基于紅外測濕傳感器的濕度檢定箱設計

許 超，杜智濤，韓桂梅，王 洋，張雙羽，范雪波，王華英

(1.北京市國瑞智新技術有限公司，北京 100081；2.61540部隊，北京 100029；3.北京威世德科技有限公司，北京 100081；4.北京市氣象探測中心，北京100089；5.北京市密云區氣象局，北京101500)

0 引言

機械式溫濕度計和數字式溫濕度計的使用越來越廣泛，已經遍及工農業、國防、科技等各領域，對于溫濕度參數的測量準確度要求也越來越高。濕度檢定箱作為用于檢定、校準機械式濕度計、數字式濕度計和其他濕度傳感器的重要設備，其均勻性和穩定性對于檢測結果有著極其重要的影響。

相對濕度是空氣中實際水汽壓除以當時溫度下飽和水汽壓的結果，而飽和水汽壓是溫度的指數函數，溫度的變化直接影響相對濕度量值[1]。因此，測試室中的溫度恒定特別重要，即濕度檢定/校準設備應是恒溫恒濕箱[2]。

濕度檢定箱溫度、濕度控制方式是測試室中溫度、濕度均勻性、波動度的決定因素[3]。文章介紹的濕度箱采用了氣液換熱的控溫方法控制測試室的氣體溫度；濕度控制采用了干濕氣混合并通過PID反饋控制的控濕方案，采用時間常數很小的激光吸收式濕度傳感器對濕度進行測量和反饋控制，可以減少濕度平衡時間，有效減小測試室內的濕度波動。

1 常規溫濕度箱工作原理

目前常規溫濕度箱的溫度控制是在測試室內安裝蒸發器和加熱管，通過降低蒸發器的溫度來實現降溫，通過加熱管加熱實現氣體升溫，這種常規溫度控制方式的缺點是蒸發器的實際溫度比測試室控制溫度低3～5 ℃。由于存在大的溫度梯度，其溫度均勻性要達到要求非常困難，由于濕度和溫度的相關性，濕度均勻度同樣無法保證，特別是90%RH以上的濕度，溫度相差1 ℃，濕度差就可達到5%RH以上。因此，常規溫濕度箱不能保證濕度均勻，同時還存在達不到95%RH以上高濕，水汽凝結在蒸發器上的現象。

常規濕度箱的濕度控制原理包括干濕氣混合法，其加濕、去濕和反饋控制通常是濕敏電容或干濕表傳感器。濕敏電容隨時間漂移嚴重，當其長時間處于高濕環境時，會出現失效現象。干濕球法需要人工更換紗布，且要求風速穩定，濕球放出的水汽還會使測試室的濕度逐漸增加，造成濕度不穩定。

2 新型濕度檢定箱設計方案

2.1 工作原理

新型濕度檢定箱由測試室、濕度標準器、干氣源、濕氣源、恒溫槽、溫度濕度測控模塊和壓力泵等部分組成(圖1)。

圖1 新型溫濕度檢定箱組成

測試室內氣體溫度通過換熱器與恒溫槽中的恒溫水進行循環換熱，實現精確控溫；恒溫槽由溫度濕度測控模塊采用壓縮機制冷方式進行穩定水溫控制。通過控制干氣源和濕氣源的輸出流量調節測試室濕度。干氣和濕氣的混合量由溫度和濕度控制模塊通過采集測試室內紅外測濕儀(紅外激光式濕度傳感器)的濕度值對干氣源和濕氣源進行實時PID控制實現，測試室內的濕度標準器則提供標準的溫度值和濕度值。

由于采用了紅外濕度測控技術，使測試室內濕度能在5 min內實現從20%RH～80%RH的變化。由于紅外測濕反應時間達到毫秒量級，可以保證測試室內濕度能迅速從一個測濕點到另一個測濕點的轉變，且不會出現過沖現象，能夠穩定控制在目標濕度，并長時間保持。

2.2 溫度控制設計

測試室溫度控制結構和流程如圖2所示。

圖2 測試室溫控熱交換流程

測試室的溫度控制采用液體-氣體換熱模式實現，在測試室底部安裝翅片換熱器，換熱器內部的水通過泵在換熱器和恒溫槽之間循環流動。由于水的熱容大、控制穩定性好，同時換熱器表面為金屬翅片，換熱效率非常高，因此換熱器的金屬表面始終處于與水溫相同的恒溫狀態。換熱器表面翅片與測試室內氣體在風扇的作用下強制進行熱交換，使測試室內氣溫與水溫時間處于熱平衡狀態。

測試室內壁設計成雙層結構，夾層內流動著恒溫水，使測試室內壁也在與水進行熱交換，進一步減小了測試室氣體與水之間的溫差，通過這種合理換熱和循環風操作使換熱器、金屬壁與氣體溫差在0.3 ℃以內，整個測試室的溫度均勻度在0.2 ℃內，同時保證了在進行高濕控制時不結露。

恒溫水槽采用壓縮機制冷、加熱管加熱方式進行溫控，結構如圖3所示。

圖3 恒溫槽水溫控制熱交換流程

恒溫槽采用高準確度PID溫度控制技術，控制分辨力：0.01 ℃，均勻度：0.02 ℃，波動度：±0.01 ℃。因此，液體的溫度控制準確度非常高。

2.3 濕度控制設計

能為濕度控制提供濕度反饋的測量儀表中，通風干濕表、濕敏電容和露點儀等都存在響應時間長的問題。當測試室內實際濕度已達到目標值時，由于測量儀表的響應時間滯后，測試室內濕度就會超過目標濕度，造成控制和反饋不同步，導致濕度過沖和反復震蕩現象。

新型濕度檢定箱采用了全新的紅外測濕技術，其響應時間為毫秒量級，能及時響應測試室內的濕度變化并同步反饋給PID控制電路，快速對干氣和濕氣的進氣量進行調節，使測試室的濕度控制在設定點上而且不過沖。

3 測試結果

在國家氣象計量站和國家計量院分別對2臺設備(編號分別為1581017和1651002)進行檢測，編號為1581017的新型濕度檢定箱的溫度、濕度均勻度和波動度測量結果如表1和表2所示。

表1 濕度測試結果 %RH

表2 溫度測試結果 ℃

測試數據表明溫度波動度最大范圍為±0.04 ℃，溫度均勻度最大值為0.18 ℃，濕度波動度最大值為±0.2%RH，濕度均勻度最大值為0.78%RH。這兩項關鍵技術性能優于目前氣象計量部門所有在用的濕度檢定箱和恒溫恒濕箱。

對編號為1651002的新型濕度檢定箱進行了溫度和濕度均勻性測試，在測試室內取6個測試位置(上中下平面位置)進行了測試，測試結果如表3所示。

表3 溫濕度性能測試

測試數據表明：新型濕度檢定箱溫度波動度最大范圍為±0.1 ℃，溫度均勻度最大值為0.2 ℃，濕度波動度最大范圍為±0.3%RH，濕度均勻度最大值為0.6%RH。

上述測試數據表明，新型濕度檢定箱在溫濕度的均勻度和波動度指標方面高于計量標準的要求，對提高溫濕度表(計)的計量能力具有重要意義。

4 結束語

文章介紹了新型濕度檢定箱的設計方案，分析了濕度檢定箱測試室溫度、濕度均勻度和波動度的控制方法、液氣換熱控溫和紅外控濕技術。通過實際測試結果表明，新型濕度檢定箱在溫濕度的均勻度、穩定性和控制時間方面都優于計量規程要求，符合濕度量值傳遞規定。