向上进行的。161OTATW1TW22X图32一维导热过程示意图图32中，为单位时间内通过一定面积的热量即热流量。TW1为表面1的温度，相应地，TW2为表面2的温度，假设这两个表面的温度都是均匀的且保持不变；在图中，可看出TW1大于TW2。坐标方向X可认为为热传递的方向，坐标值表面平板的厚度值。A为热量通过的表面面积。与A及温度变化的关系式如下DXDTA（311）其中，负号为表
44、征温度上升的方向与热量传递时候的方向相反。为平板的热导率。在物理学中，热导率是用来表示某种材料传递热量的能力。热导率高的材料传递热量比热导率低的材料传递热量要快。因此，高热导率的材料如上面的例子所述常应用于散热方面，而低热导率的材料常作为保温材料。材料的热导率与温度有关。一般性，平均温度越高，材料的热导率也就越高即越能传递热量。的单位为W，为了表示单位时间单位面积所通过的热量，我们引进热流密度Q，按照定义，热流密度的单位为W/M2。导热的基本规律即傅立叶定律表明当物体温度在某一方向上发生改变之时，那么热流密度Q为DXDTAQ（312）式（312）中，当0DXDT即温度沿X轴方向下降时，Q大于0
45、即热量是沿X轴负方向传递；当0DXDT即温度沿X轴方向上升时，Q小于0即表明热量沿X轴正方向传递。332对流对流是在流体（比如液体，气体）和流变体中的分子的热传递运动。对流不能发生在固17体中，因为在固体中既不可能发生大范围的流动也不可能发生显著的扩散现象。对流是热量传递和质量传递的主要方式之一。对流热和质量传递可存在于扩散即流体中各个分子的随机布朗运动以及水平对流即流体中大范围的流动可导致热量的传递。在传热和传质方面，术语“对流”就是用于指代对流性的传递和扩散性的传递。对流在流体中可能是大范围的进行而不仅仅是几个原子的运动。不同环境下会产生不同的对流，但是大致上可以归为自然对流和强制对流两种
46、类型。广义上，产生对流是因为流体中本身的力在作用，比如重力（浮力），或者流体边界的表面力。如上所述，通常流体的成因可描述成“自然的”（“自由的”）或“强制的”，尽管还存在其他的成因。然而，对于对流的热传递而言，对自然对流和强制对流的区分尤为重要。自然对流（或自由对流）的产生是由于温度差引起流体密度的变化，从而导致流体的相对浮力，较重（较稠密）的部分下降而较轻（不太稠密）的部分上升，最终产生大范围的流体运动。因此，自然对流只能发生在引力场里。一个常见的例子是一锅沸腾的水，底部是热且密度小的水，顶部附近是冷的且密度较大的水，由于重力等作用下，顶部较冷的水下沉而底部较热的水往上升。在强制对流中，流体
47、的运动是由于外部的表面力引起的比如风扇或水泵。强制对流通常是为了加快热量交换的速度。两种流体的混合往往也采用强制对流的方式。强制对流也可以是其他过程的副产品，比如流体中推进器的作用或者空气动力加热等等。流体散热系统，血液循环促使身体温度的上升及下降等这些都是强制对流的例子。强制对流可能比自然对流产生的效果更快。例如，一个由强制对流下工作的对流烤箱，通过一个风扇将热气体快速地流动使热量更容易传递到食物上。关于对流换热的基本公式，牛顿冷却公式如下THQ（313）TAH（314）其中T为壁面温度TW和流体温度TF之差，且T取正值即FWTTT。H为表面传热系数，其单位为W/M2K。表面传热系数是用于计
48、算由对流或液体和固体间的相变导致的热量传递。其大小受许多因素影响，比如流体的流动原因、是否相变、流动状态、物理性质及热传递表面等等。然而，对于式（313）和式（314）而言，只是定义了表面传热系数，但无法确定表面传热系数的值。计算不同热传递模型、不同流体和不同热压条件下的表面传热系数的方法有许多种。通18常它可由四种方法得出实验法、比拟法、数值法和分析法。333热辐射热辐射是由物质中带电粒子的热运动而产生的电磁辐射。所有物体只要其温度高于绝对零点温度则会产生热辐射。热辐射包括白炽灯发出的光、由动物身上发出的红外线辐射以及宇宙微波背景辐射等。热辐射不同于热对流和导热例如一个人站在篝火旁边就会感觉
49、火所带来的辐射能量，即使周围的空气非常冷。阳光是太阳热等离子体产生的热辐射。地球也会发射出热辐射，但是其强度更低且辐射光谱不同，这是因为地球比较冷。地球对太阳辐射的吸收以及本身输出的热辐射是决定地球温度的两个重要过程。如果一个热辐射物体与一个在热力学平衡中的黑体相遇，则该辐射称为黑体辐射。普朗克定律描述了黑体辐射的光谱只决定于物体本身的温度。维恩位移定律决定了发射辐射最有可能的频率以及斯忒藩玻尔兹曼定律给出了辐射强度。斯忒藩玻尔兹曼定律给出的公式如下4TA（315）其中，A为辐射的面积；为斯忒藩玻尔兹曼常数，其数值为810675W/M2K4；而T为黑体的辐射热力学温度。实际过程中还需引入修正系数乘于式（315）的右边，该修正系数用于表征实际物体的发射率，与物体表面因素和材料相关。34温度控制设计温度控制的设计中涉及温度传感器、模拟室的传热方式的分析及加热器的选择。341温度传感器的选择对于温度传感器的选择，考虑的因素有测量温度范围、测量精度及价格等。如今，市场上的温度传感器有热电偶、RTD、热敏电阻和IC温度传感器这四种类型10。热电偶是应
