濕度檢定裝置的平行對比分析

魏運芳 孫海燕

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

0 引言

目前氣象部門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)生器檢定對象是自動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箱和冷鏡式露點儀組成的檢定裝置可用于自動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)(濕度場均勻度，波動度，濕度控制偏差)兩方面對后兩種檢定裝置比較分析，有助于廣大計量檢定人員使用。

1 濕度標(biāo)準(zhǔn)器的工作原理

1.1 冷鏡式露點儀工作原理

冷鏡式露點儀是利用半導(dǎo)體制冷原理冷卻露點傳感器的鏡面，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系統(tǒng)自動控制平衡，使鏡面上的露或霜與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)，用鉑電阻溫度計準(zhǔn)確測量鏡面上露層或霜層的溫度，即氣體的露(霜)點溫度。露點儀直接給出的量值是露點溫度，確切地說應(yīng)為“熱力學(xué)露點溫度”。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)露點溫度Td，是指在給定的壓力下，濕空氣被水飽和時的溫度。在這個溫度下，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)

計算水分分壓，從而導(dǎo)出相對濕度、露點溫度、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)微機控制的模擬開關(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微機系統(tǒng)處理。

先計算出相應(yīng)的鉑電阻的阻值(Ra，Rw)，再計算出干、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)最后計算出濕度值來。

為了保證儀器在5℃到40℃的環(huán)境溫度內(nèi)其測量準(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 性能測試

2.1 測試方法

2.1.1 測試儀器布置

將被測濕度檢定箱內(nèi)空間平分為上(A)、中(B)、下(C)三層，每層布測點一個。其中中層測點位于平面中央；上層和下層測點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)大于箱邊長的1/10(具體位置見圖1中A、B、C)，每個測點放置經(jīng)檢定合格的45D濕度傳感器一個。

2.1.2 濕度測量點及順序

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

2.1.3 測量步驟

開機并根據(jù)選擇的測量點設(shè)置相應(yīng)的濕度點，當(dāng)箱中心位置測點濕度達到設(shè)定值并穩(wěn)定后，每隔1min開始讀記箱內(nèi)各測點溫度，共讀取12次。

一個點測試結(jié)束后再按上述同樣方法進行另一個濕度點的測試。

2.2 測量結(jié)果

在40%RH點和90%RH點兩種濕度檢定裝置的測量結(jié)果見表1和表2。

表1在40%RH點兩種濕度檢定裝置的測量結(jié)果 單位(%RH)

表2在90%RH點兩種濕度檢定裝置的測量結(jié) 單位(%RH)

2.3 數(shù)據(jù)處理

下面以40%RH測量點為例，講解數(shù)據(jù)處理方法。

2.3.1 濕度箱波動度的計算

根據(jù)式(2)計算出濕度檢定箱內(nèi)濕度測量點各測點位置12次讀數(shù)的最大波動值ΔUO：

ΔUO=UOmax-UOmin

(2)

式中：UOmax為同一濕度測量點箱內(nèi)同一位置12次測量中的最大值，%RH；UOmin為同一濕度測量點箱內(nèi)同一位置12次測量中的最小值，%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測量點A、B、C位置的最大波動值；ΔUOIIA、ΔUOIIB和ΔUOIIC分別表示氣候試驗箱在40%RH測量點A、B、C位置的最大波動值；

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

(3)

計算得：ΔUbI=±0.3%RH

ΔUbII=±0.2%RH

式中：ΔUOi為第i位置測點12次讀數(shù)的最大波動值；n為箱內(nèi)各位置測點數(shù)；ΔUbI為DJM-10型濕度檢定箱在40%RH測量點的最大波動值；ΔUbII為氣候試驗箱在40%RH測量點的最大波動值。

同樣的方法得到90%RH兩箱的波動度分別為±0.6%RH和±0.2%RH。以兩個濕度測量點測得的波動度最大值作為該檢定箱的濕度波動度。計算得到DJM-10型濕度檢定箱的波動度為±0.6%RH，氣候試驗箱濕度波動度為±0.2%RH。

2.3.2 濕度箱不均勻度的計算

根據(jù)式(4)計算出檢定箱內(nèi)濕度測量點各次測量時箱內(nèi)各位置測點濕度分布的最大差值ΔUi：

ΔUi=Uimax-Uimin

(4)

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

計算得DJM-10型濕度檢定箱各位置測點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。氣候試驗箱各位置測點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。以兩個濕度測量點測得的不均勻度最大值作為該濕度檢定箱的濕度不均勻度。計算得到DJM-10型濕度檢定箱的不均勻度為0.8%RH,氣候試驗箱濕度不均勻度為0.4%RH。

2.3.3 濕度箱濕度控制偏差的計算

根據(jù)式(6)計算出某濕度測量點檢定箱內(nèi)中層B點測量點位置在穩(wěn)定狀態(tài)期間，每10分鐘濕度實測值與設(shè)定濕度值之間的差值ΔUci

ΔUci=Ui-Us

(6)

式中：Ui為第i分鐘濕度實測值，%RH；Us為箱內(nèi)濕度設(shè)定值，%RH。

經(jīng)計算B處差值如表3。

表3實測值與設(shè)定值之差 單位(%RH)

根據(jù)式(7)計算出濕度檢定箱內(nèi)某濕度測量點的濕度控制偏差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。以兩個濕度測量點測得的控制偏差最大值作為該濕度檢定箱的濕度控制偏差。計算得到DJM-10型濕度檢定箱的控制偏差為0.5%RH，氣候試驗箱濕度控制偏差為0.3%RH。

3 結(jié)束語

通過比較分析，發(fā)現(xiàn)冷鏡式露點儀和氣候試驗箱組成的濕度檢定裝置，在不均勻度，波動度和控溫偏差三個方面要優(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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