不同溫度下測量相對濕度的分析研究

唐寄峰，莫檸瑜，卜天容

（廣西壯族自治區(qū)計量檢測研究院，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530022）

在日常溫濕度傳感器校準工作中，極易因檢測環(huán)境溫度變化而出現(xiàn)相對濕度多次測量結(jié)果懸殊情況。雖然相對濕度多次測量結(jié)果偏差出現(xiàn)頻率較小，但是，對整體溫濕度傳感器校準精度具有較大影響。因此，研究不同溫度下測量相對濕度的變化具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 不同溫度下測量相對濕度的分析研究方法

1.1 測試原理

對于相對濕度測量來說，包括冷凝露點法、伸縮法、干濕球法。其中冷凝露點法是一種測量相對濕度準確度最高的儀器，多借助半導(dǎo)體制冷且可光電自動平衡的鏡面式露點儀，在壓力一定的情況下，經(jīng)半導(dǎo)體制冷促使空氣內(nèi)水蒸氣冷凝在露點儀鏡面，在露點儀鏡面進入熱力學(xué)平衡狀態(tài)后，可以精準測量環(huán)境內(nèi)水蒸氣摩爾分數(shù)、相同溫度與壓力條件下飽和水蒸氣摩爾分數(shù)的百分比（環(huán)境的水蒸氣分壓、相同溫度下飽和水蒸氣壓的比值）。同時借助露點儀內(nèi)設(shè)鉑電阻溫度計，進行環(huán)境溫度測量。

對于溫度測量來說，包括接觸式測量法、非接觸式測量法。露點儀內(nèi)設(shè)鉑電阻溫度計測量主要是非接觸測量，在不與被測物體接觸情況下測量溫度，確保測溫時被測物體溫度分布均衡。標(biāo)準鉑電阻溫度計主要根據(jù)金屬鉑電阻隨溫度變化而變化的規(guī)律，進行溫度測量，可以作為各種精密溫度計量儀器的檢定標(biāo)準。標(biāo)準鉑電阻溫度計尺寸為φ7 mm×480 mm，內(nèi)置測量電阻（熱敏電阻）為M12×1.5Ω，水內(nèi)響應(yīng)速度為0.4 m/s，空間中響應(yīng)速度為1.0 m/s，適用溫度為-220～+750℃，平均溫度等級0.003 85+/℃，長短期穩(wěn)定性較佳，可以滿足《標(biāo)準鉑電阻溫度計檢定規(guī)程》（JJG160）的要求。

1.2 測試設(shè)備

準備VC4100溫濕度標(biāo)準檢定箱、DewStarmodel S-IS精密露點儀及配套設(shè)備。

1.3 測試方法

在溫濕度標(biāo)準檢定箱中心位置放置標(biāo)準器探頭，在溫濕度標(biāo)準檢定箱有效空間內(nèi)放置被檢測儀器（溫濕度傳感器），確保標(biāo)準檢定箱內(nèi)空氣有效循環(huán)。進而將標(biāo)準器探頭直接與被檢測溫濕度傳感器進行對比。或者在溫濕度標(biāo)準檢定箱內(nèi)置標(biāo)準器傳感探頭的基礎(chǔ)上，圍繞標(biāo)準濕度發(fā)生器內(nèi)濕度氣流，一路與溫濕度標(biāo)準檢定箱連接，一路通入標(biāo)準濕度發(fā)生器測量室。由標(biāo)準器的顯示屏幕讀取標(biāo)準濕度值與溫濕度標(biāo)準檢定箱內(nèi)被測溫濕度傳感器相對濕度數(shù)值并進行對比。進而調(diào)整溫濕度檢定箱溫度為10～30℃，相對濕度為40%～80%。在低溫、高溫條件下逐次進行相對濕度測量，具體見表1。

表1 測量溫度條件

在標(biāo)準精密露點儀測量時，先打開電源，初始儀器進入自校狀態(tài)，在此期間連接精密露點儀配套測量管道、測量開關(guān)接頭，完成精密露點儀開管接頭、被測開關(guān)連接。結(jié)束自校狀態(tài)后，進入測量狀態(tài)。在測試狀態(tài)下，關(guān)閉精密露點儀的流量調(diào)節(jié)閥，連接測試管道（聚四氟管）、儀器進氣口，促使氣源經(jīng)管道進入快速接口，觀察顯示屏顯示壓力，記錄數(shù)值，此時數(shù)值為被測開關(guān)內(nèi)氣體壓力。記錄被測開關(guān)內(nèi)氣體壓力后，將流量計向右旋轉(zhuǎn)90°促使其與面板垂直，進入正式測量狀態(tài)。開啟流量調(diào)節(jié)閥，觀察浮子啟動情況，確定氣體順利輸出后，將流量調(diào)節(jié)到0.5 L/min以上、0.8 L/min以內(nèi)。調(diào)節(jié)閥門后，將安全鎖放置到紅點位置，觀察數(shù)據(jù)顯示，記錄液晶屏上顯示的溫度、相對濕度值。若測量時電量指示燈變?yōu)榧t色則表明電量不足，需要及時充電。測量時間為8～10 min，進入測量尾聲后，點擊打印鍵并輸入被測編號后確認，開始打印測量數(shù)據(jù)，打印結(jié)束后關(guān)閉流量閥，并將流量計向左旋轉(zhuǎn)90°，從精密露點儀進氣口取下測試管道、開管接頭，最后關(guān)閉電源，將測試管道、開管接頭恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

在每次檢測結(jié)束、下一次檢測前，校準溫濕度檢定箱。在溫濕度標(biāo)準檢定箱達到設(shè)定數(shù)值后，穩(wěn)定0.5 h。記錄標(biāo)準精密露點儀相對濕度值、被檢定溫濕度計相對濕度值的時間間隔2 min，分別記錄3個數(shù)據(jù)計算平均值。其中標(biāo)準精密露點儀相對濕度的均值可以作為對應(yīng)校準點的標(biāo)準相對濕度；而被檢定溫濕度計相對濕度值可以作為被檢定溫濕度表的標(biāo)準相對濕度。利用同樣的方法，進行下一個校準點測試，直到完成全部校準點的相對濕度測試。全部測試完畢后，溫度標(biāo)準值、相對濕度標(biāo)準值均為精密露點儀顯示值，測量值則為被檢定溫濕度計顯示值。校準點的相對濕度指示值誤差計算公式如下：

式（1）中，△Ui為第i個校準點的相對濕度指示數(shù)值誤差；Uib為第i個校準點的被檢測溫濕度計的相對濕度指示數(shù)值；Uia為第i個校準點的標(biāo)準濕度計（精密露點儀）的相對濕度指示數(shù)值誤差。檢定環(huán)境內(nèi)，要求某一點任意一個0.5 h周期內(nèi)3個10 min平均值溫度最大值、最小值極差小于等于1 ℃，相對濕度最大值、最小值極差小于等于2%。

2 不同溫度下測量相對濕度的分析研究結(jié)果

2.1 不同溫度下示值誤差

根據(jù)式（1），計算被測溫濕度計的指示數(shù)值誤差并與精密露點儀顯示的溫度標(biāo)準值、相對濕度標(biāo)準儀進行對比，得出低溫、高溫下測量相對濕度的結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下示值誤差

表2中，指示數(shù)值誤差變化量是高溫條件下相對濕度顯示值（或低溫條件下相對濕度顯示值）與精密露點儀相對濕度顯示值的誤差最大值。由表2數(shù)據(jù)可知，40%、80%相對濕度測量點下，環(huán)境溫度對溫濕度儀顯示的相對濕度值均具有較大影響。在40%相對濕度測量點下，環(huán)境溫度由10～30 ℃變化過程中，隨著溫度的增加，對被測溫濕度儀的相對濕度顯示值影響變小。表明環(huán)境溫度變化與溫濕度儀相對濕度顯示值呈負相關(guān)，即在環(huán)境相對濕度較低時，溫度越低，溫濕度儀測量的相對濕度顯示誤差越大；在80%相對濕度測量點下，環(huán)境溫度由10～30 ℃變化過程中，隨著溫度的增加，對被測溫濕度儀的相對濕度顯示值影響變大。表明環(huán)境溫度變化與溫濕度儀相對濕度顯示值呈正相關(guān)，在環(huán)境溫度低于常規(guī)檢定標(biāo)準溫度時，對溫濕度儀相對濕度檢測值影響更小，即在環(huán)境相對濕度較高時，環(huán)境溫度越高，溫濕度儀測量的相對濕度顯示誤差越大。這可能是由于連接溫濕度儀、相對濕度發(fā)生器的管道為聚四氟乙烯管道，雖然可以不黏附其他物質(zhì)且滲透性交底，但是無法防控溫度變化對流經(jīng)管道內(nèi)部的氣流濕度干擾。根據(jù)道爾頓分壓定律，溫度變化會直接導(dǎo)致飽和水蒸氣壓變化，而飽和水蒸氣壓對相對濕度具有較大影響，導(dǎo)致不同溫度下環(huán)境相對濕度測量結(jié)果出現(xiàn)變化。

2.2 常溫下示值誤差

為進一步確定不同溫度對相對濕度測量的影響，在常溫條件下，以精密露點儀顯示數(shù)值作為溫度標(biāo)準值、相對濕度標(biāo)準值，溫濕度儀顯示數(shù)值為測量機，計算15 ℃、20 ℃、25 ℃溫度下的相對濕度，得出結(jié)果見表3。

表3 常溫下示值誤差

由表3可知，以精密露點儀顯示數(shù)值為相對濕度標(biāo)準值，測得常溫下溫濕度計指示數(shù)值誤差存在較大差異。在低濕狀態(tài)下，15 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在-2.9%～-0.8%之間；20 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在-0.7%～1.0%之間；25 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在0.2%～1.6%之間，均小于低溫、高溫環(huán)境下溫濕度儀指示數(shù)值誤差。而在高濕狀態(tài)下，15 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在-1.7%～0.8%之間；20 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在-0.8%～1.0%之間；25 ℃時，溫濕度儀指示數(shù)值在-3.6%～1.2%之間，均小于低溫、高溫環(huán)境下溫濕度儀指示數(shù)值誤差。表明常溫狀態(tài)下溫度對溫濕度儀顯示相對濕度結(jié)果影響程度更小。這可能是由于標(biāo)準濕度發(fā)生器產(chǎn)生濕氣通向標(biāo)準測試室內(nèi)的管線直接暴露于環(huán)境溫度，甚至由裸露于外界空氣環(huán)境的殼體溫度傳導(dǎo)到傳感器殼體，對實際濕度傳感器溫度造成干擾。此時，即便標(biāo)準濕度發(fā)生器內(nèi)溫度為標(biāo)準20 ℃，經(jīng)過管線后進入標(biāo)準器的氣體溫度也會與20 ℃存在偏差，而放置于測試室內(nèi)的標(biāo)準溫度傳感器溫度是20 ℃，相應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊處理數(shù)據(jù)時依據(jù)標(biāo)準20 ℃進行處理，導(dǎo)致輸送氣體濕度顯示值與實際相對濕度值出現(xiàn)偏差。基于此，對于校準條件下的溫度環(huán)境，不僅需要滿足《濕度傳感器校準規(guī)范》（JJF1076）中的溫度環(huán)境條件（23 ℃±5 ℃），而且需要根據(jù)標(biāo)準器及配套設(shè)備內(nèi)不確定量值傳遞影響，在室內(nèi)安裝空調(diào)，設(shè)定溫度處于20 ℃，盡可能縮小檢測環(huán)境溫度與標(biāo)準濕度發(fā)生器測試溫度值，最大程度減少溫度變化對相對濕度檢測數(shù)值的干擾。

3 結(jié)論

由上述分析結(jié)果可知，在環(huán)境相對濕度較低時，溫度越低，溫濕度儀測量的相對濕度顯示誤差越大。在環(huán)境相對濕度較高時，環(huán)境溫度越高，溫濕度儀測量的相對濕度顯示誤差越大。在15～25 ℃的常溫狀態(tài)下，溫度對溫濕度儀顯示相對濕度結(jié)果影響程度較小。因此，在應(yīng)用溫濕度儀檢測環(huán)境相對濕度時，應(yīng)盡可能選擇環(huán)境溫度在15 ℃以上、25 ℃以內(nèi)的時間段，提高環(huán)境相對濕度的檢測精確度。