溫濕度傳感器測量中溫度變化對相對濕度測量的影響

【摘 要】 在日常的溫濕度傳感器或溫濕度變送器的校準(zhǔn)工作中，通常是由精密露點儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)相對濕度發(fā)生器作為配套設(shè)備來對其進(jìn)行校準(zhǔn)。在檢測過程中，經(jīng)常會遇到由于檢測環(huán)境溫度的影響，測量濕度值多次檢測結(jié)果不一致的情況。盡管數(shù)值相差有時并不大，但是，作為計量檢定工作，就需要對其形成原因探個究竟了。本文從工作原理及公式推理等多角度，著重分析了溫濕度傳感器測量中，溫度變化對相對濕度測量的影響。

【關(guān)鍵詞】 溫濕度傳感器 溫度變化 相對濕度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.04.017

日常的溫濕度傳感器或溫濕度變送器的校準(zhǔn)工作，一般是由精密露點儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)相對濕度發(fā)生器作為配套設(shè)備來對其進(jìn)行校準(zhǔn)。所用標(biāo)準(zhǔn)器的型號或測量方式不同，標(biāo)準(zhǔn)器與配套的標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的連接方式就會略有不同。

通常標(biāo)準(zhǔn)器與配套設(shè)備的連接有兩種主要方式。一種是標(biāo)準(zhǔn)器的傳感器是直接露在外面的，與顯示儀表分開，中間由數(shù)據(jù)線連接，這種形式的標(biāo)準(zhǔn)器，可以將露點探頭直接與被檢測的溫濕度傳感器一同放入標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器中進(jìn)行比較檢測。另一種方式是，所用標(biāo)準(zhǔn)器的傳感探頭是內(nèi)置于機(jī)器內(nèi)部的，檢測時，是標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)濕度，濕度氣流同時分作兩路，一路通到標(biāo)準(zhǔn)器中，一路通到標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的測量室中，這樣通過標(biāo)準(zhǔn)器的顯示屏幕讀出標(biāo)準(zhǔn)濕度值，同時讀出放置于測量室中的被測溫濕度傳感器的相對濕度讀數(shù)，兩者進(jìn)行比較，從而得出相應(yīng)檢測結(jié)果。

連接精密露點儀和相對濕度發(fā)生器所用的連接管是聚四氟乙烯管，或叫特氟龍管，是已知的可用作相對濕度測量連接管材里面最合適的管材。它不沾附任何物質(zhì)，又擁有較低的滲透性，可以說，是相對濕度測量中對測量結(jié)果影響最小，性質(zhì)最理想的管材。

但是，聚四氟乙烯管雖然能夠防滲透，卻也防不了溫度變化對流經(jīng)其內(nèi)部的氣流的濕度的影響。而眾所周知，按照道爾頓分壓定律及飽和水蒸氣壓曲線：溫度變化，飽和水蒸氣壓也變化。又由于相對濕度與飽和水蒸氣壓有關(guān)，因此，相對濕度受溫度影響很大。而對于計量檢測工作而言，些許的溫度變化和溫度影響就會給最終的相對濕度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來巨大的影響。

圖1 水的飽和蒸汽壓與溫度曲線圖

在實際檢測工作中，檢定人員會發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)溫度略有不同時，同樣的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備，同樣的被檢測設(shè)備，最終測得的被測設(shè)備所顯示的相對濕度值會略有不同，有時候不同溫度測量條件下的相對濕度測量值可以相差近2%。由于被測設(shè)備的不確定性，這里就不單純列舉實際被測設(shè)備的例子來說明溫度變化對相對濕度測量的影響。因為，被測設(shè)備本身就會有重復(fù)測量時所涉及的重復(fù)性問題，所以，并不一定有很強(qiáng)的代表性。這里是利用一個可以進(jìn)行露點和相對濕度計算及轉(zhuǎn)換的計算軟件來分析計算一組數(shù)據(jù)，從而來說明溫度變化對相對濕度測量的影響。

在實際檢測過程中，氣壓是保持不變的，同時由于特氟龍管材的低滲透性，露點溫度也可以認(rèn)為不受影響。

對于標(biāo)準(zhǔn)器與配套設(shè)備的第一種連接方式，可以認(rèn)為：溫度變化對相對濕度測量結(jié)果影響可忽略不計。因為，標(biāo)準(zhǔn)器的傳感探頭與被測設(shè)備的傳感探頭同時都放置在標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的測試室中，客觀上說，溫度變化，對相對濕度的測量值肯定是有影響的，但是最終我們要得出的是相對濕度的差值，即：

[ΔH]=[H-HB] （1）

式中：[ΔH]——相對濕度示值誤差；

[H]——被測設(shè)備顯示的相對濕度示值；

[HB]——標(biāo)準(zhǔn)器顯示的相對濕度示值。

溫度變化對相對濕度的變化影響對于放置在同一個測試室中的標(biāo)準(zhǔn)器和被測設(shè)備是相同的，可以將這個變化量定義為，則溫度變化后標(biāo)準(zhǔn)器及被測設(shè)備示值變?yōu)椋?/p>

[H]=[H+Hd] （2）

[HB′]=[HB+Hd] （3）

則：[ΔH]=[H-HB]=[（H+Hd）-（HB+Hd）]

=[H-HB]=[ΔH] （4）

通過（4）式可以看出，最終兩次的測量示值誤差是相同的，盡管實際測量值的確有了變化，但是對于最終的測量示值誤差，溫度變化對相對濕度的影響是可以互相抵消的。

而對于第二種連接方式，由于標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器產(chǎn)生的濕氣一路直接通到測試室，一路需要一段連接管線，通到作為標(biāo)準(zhǔn)器的精密露點儀氣室中，這中間連接管線是暴露在環(huán)境溫度中的，標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器中的溫度可能是標(biāo)準(zhǔn)的20℃，但是經(jīng)過了這段管線后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)器中的氣體溫度就不是20℃了，會略有變化，而標(biāo)準(zhǔn)器的溫度傳感器是放置在測試室中的，溫度是標(biāo)準(zhǔn)的20℃，標(biāo)準(zhǔn)器中的數(shù)據(jù)處理模塊會按照標(biāo)準(zhǔn)的20℃來處理數(shù)據(jù)，輸送過來的氣體中的濕度在顯示器上的顯示值自然就會比實際的相對濕度值有偏差。同時，被測設(shè)備放置在標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器的測試室中，有一部分會裸露在外界環(huán)境空氣中，裸露在外的殼體的溫度也會或多或少的傳導(dǎo)至下方的傳感器殼體上，會對實際傳感器上感受的溫度也有少許影響，這樣一來，也會對被測設(shè)備自己內(nèi)部模塊中計算出的相對濕度示值有影響。

這里列出一個表格，表格中分別列出了溫度高于20.0℃的0.1℃、0.2℃、0.3℃及0.5℃條件下，相對濕度的實際值與20.0℃條件下的標(biāo)準(zhǔn)相對濕度值比較，可以看出相互之間的差距。比20.0℃低的溫度的情況類似，這里就不再贅述。

通過表格可以看出，在溫度變化達(dá)到0.5℃時，對于相對濕度的測量結(jié)果影響是很大的，相差2%以上都是可能的。對于一些精度要求較高的被測設(shè)備來說，這個偏差是不可以忽略的。

在JJF1076-2001《濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》中，對于校準(zhǔn)條件中的溫度環(huán)境條件滿足（23±5）℃即可，但是，從實際檢測過程及不同標(biāo)準(zhǔn)器及其自身特點角度來看，單純滿足這個條件，對于精密測量還是有待商榷的。盡管我們所用的標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備是有不確定度量值傳遞的，但是，仍然不能很好的取代溫度對相對濕度測量的影響。

因此，基于上述原因，為了盡量減少溫度變化對相對濕度測量帶來的影響，在實際測量過程中，最好實驗室內(nèi)裝有空調(diào)，比如在測量中需要在20℃條件下測量不同的相對濕度點，那么將空調(diào)設(shè)置到20℃，盡量使室內(nèi)環(huán)境溫度接近標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器測試室所設(shè)置的溫度值。這樣一來，雖然并不能從根本上完全保證測量溫濕度傳感器的相對濕度示值時環(huán)境溫度嚴(yán)格與測試室中的溫度一致，但是通過這一方式，盡量使二者的條件趨于一致，這樣就可以最大程度上的減少溫度變化對相對濕度示值測量的影響。

作者簡介

劉鑫，東北大學(xué)自動化專業(yè)碩士研究生，工程師，一直從事溫度、濕度、壓力等計量檢測工作。

（責(zé)任編輯：張曉明）