唐寄峰，莫檸瑜，卜天容

（廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)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(zhǔn)工作中，極易因檢測(cè)環(huán)境溫度變化而出現(xiàn)相對(duì)濕度多次測(cè)量結(jié)果懸殊情況。雖然相對(duì)濕度多次測(cè)量結(jié)果偏差出現(xiàn)頻率較小，但是，對(duì)整體溫濕度傳感器校準(zhǔn)精度具有較大影響。因此，研究不同溫度下測(cè)量相對(duì)濕度的變化具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 不同溫度下測(cè)量相對(duì)濕度的分析研究方法

1.1 測(cè)試原理

對(duì)于相對(duì)濕度測(cè)量來(lái)說(shuō)，包括冷凝露點(diǎn)法、伸縮法、干濕球法。其中冷凝露點(diǎn)法是一種測(cè)量相對(duì)濕度準(zhǔn)確度最高的儀器，多借助半導(dǎo)體制冷且可光電自動(dòng)平衡的鏡面式露點(diǎn)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(diǎn)儀鏡面，在露點(diǎn)儀鏡面進(jìn)入熱力學(xué)平衡狀態(tài)后，可以精準(zhǔn)測(cè)量環(huán)境內(nèi)水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)、相同溫度與壓力條件下飽和水蒸氣摩爾分?jǐn)?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(shí)借助露點(diǎn)儀內(nèi)設(shè)鉑電阻溫度計(jì)，進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量。

對(duì)于溫度測(cè)量來(lái)說(shuō)，包括接觸式測(cè)量法、非接觸式測(cè)量法。露點(diǎn)儀內(nèi)設(shè)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量主要是非接觸測(cè)量，在不與被測(cè)物體接觸情況下測(cè)量溫度，確保測(cè)溫時(shí)被測(cè)物體溫度分布均衡。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)主要根據(jù)金屬鉑電阻隨溫度變化而變化的規(guī)律，進(jìn)行溫度測(cè)量，可以作為各種精密溫度計(jì)量?jī)x器的檢定標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)尺寸為φ7 mm×480 mm，內(nèi)置測(cè)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(jí)0.003 85+/℃，長(zhǎng)短期穩(wěn)定性較佳，可以滿足《標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)檢定規(guī)程》（JJG160）的要求。

1.2 測(cè)試設(shè)備

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

1.3 測(cè)試方法

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

表1 測(cè)量溫度條件

在標(biāo)準(zhǔn)精密露點(diǎn)儀測(cè)量時(shí)，先打開(kāi)電源，初始儀器進(jìn)入自校狀態(tài)，在此期間連接精密露點(diǎn)儀配套測(cè)量管道、測(cè)量開(kāi)關(guān)接頭，完成精密露點(diǎn)儀開(kāi)管接頭、被測(cè)開(kāi)關(guān)連接。結(jié)束自校狀態(tài)后，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。在測(cè)試狀態(tài)下，關(guān)閉精密露點(diǎn)儀的流量調(diào)節(jié)閥，連接測(cè)試管道（聚四氟管）、儀器進(jìn)氣口，促使氣源經(jīng)管道進(jìn)入快速接口，觀察顯示屏顯示壓力，記錄數(shù)值，此時(shí)數(shù)值為被測(cè)開(kāi)關(guān)內(nèi)氣體壓力。記錄被測(cè)開(kāi)關(guān)內(nèi)氣體壓力后，將流量計(jì)向右旋轉(zhuǎn)90°促使其與面板垂直，進(jìn)入正式測(cè)量狀態(tài)。開(kāi)啟流量調(diào)節(jié)閥，觀察浮子啟動(dòng)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?xún)?nèi)。調(diào)節(jié)閥門(mén)后，將安全鎖放置到紅點(diǎn)位置，觀察數(shù)據(jù)顯示，記錄液晶屏上顯示的溫度、相對(duì)濕度值。若測(cè)量時(shí)電量指示燈變?yōu)榧t色則表明電量不足，需要及時(shí)充電。測(cè)量時(shí)間為8～10 min，進(jìn)入測(cè)量尾聲后，點(diǎn)擊打印鍵并輸入被測(cè)編號(hào)后確認(rèn)，開(kāi)始打印測(cè)量數(shù)據(jù)，打印結(jié)束后關(guān)閉流量閥，并將流量計(jì)向左旋轉(zhuǎn)90°，從精密露點(diǎn)儀進(jìn)氣口取下測(cè)試管道、開(kāi)管接頭，最后關(guān)閉電源，將測(cè)試管道、開(kāi)管接頭恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

在每次檢測(cè)結(jié)束、下一次檢測(cè)前，校準(zhǔn)溫濕度檢定箱。在溫濕度標(biāo)準(zhǔn)檢定箱達(dá)到設(shè)定數(shù)值后，穩(wěn)定0.5 h。記錄標(biāo)準(zhǔn)精密露點(diǎn)儀相對(duì)濕度值、被檢定溫濕度計(jì)相對(duì)濕度值的時(shí)間間隔2 min，分別記錄3個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算平均值。其中標(biāo)準(zhǔn)精密露點(diǎn)儀相對(duì)濕度的均值可以作為對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度；而被檢定溫濕度計(jì)相對(duì)濕度值可以作為被檢定溫濕度表的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度。利用同樣的方法，進(jìn)行下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試，直到完成全部校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)濕度測(cè)試。全部測(cè)試完畢后，溫度標(biāo)準(zhǔn)值、相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)值均為精密露點(diǎn)儀顯示值，測(cè)量值則為被檢定溫濕度計(jì)顯示值。校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)濕度指示值誤差計(jì)算公式如下：

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

2 不同溫度下測(cè)量相對(duì)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(jì)算被測(cè)溫濕度計(jì)的指示數(shù)值誤差并與精密露點(diǎn)儀顯示的溫度標(biāo)準(zhǔn)值、相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)儀進(jìn)行對(duì)比，得出低溫、高溫下測(cè)量相對(duì)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(duì)濕度顯示值（或低溫條件下相對(duì)濕度顯示值）與精密露點(diǎn)儀相對(duì)濕度顯示值的誤差最大值。由表2數(shù)據(jù)可知，40%、80%相對(duì)濕度測(cè)量點(diǎn)下，環(huán)境溫度對(duì)溫濕度儀顯示的相對(duì)濕度值均具有較大影響。在40%相對(duì)濕度測(cè)量點(diǎn)下，環(huán)境溫度由10～30 ℃變化過(guò)程中，隨著溫度的增加，對(duì)被測(cè)溫濕度儀的相對(duì)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(duì)濕度顯示值呈負(fù)相關(guān)，即在環(huán)境相對(duì)濕度較低時(shí)，溫度越低，溫濕度儀測(cè)量的相對(duì)濕度顯示誤差越大；在80%相對(duì)濕度測(cè)量點(diǎn)下，環(huán)境溫度由10～30 ℃變化過(guò)程中，隨著溫度的增加，對(duì)被測(cè)溫濕度儀的相對(duì)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(duì)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(zhǔn)溫度時(shí)，對(duì)溫濕度儀相對(duì)濕度檢測(cè)值影響更小，即在環(huán)境相對(duì)濕度較高時(shí)，環(huán)境溫度越高，溫濕度儀測(cè)量的相對(duì)濕度顯示誤差越大。這可能是由于連接溫濕度儀、相對(duì)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(wú)法防控溫度變化對(duì)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(huì)直接導(dǎo)致飽和水蒸氣壓變化，而飽和水蒸氣壓對(duì)相對(duì)濕度具有較大影響，導(dǎo)致不同溫度下環(huán)境相對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)變化。

2.2 常溫下示值誤差

為進(jìn)一步確定不同溫度對(duì)相對(duì)濕度測(cè)量的影響，在常溫條件下，以精密露點(diǎn)儀顯示數(shù)值作為溫度標(biāo)準(zhǔn)值、相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)值，溫濕度儀顯示數(shù)值為測(cè)量機(jī)，計(jì)算15 ℃、20 ℃、25 ℃溫度下的相對(duì)濕度，得出結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 常溫下示值誤差

由表3可知，以精密露點(diǎn)儀顯示數(shù)值為相對(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)得常溫下溫濕度計(jì)指示數(shù)值誤差存在較大差異。在低濕狀態(tài)下，15 ℃時(shí)，溫濕度儀指示數(shù)值在-2.9%～-0.8%之間；20 ℃時(shí)，溫濕度儀指示數(shù)值在-0.7%～1.0%之間；25 ℃時(shí)，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(shí)，溫濕度儀指示數(shù)值在-1.7%～0.8%之間；20 ℃時(shí)，溫濕度儀指示數(shù)值在-0.8%～1.0%之間；25 ℃時(shí)，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(duì)溫濕度儀顯示相對(duì)濕度結(jié)果影響程度更小。這可能是由于標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器產(chǎn)生濕氣通向標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(duì)實(shí)際濕度傳感器溫度造成干擾。此時(shí)，即便標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器內(nèi)溫度為標(biāo)準(zhǔn)20 ℃，經(jīng)過(guò)管線后進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)器的氣體溫度也會(huì)與20 ℃存在偏差，而放置于測(cè)試室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)20 ℃進(jìn)行處理，導(dǎo)致輸送氣體濕度顯示值與實(shí)際相對(duì)濕度值出現(xiàn)偏差?；诖?，對(duì)于校準(zhǔn)條件下的溫度環(huán)境，不僅需要滿足《濕度傳感器校準(zhǔn)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(zhǔn)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(cè)環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器測(cè)試溫度值，最大程度減少溫度變化對(duì)相對(duì)濕度檢測(cè)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(duì)濕度較低時(shí)，溫度越低，溫濕度儀測(cè)量的相對(duì)濕度顯示誤差越大。在環(huán)境相對(duì)濕度較高時(shí)，環(huán)境溫度越高，溫濕度儀測(cè)量的相對(duì)濕度顯示誤差越大。在15～25 ℃的常溫狀態(tài)下，溫度對(duì)溫濕度儀顯示相對(duì)濕度結(jié)果影響程度較小。因此，在應(yīng)用溫濕度儀檢測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度時(shí)，應(yīng)盡可能選擇環(huán)境溫度在15 ℃以上、25 ℃以?xún)?nèi)的時(shí)間段，提高環(huán)境相對(duì)濕度的檢測(cè)精確度。