魏運(yùn)芳 孫海燕

(1.吉林省氣象信息技術(shù)保障中心，長(zhǎng)春 130062；2.吉林省人工影響天氣辦公室，長(zhǎng)春 130062)

0 引言

目前氣象部門(mén)使用的濕度檢定裝置分四種，其中恒濕鹽濕度發(fā)生器和HUMOR20型濕度發(fā)生器檢定對(duì)象是自動(dòng)氣象站的濕度傳感器，DSP-3型數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表和DJM-10型濕度檢定箱箱組成的檢定裝置與氣侯試驗(yàn)箱和冷鏡式露點(diǎn)儀組成的檢定裝置可用于自動(dòng)氣象站濕度傳感器和常規(guī)儀器的檢定。本文從標(biāo)準(zhǔn)器工作原理、濕度檢定箱技術(shù)參數(shù)(濕度場(chǎng)均勻度，波動(dòng)度，濕度控制偏差)兩方面對(duì)后兩種檢定裝置比較分析，有助于廣大計(jì)量檢定人員使用。

1 濕度標(biāo)準(zhǔn)器的工作原理

1.1 冷鏡式露點(diǎn)儀工作原理

冷鏡式露點(diǎn)儀是利用半導(dǎo)體制冷原理冷卻露點(diǎn)傳感器的鏡面，使氣體中的水蒸氣在鏡面上冷凝為露或霜，光電或聲表面波檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制平衡，使鏡面上的露或霜與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)，用鉑電阻溫度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量鏡面上露層或霜層的溫度，即氣體的露(霜)點(diǎn)溫度。露點(diǎn)儀直接給出的量值是露點(diǎn)溫度，確切地說(shuō)應(yīng)為“熱力學(xué)露點(diǎn)溫度”。世界氣象組織采用的定義是“壓力為p，混合比為r的濕空氣的熱力學(xué)露點(diǎn)溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時(shí)的溫度。在這個(gè)溫度下，濕空氣的飽和混合比rw等于給定的混合比r”。

1.2 DSP-3型數(shù)字式標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表工作原理

干濕表法測(cè)濕的原理是基于干濕球表面水分蒸發(fā)形成的干濕差，由通風(fēng)干濕表方程：

e=e(Tw)-Ap(Ta-TW)

(1)

計(jì)算水分分壓，從而導(dǎo)出相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、混合比等濕度量值。

恒流源電流流經(jīng)串聯(lián)的干濕球鉑電阻元件和標(biāo)準(zhǔn)電阻(Ra，Rw，Rs)，經(jīng)微機(jī)控制的模擬開(kāi)關(guān)將采集的樣品值Va、Vw和Vs送至放大器放大，經(jīng)由A/D變換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，送到8031微機(jī)系統(tǒng)處理。

先計(jì)算出相應(yīng)的鉑電阻的阻值(Ra，Rw)，再計(jì)算出干、濕球溫度Ta、Tw，加上前面板輸入的大氣壓力值及固化的其他參數(shù)最后計(jì)算出濕度值來(lái)。

為了保證儀器在5℃到40℃的環(huán)境溫度內(nèi)其測(cè)量準(zhǔn)確度不變，儀器內(nèi)裝有恒溫盒，標(biāo)準(zhǔn)電阻、放大器、A/D轉(zhuǎn)換置于恒溫盒內(nèi)。

圖1 傳感器放置位置

2 性能測(cè)試

2.1 測(cè)試方法

2.1.1 測(cè)試儀器布置

將被測(cè)濕度檢定箱內(nèi)空間平分為上(A)、中(B)、下(C)三層，每層布測(cè)點(diǎn)一個(gè)。其中中層測(cè)點(diǎn)位于平面中央；上層和下層測(cè)點(diǎn)分別位于平面的左下角(或右下角)和右上角(或左上角)，但其距離檢定箱內(nèi)壁應(yīng)大于箱邊長(zhǎng)的1/10(具體位置見(jiàn)圖1中A、B、C)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)放置經(jīng)檢定合格的45D濕度傳感器一個(gè)。

2.1.2 濕度測(cè)量點(diǎn)及順序

選擇40%RH和90%RH兩點(diǎn)(可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)至相應(yīng)的濕度下限和濕度上限)作為測(cè)量點(diǎn)，40%RH點(diǎn)控制調(diào)整在37%RH～43%RH，在90%RH點(diǎn)控制調(diào)整在85%RH～95%RH，測(cè)試時(shí)各測(cè)量點(diǎn)的順序可任意選定。

2.1.3 測(cè)量步驟

開(kāi)機(jī)并根據(jù)選擇的測(cè)量點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的濕度點(diǎn)，當(dāng)箱中心位置測(cè)點(diǎn)濕度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定后，每隔1min開(kāi)始讀記箱內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度，共讀取12次。

一個(gè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)束后再按上述同樣方法進(jìn)行另一個(gè)濕度點(diǎn)的測(cè)試。

2.2 測(cè)量結(jié)果

在40%RH點(diǎn)和90%RH點(diǎn)兩種濕度檢定裝置的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1在40%RH點(diǎn)兩種濕度檢定裝置的測(cè)量結(jié)果 單位(%RH)

表2在90%RH點(diǎn)兩種濕度檢定裝置的測(cè)量結(jié) 單位(%RH)

2.3 數(shù)據(jù)處理

下面以40%RH測(cè)量點(diǎn)為例，講解數(shù)據(jù)處理方法。

2.3.1 濕度箱波動(dòng)度的計(jì)算

根據(jù)式(2)計(jì)算出濕度檢定箱內(nèi)濕度測(cè)量點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)位置12次讀數(shù)的最大波動(dòng)值ΔUO：

ΔUO=UOmax-UOmin

(2)

式中：UOmax為同一濕度測(cè)量點(diǎn)箱內(nèi)同一位置12次測(cè)量中的最大值，%RH；UOmin為同一濕度測(cè)量點(diǎn)箱內(nèi)同一位置12次測(cè)量中的最小值，%RH。

ΔUOIA=UOIAmax-UOIAmin=0.9， ΔUOIB=0.4，

ΔUOIC=0.5

ΔUOIIA=UOIIAmax-UOIIAmin=0.3， ΔUOIIB=0.3，

ΔUOIIC=0.4

式中：ΔUOIA、ΔUOIB和ΔUOIC分別表示DJM-10型濕度檢定箱在40%RH測(cè)量點(diǎn)A、B、C位置的最大波動(dòng)值；ΔUOIIA、ΔUOIIB和ΔUOIIC分別表示氣候試驗(yàn)箱在40%RH測(cè)量點(diǎn)A、B、C位置的最大波動(dòng)值；

根據(jù)式(3)計(jì)算出設(shè)定濕度值下檢定箱內(nèi)工作區(qū)域濕度的波動(dòng)度ΔUb：

(3)

計(jì)算得：ΔUbI=±0.3%RH

ΔUbII=±0.2%RH

式中：ΔUOi為第i位置測(cè)點(diǎn)12次讀數(shù)的最大波動(dòng)值；n為箱內(nèi)各位置測(cè)點(diǎn)數(shù)；ΔUbI為DJM-10型濕度檢定箱在40%RH測(cè)量點(diǎn)的最大波動(dòng)值；ΔUbII為氣候試驗(yàn)箱在40%RH測(cè)量點(diǎn)的最大波動(dòng)值。

同樣的方法得到90%RH兩箱的波動(dòng)度分別為±0.6%RH和±0.2%RH。以兩個(gè)濕度測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的波動(dòng)度最大值作為該檢定箱的濕度波動(dòng)度。計(jì)算得到DJM-10型濕度檢定箱的波動(dòng)度為±0.6%RH，氣候試驗(yàn)箱濕度波動(dòng)度為±0.2%RH。

2.3.2 濕度箱不均勻度的計(jì)算

根據(jù)式(4)計(jì)算出檢定箱內(nèi)濕度測(cè)量點(diǎn)各次測(cè)量時(shí)箱內(nèi)各位置測(cè)點(diǎn)濕度分布的最大差值ΔUi：

ΔUi=Uimax-Uimin

(4)

式中：Uimax為同一濕度測(cè)量點(diǎn)箱內(nèi)各位置測(cè)點(diǎn)在同一次測(cè)量中測(cè)得的最大值，%RH；Uimin為同一濕度測(cè)量點(diǎn)箱內(nèi)各位置測(cè)點(diǎn)在同一次測(cè)量中測(cè)得的最小值，%RH。

計(jì)算得DJM-10型濕度檢定箱各位置測(cè)點(diǎn)濕度分布的最大差值分別為0.9，0.7，0.6，0.4，0.3，0.2，0.5，0.7，0.6，0.7，0.7，0.5。氣候試驗(yàn)箱各位置測(cè)點(diǎn)濕度分布的最大差值分別為0.3，0.3，0.4，0.3，0.3，0.6，0.4，0.6，0.6，0.5，0.5，0.3。

根據(jù)式(5)計(jì)算出某一設(shè)定濕度值下檢定箱內(nèi)工作區(qū)域溫度的不均勻度ΔUj：

(5)

ΔUIj=0.6%RH，ΔUIIj=0.4%RH

式中：ΔUi為同一次測(cè)量中不同位置濕度分布的最大差值，%RH；ΔUIj為DJM-10型濕度檢定箱同一濕度標(biāo)準(zhǔn)值下箱內(nèi)濕度的不均勻度，%RH；ΔUIIj為氣候試驗(yàn)箱同一濕度標(biāo)準(zhǔn)值下箱內(nèi)濕度的不均勻度，%RH。

同樣的方法得到90%RH兩箱的不均勻度分別為0.8%RH和0.3%RH。以兩個(gè)濕度測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的不均勻度最大值作為該濕度檢定箱的濕度不均勻度。計(jì)算得到DJM-10型濕度檢定箱的不均勻度為0.8%RH,氣候試驗(yàn)箱濕度不均勻度為0.4%RH。

2.3.3 濕度箱濕度控制偏差的計(jì)算

根據(jù)式(6)計(jì)算出某濕度測(cè)量點(diǎn)檢定箱內(nèi)中層B點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)位置在穩(wěn)定狀態(tài)期間，每10分鐘濕度實(shí)測(cè)值與設(shè)定濕度值之間的差值ΔUci

ΔUci=Ui-Us

(6)

式中：Ui為第i分鐘濕度實(shí)測(cè)值，%RH；Us為箱內(nèi)濕度設(shè)定值，%RH。

經(jīng)計(jì)算B處差值如表3。

表3實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之差 單位(%RH)

根據(jù)式(7)計(jì)算出濕度檢定箱內(nèi)某濕度測(cè)量點(diǎn)的濕度控制偏差ΔUc：

(7)

ΔUIc=0.3%RH，ΔUIIc=0.2%RH

式中：ΔUIc為DJM-10型濕度檢定箱在40%RH濕度控制偏差，%RH；ΔUIIc為氣候試驗(yàn)箱在40%RH濕度控制偏差，%RH。

同樣的方法得到90%RH兩箱的濕度控制偏差分別為0.5%RH和0.3%RH。以兩個(gè)濕度測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的控制偏差最大值作為該濕度檢定箱的濕度控制偏差。計(jì)算得到DJM-10型濕度檢定箱的控制偏差為0.5%RH，氣候試驗(yàn)箱濕度控制偏差為0.3%RH。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較分析，發(fā)現(xiàn)冷鏡式露點(diǎn)儀和氣候試驗(yàn)箱組成的濕度檢定裝置，在不均勻度，波動(dòng)度和控溫偏差三個(gè)方面要優(yōu)于數(shù)字式通風(fēng)干濕表和濕度檢定箱組成的檢定裝置。

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[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范(JJF 1101—2003)[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2003

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[5] 一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師基礎(chǔ)知識(shí)及專(zhuān)業(yè)實(shí)物[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社.2009

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