陳鉬，劉虹君，伍偉雄，孫正璐，周裕華，陳雪霞

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

環(huán)境試驗的濕度測量[1]，通常使用干濕球濕度計。在GB/T 5170.5[2]、JJF 1270[3]等標準中，規(guī)定使用干濕球濕度計測量濕度。

量值傳遞中使用的干濕球濕度計，通常采取強制通風的方法，制成通風干濕表，在恒定的風速下獲得一個準確的干濕球系數(shù)A。而環(huán)境試驗用的干濕球濕度計，使用方法與有固定風速的通風干濕表不同，它借用了試驗設備本身的循環(huán)風速，試驗設備的循環(huán)風速因不同位置而不同，也因不同設備而不同。也就是說，環(huán)境試驗用的干濕球濕度計，因為沒有固定的風速，它的干濕球系數(shù)A是一個未知數(shù)。因此，無法知道它的濕度測量誤差，即它的濕度測量存在溯源問題。

1 概述

1.1 濕熱試驗的濕度測量

濕熱試驗是模擬實際使用中可能出現(xiàn)的溫濕度環(huán)境,用于各種材料、部件或整機產(chǎn)品的溫濕度環(huán)境的適應性試驗。一般而言，模擬實際使用中可能出現(xiàn)的溫濕度環(huán)境的濕熱試驗，需要的時間太長，此時為縮短濕熱試驗的時間，獲得與正常溫濕度使用條件相近似的效果，進而采用加速的濕熱試驗。

所謂加速的濕熱試驗，是指加大濕熱試驗的量值，即在給定濕度的條件下，把溫度量值提高，從而達到濕熱試驗的加速作用。加速的濕熱試驗，在實際使用的自然大氣環(huán)境中不可能出現(xiàn)。

65 ℃、95 %RH，85 ℃、85 %RH，90 ℃、95 %RH等，是常見的加速的濕試驗，這樣加速的濕熱試驗，在自然大氣環(huán)境中不可能發(fā)生。因此，加速的濕熱試驗的濕度測量，通常是高溫高濕的測量。

1.2 量值傳遞的濕度測量

量值傳遞中的濕度測量，通常是常溫下或溫度范圍變化不大的濕度測量。國家JJG 2046濕度計量器具檢定系統(tǒng)表[4]規(guī)定，在溫度（5～50）℃范圍內(nèi)量傳濕度。

濕度計量標準器具和濕度計量工作器具，實際量傳濕度的溫度范圍，如JJG 205[5]、JJF 1076[6]等，比國家JJG 2046濕度計量器具檢定系統(tǒng)表的溫度范圍要小。

2 主要測量儀器

對于環(huán)境試驗以高溫為特征的濕度測量，目前常用的各種濕度測量方法中，合適的只有冷凝露點法、電濕度法（電阻法、電容法）、干濕球法三種。

1）冷凝露點法。采用冷凝露點法研制生產(chǎn)的露點儀，價格昂貴，測量成本高，在環(huán)境試驗的濕度測量中基本不采用。

2）電濕度法。采用電濕度法研制生產(chǎn)的濕度傳感器或濕度計，在高溫高濕的測量中，穩(wěn)定性和重復性不理想，在環(huán)境試驗的濕度測量中使用也不多。

3）干濕球法。干濕球法采用兩支溫度計組成干濕球濕度計。溫度計通常具有較好的穩(wěn)定性和重復性，因而由兩支溫度計組成的干濕球濕度計，在高溫高濕測量中具有較好的穩(wěn)定性和重復性，且成本低廉，在濕熱試驗的濕度測量中得到廣泛的應用。濕熱試驗設備的濕度控制測量，大部分采用干濕球濕度計。

3 干濕球濕度計

3.1 測量原理

通常，采用兩支型號相同的溫度計組成干濕球濕度計。其中一支溫度計用于測量空氣的溫度，該溫度計通常叫作干球溫度計。另一支溫度計，用紗布把它的感溫部包起來，紗布下端放置在裝有純水的容器中，使溫度計感溫部的紗布保持濕潤，該溫度計通常叫作濕球溫度計。由于紗布中水分蒸發(fā)帶走熱量，使?jié)袂驕囟扔嫓y量得到的溫度，低于空氣溫度。濕球溫度計感溫部紗布水分蒸發(fā)的快慢，與空氣中的濕度相關，空氣濕度越低，濕球溫度計測量得到的溫度越低?？諝獾臐穸龋c測量得到的干球溫度和濕球溫度存在函數(shù)關系[7]。

干濕球濕度計濕度測量理論計算公式如下。

式中：

U—相對濕度，%RH；

e—實際水氣壓，kPa；

ew—干球溫度t所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa；

etw—濕球溫度tw所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa；

A—干濕球系數(shù)，℃-1；

P—空氣的氣壓，kPa；

t—干球測得的溫度，℃；

tw—濕球測得的溫度，℃；

T0—水三相點的熱力學溫度，273.16 K；

T—干球溫度t或濕球溫度tw的熱力學溫度，等于273.15+t（或tw）。

3.2 干濕球系數(shù)A

干濕球濕度計濕度測量的理論研究和實踐都已表明，干濕球系數(shù)A，除了與風速有關之外，還與濕球溫度計的尺寸、形狀有關。干濕球系數(shù)A隨每一具體的干濕球濕度計的不同而不同，需要由比它高的濕度標準確定它的干濕球系數(shù)A。

圖1是針對規(guī)定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的球狀干濕球、柱狀干濕球，在常溫下其干濕球系數(shù)A與風速關系的研究結(jié)果。

由圖1可以看出，規(guī)定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計，其球狀干濕球與柱狀干濕球的干濕球系數(shù)A，低風速與高風速的顯著差別。

圖1 風速與干濕球系數(shù)關系圖

基于干濕球濕度計的干濕球系數(shù)A與風速、干濕球濕度計的尺寸及形狀有關的研究，國際氣象組織機構(gòu)研究出一種以玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的通風干濕表，即用玻璃水銀溫度計測量干濕球溫度，并嚴格規(guī)定玻璃水銀溫度計的形狀和尺寸，同時使用強制通風的方法，給予干濕球濕度計恒定的風速。通過大量的實驗驗證，當通風速度在（3～4）m/s時，得到其干濕球系數(shù)A約為0.000 67 ℃-1。國內(nèi)外研究以特定的通風結(jié)構(gòu)、玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的標準通風干濕表，實驗得到的干濕球系數(shù)A實際上也存在差異。

我國編制的國家標準GB/T 6999—2010《環(huán)境試驗用相對濕度查算表》[8]，適用范圍中明確規(guī)定，僅適用于用玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的濕度測量。該查算表只是給出了有限的幾個干濕球系數(shù)A。

4 溯源

濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計，采取強制通風制作成通風干濕表，依靠風機獲得恒定的風速，因而獲得一個恒定干濕球系數(shù)A。它的濕度測量誤差，可以由高一級濕度標準直接校準，因而不存在溯源問題。

與濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計測量濕度不同，環(huán)境試驗使用的干濕球濕度計，借用了設備本身工作空間內(nèi)空氣循環(huán)的風速，此風速因不同位置而不同，也因不同設備而不同。同時，環(huán)境試驗使用的干濕球濕度計，出于讀數(shù)不方便或不能讀數(shù)的原因，不能采用兩支玻璃水銀溫度計來組成干濕球濕度計，而是一般采用兩支鉑電阻溫度計組成干濕球濕度計。顯然，兩支鉑電阻溫度計組成的干濕球濕度計，不能使用GB/T 6999給出的干濕球系數(shù)A,它的干濕球系數(shù)實際上是個未知數(shù)，它的濕度測量誤差，不能由高一級濕度標準直接校準，因而存在溯源問題。

5 校準

5.1 校準項目

從干濕球濕度計的濕度計算公式可以看出，干濕球濕度計測量濕度是否準確，除了與干球溫度、濕球溫度的測量是否準確有關外，還與干濕球系數(shù)A是否準確有關。

當然，還需要準確測量空氣的氣壓，空氣氣壓由氣壓計測量所得，與干濕球濕度計無關。相反，干濕球系數(shù)A與干濕球濕度計密切相關，即與干濕球濕度計特定的形狀、尺寸、以及流過濕球的風速有關。

因此，按照干濕球理論，干濕球濕度計需要校準干球溫度計、濕球溫度計的溫度測量誤差，同時，還需要校準干濕球系數(shù)A在不同風速條件下的準確值，然后才能校準它的濕度測量誤差。

5.2 溫度校準

利用比較的方法，把干球溫度計、濕球溫度計、標準鉑電阻溫度計，放置在液體恒溫槽中同一位置，同時測量恒溫槽該位置中的液體溫度，比較干球溫度計、濕球溫度計和標準鉑電阻溫度計的測量值，則可得到干球溫度計、濕球溫度計的溫度測量誤差。

5.3 干濕球系數(shù)A校準

把濕度標準器、干濕球濕度計放置在風速可調(diào)的溫濕度源中，濕度標準器測量溫濕度源的濕度，干濕球濕度計測量干球溫度和濕球溫度，同時用氣壓計測量溫濕度源的氣壓。按照干濕球理論的相對濕度計算公式，以濕度標準器測得值為標準濕度值，可以反算出干濕球系數(shù)A，如下公式。

保持溫濕度源的濕度不變，改變流過濕球溫度計的風速，此時濕球溫度發(fā)生變化，從而得到不同風速條件下的干濕球系數(shù)A。

5.3 濕度校準

干濕球濕度計在校準干濕球溫度、干濕球系數(shù)A之后，就可以校準它的實際濕度測量誤差了。

同理，把濕度標準器、干濕球濕度計放置在溫濕度源中，濕度標準器和干濕球濕度計分別測量溫濕度源的濕度，比較它們的測量值，則可得到干濕球濕度計的濕度測量誤差。

因此，通過校準干濕球濕度計的溫度測量誤差和干濕球系數(shù)A，則可校準干濕球濕度計的濕度測量誤差，解決它的溯源問題。

6 實驗驗證

6.1 實驗設計

6.1.1 溫度校準實驗設計

選用2支AA級鉑電阻溫度計[9]組成干濕球濕度計，按照上述干濕球濕度計的溫度校準方法，選用一等標準鉑電阻溫度計為溫度標準，測溫電橋、數(shù)據(jù)采集器、恒溫槽為配套設備。把標準鉑電阻溫度計和干濕球濕度計，插入恒溫槽中足夠深的同一水平面上，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，用測溫電橋測量標準鉑電阻溫度計的溫度，用數(shù)據(jù)采集器測量測量干濕球濕度計的溫度。

通過校準0 ℃、50 ℃、100 ℃3個溫度點，可以在（0～100） ℃測量范圍內(nèi)重新分度，提高干濕球濕度計溫度測量的準確性。

6.1.2 干濕球系數(shù)A校準實驗設計

按照上述的干濕球濕度計的干濕球系數(shù)A校準方法，選用一級精密露點儀為濕度標準，溫濕度源采用溫濕度標準箱，風速調(diào)節(jié)裝置采用小型風洞，以及選用數(shù)據(jù)采集器、精密風速計和氣壓計。

小型風洞平放在溫濕度標準箱內(nèi)的樣品架上，并作相應的固定。氣壓計的取氣口安裝在小型風洞旁邊，精密露點儀的溫度傳感器和取樣管口安裝在小型風洞進氣口前方。

濕球溫度計穿過小型風洞安裝在有效風場的位置上，并套上濕球紗布直至測量引線處，濕球紗布穿出小型風洞浸入裝有蒸餾水的水杯（帶蓋）內(nèi)。干球溫度計穿過小型風洞安裝在濕球溫度計前方偏左或偏右位置上，以不遮擋濕球溫度計即可。精密風速計傳感器穿過小型風洞垂直安裝在濕球溫度計旁邊，如圖2。

圖2 干濕球濕度計、風速計探頭在小型風洞內(nèi)的安裝示意圖

測量干濕球系數(shù)A，測量順序風速由低到高，調(diào)節(jié)小型風洞的控制輸出，直到精密風速計測得值穩(wěn)定在某一值時為止，待溫濕度標準箱的溫濕度穩(wěn)定后開始測量。

選擇在23℃、30%RH時，風速分別為（0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.3、3.5、3.8、4.0、4.5、5.0）m/s下校準干濕球系數(shù)A。

6.2 實驗結(jié)果

6.2.1 溫度校準實驗結(jié)果

按照干濕球濕度計溫度校準的實驗設計，溫度示值誤差實驗結(jié)果如表1。

表1 溫度示值誤差實驗結(jié)果

干濕球濕度計在校準0 ℃、50 ℃、100 ℃后重新分度，得到新的R0值、分度系數(shù)a和分度系數(shù)b，按新分度值測量其它溫度點的溫度示值誤差，結(jié)果如表2。

表2 重新分度后溫度示值誤差實驗結(jié)果

6.2.2 干濕球系數(shù)A校準實驗結(jié)果

按照干濕球系數(shù)A校準的實驗設計，干濕球系數(shù)A在23 ℃、30 %RH下實驗結(jié)果如表3。

表3 干濕球系數(shù)A實驗結(jié)果

6.2.3 濕度示值誤差校準實驗結(jié)果

按照濕度示值誤差校準的實驗設計，濕度示值誤差校準實驗結(jié)果如表4。

表4 濕度示值誤差實驗結(jié)果

7 實驗結(jié)果分析及結(jié)論

從實驗的結(jié)果來看，通過校準不同風速條件下的干濕球系數(shù)A，借用環(huán)境試驗設備中循環(huán)風速的干濕球濕度計，濕度測量誤差約為±0.4 %RH。由于環(huán)境試驗濕度允許偏差一般為±3 %RH，干濕球濕度計的濕度測量誤差，小于環(huán)境試驗濕度允許偏差約1/8，可以滿足環(huán)境試驗濕度測量的量值傳遞要求。

8 結(jié)束語

環(huán)境試驗用干濕球濕度計，利用設備本身循環(huán)風速的測量方法，同時選用國家標準GB/T 6999-2010《環(huán)境試驗用相對濕度查算表》中的干濕球系數(shù)A，它的測量值顯然是不準確的，同時沒有溯源性。我們通過立項研究，解決了干濕球濕度計的干濕球系數(shù)A校準問題，同時編制了鉑電阻式干濕球濕度計的行業(yè)檢定規(guī)程，解決了環(huán)境試驗用干濕球濕度計濕度測量的溯源問題。