微型結構通風干濕表的設計

伍偉雄，謝凱鋒

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610)

0 引言

干濕球法濕度測量具有悠久的歷史，在濕度測量方法中占有重要地位，利用干濕球法制成的精密通風干濕表長期以來作為檢定其它濕度計的標準。與其它濕度測量方法相比，干濕球法制成的通風干濕表具有價格相對低廉，準確度又較高的優(yōu)點。干濕球法濕度測量在某些領域具有特別合適的應用，具有其它濕度測量方法無可比擬的優(yōu)勢。例如，在環(huán)境試驗領域，試驗設備所產(chǎn)生的高溫高濕環(huán)境，一般在20 ～90℃的溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生30% ～98%RH 的濕度，溫度85℃、濕度85%RH，溫度90℃、濕度95%RH 等都是常見的高溫高濕試驗組合。對于這種以高溫為特征的濕度測量，合適的常用的各種濕度測量方法中，冷凝露點法測量成本高;電濕度測量法(電阻法、電容法)經(jīng)高溫高濕沖擊后，穩(wěn)定性差，容易漂移;而干濕球法則穩(wěn)定性好，成本低廉。因而從測量成本、測量準確度、測量穩(wěn)定性等方面綜合考慮，干濕球法特別適合環(huán)境試驗高溫的濕度測量。

按照GB/T 5170.5-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設備檢驗方法濕度試驗設備》、JJF 1101- 2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校準規(guī)范》等相關標準的要求，需要同時測量試驗設備工作空間多個位置的濕度，而一些試驗設備的工作空間很小，這就要求使用通風干濕表進行濕度測量時，通風干濕表的尺寸不能太大，應盡可能小。因此，設計一種通風結構尺寸盡可能小，同時能夠覆蓋濕度試驗時的氣體溫度范圍，技術指標能滿足測量要求的微型結構通風干濕表具有實用價值。

1 環(huán)境試驗濕度測量的特征及要求

環(huán)境試驗的濕度測量，通常具有以下一些特征:

1)與日常大氣環(huán)境濕度測量和濕度量值傳遞測量時的氣體溫度一般不超過50℃的情況不同，環(huán)境試驗濕度測量時的氣體溫度，會高達90℃以上。環(huán)境試驗通常是一種加速耐受試驗，一般需要溫度65℃、濕度95%RH 的試驗，有時則需要溫度高達90℃、濕度95%RH 以上的試驗，而大氣環(huán)境不會出現(xiàn)這樣的高溫高濕。

2)日常所見較小的濕度環(huán)境試驗設備，工作空間約只有0.01m3左右。按照GB/T 5170.5 和JJF 1101 等相關標準的要求，需要把工作空間分為上層、中層、下層，同時測量上層、中層、下層的濕度。

3)在大多數(shù)的環(huán)境試驗標準中，濕度試驗的允差一般為±3%RH。

由環(huán)境試驗濕度測量的這些特征可知，通風干濕表要適用于環(huán)境試驗的濕度測量，則需要滿足這些技術要求:

1)濕度測量時所覆蓋的氣體溫度范圍能夠達到90℃以上;

2)按照目前所見最小的環(huán)境試驗設備工作空間容積考慮，通風干濕表的通風結構尺寸宜小于90 mm×30 mm×30 mm;

3)按照濕度量值傳遞的一般原則，測量標準的誤差應至少達到被測的1/2 以上，環(huán)境試驗的濕度允差一般為±3%RH，則通風干濕表的允差應至少達到±1.5%RH。

2 設計方法

2.1 微型通風結構

通風結構的大小與通風的風機尺寸、干濕球溫度計尺寸相關，干濕球溫度計的尺寸問題較容易解決，影響通風結構尺寸的關鍵是通風風機的尺寸。目前的風機，尺寸可以做到很小，尺寸小于20 mm×20 mm×10 mm 的風機很常見。然而，通風干濕表需要考慮通風速度，過小的風機通風速度達不到要求。通風干濕表濕度測量要獲得理想的準確度，除了需要準確測量干濕球溫度之外，還需要知道準確的干濕球系數(shù)A 值，而干濕球系數(shù)A 值主要與通風速度有關。實驗表明，當通風速度大于2.5 m/s 時，干濕球溫度差接近了一個極限值，干濕球系數(shù)A 值已可以近似地視為常數(shù)，即隨著風速的增大，干濕球系數(shù)A 值的變化非常小。研究和實驗都表明了2.5 ～4.5 m/s 是通風干濕表的理想通風速度。

實驗表明，采用轉速11000 r/min、尺寸φ25 mm×10 mm 的風機，在孔徑約為φ20 mm 的風道內(nèi)，僅能產(chǎn)生約2.3 m/s 的通風速度，當風道孔徑縮小至約φ15 mm時，能產(chǎn)生約3 m/s 的通風速度。干球溫度計風道和濕球溫度計風道共用一個風機通風的方法，則兩個風道只能使用約φ7.5 mm 的孔徑。考慮到需要對濕球溫度計安裝上水套等操作，濕球溫度計的尺寸也不能太小，太小會帶來安裝上水套操作上的困難。實際的操作情況表明，濕球溫度計的尺寸在直徑φ2 mm ～φ3 mm 之間比較適合操作。因此，綜合考慮下，按尺寸約φ25 mm×10 mm 的風機和直徑、長度約φ2.5 mm×15 mm的干濕球溫度計設計通風結構比較合適。

通風結構的主體形式可以參考現(xiàn)有的氣象用通風干濕表的方法，即風機下面的風道一分為二，一個風道安裝干球溫度計，另一個風道安裝濕球溫度計，如下示意圖1。干濕球系數(shù)A 值的穩(wěn)定性與風速的均勻性和穩(wěn)定性也有關，考慮到使用尺寸較小的風機，風道內(nèi)的結構采用收縮的方法，一方面可以提高通風速度，另一方面又可以提高風速的均勻性和穩(wěn)定性。

2.2 氣體溫度范圍

通風干濕表濕度測量時所能承受的氣體溫度范圍，主要受到兩方面的因素制約:一是干濕球溫度計的溫度測量范圍;二是通風的風機所能夠承受的溫度范圍。干濕球溫度計的溫度測量范圍容易解決，選用能夠覆蓋所需溫度范圍的溫度計即可。目前的通風干濕表不能承受較高的氣體溫度，主要原因是通風的風機不能承受高溫高濕，一般的風機在高溫高濕條件下，驅(qū)動電路的表面容易產(chǎn)生凝露，凝露水引起短路從而造成損壞。一種可行的解決辦法是，對風機的驅(qū)動電路進行鍍膜(高溫膜)處理。實驗表明，鍍膜處理后的風機，可承受溫度95℃、濕度100%RH 的溫濕度條件。

2.3 技術指標

影響通風干濕表濕度測量的因素有很多，有理論上的缺陷，使用上的缺陷，制作上的缺陷等多種因素。相比理論上的缺陷和使用上的缺陷，通風干濕表制作上的缺陷的影響要大得多，在這里主要討論從制作上提高通風干濕表的技術指標。從影響干濕表測濕的諸多因素中可知，影響最大的是干濕球溫度差的準確性和干濕球系數(shù)A 值的準確性。因此，通過設法提高干濕球溫度測量的準確度和提高干濕球系數(shù)A 值的準確度，則可望有效提高通風干濕表測濕的準確度。本方法設計的微型結構通風干濕表，可達到如下技術指標:

圖1 微型結構通風干濕表示意圖

1)干濕球溫度計的溫度測量范圍:0 ～100 ℃;

2)干濕球溫度計溫度測量的最大允許誤差(不含電測儀器):±0.01℃;

3)濕度測量范圍:在5 ～95 ℃的溫度范圍內(nèi)，10% ～99% RH;

4)濕度測量的最大允許誤差:±1.5%RH;

5)通風速度:≈3 m/s;

6)外形尺寸:85 mm×30 mm×30 mm。

2.3.1 提高溫度測量準確度

從干濕球理論方程上可知，干濕球溫度差的重要影響，因此要提高通風干濕表濕度測量準確性，首先要提高干濕球溫度測量的準確性?？紤]到環(huán)境試驗濕度測量時，氣體溫度高達90℃的特殊性，以及通風干濕表的通風結構微型化的需要，可以選用溫度范圍0 ～100℃的熱敏電阻溫度計或鉑電阻溫度計作干濕球溫度計，溫度計的套管尺寸約φ2.5 mm×15 mm。選用熱敏電阻溫度計的好處是，尺寸可以做到很小，準確度可以較容易達到參考級的水平，目前比較常用的參考級的熱敏電阻溫度計，在0 ～100℃的溫度測量范圍內(nèi)，測量誤差可以達到±0.01 ℃的水平。選用鉑電阻溫度計，一般只能選擇工業(yè)級的鉑電阻溫度計，因為制作上原因，參考級的鉑電阻溫度計，尺寸難以做到較小。相反，工業(yè)級的鉑電阻溫度計，尺寸則很容易做到較小。目前尺寸很小工業(yè)級的鉑電阻溫度計，在0 ～100℃的溫度測量范圍內(nèi)，已經(jīng)可以達到AAA 級的水平，即B 級的1/10。

外部對濕球溫度計的導熱，同樣會影響濕球溫度的準確測量。選用不銹鋼套管的溫度計，不銹鋼套管部分不要安裝在通風結構體上，使用導熱不良的材料套住不銹鋼套管前面的引線，然后安裝固定在通風結構體上，同時上水套完全套住不銹鋼套管和部分引線，可有效減少外部對濕球溫度計的熱傳導。

氣象用的通風干濕表需要考慮室內(nèi)外的測量，因此需要對輻射屏蔽進行精心的設計，把太陽的直接輻射和地面的散射減少到最小。與氣象用的通風干濕表的測量環(huán)境不同，環(huán)境試驗的濕度測量在密閉的環(huán)境試驗設備工作空間內(nèi)進行，在干濕球溫度計外加一段套管，即可起到一般的輻射屏蔽作用，同時亦可兼作通風風道的一部分。

2.3.2 提高干濕球系數(shù)A 值的準確度

濕球理論表明，雖然通風速度對干濕球系數(shù)A 值的影響是主要的，但同時還受到濕球形狀、尺寸等諸多因素的影響。因此，按照相關標準、相關資料依據(jù)通風的風速得到的干濕球系數(shù)A 值，或按相關經(jīng)驗公式依據(jù)風速計算得到的干濕球系數(shù)A 值，都不是某一通風干濕表的最佳干濕球系數(shù)A 值。針對某一通風干濕表，最佳的方法是用高一級的濕度標準標定其干濕球系數(shù)A 值。

在一穩(wěn)定的濕度發(fā)生器內(nèi)，在某濕度點上(一般取30%RH 濕度點)，通風干濕表和高一級濕度標準同時測量，以高一級濕度標準的測量值為標準濕度，則按干濕球濕度的理論計算公式便可計算出干濕球系數(shù)A 值，見公式(1)。

式中:A 為通風干濕表的干濕球系數(shù)，℃-1;etw為濕球溫度tw所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa;U 為高一級濕度標準測得的濕度平均值，%RH;ew為干球溫度所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa;p 為濕度發(fā)生器測試腔內(nèi)的氣壓，kPa;t 為通風干濕表干球測得的溫度平均值，℃;tw為通風干濕表濕球測得的溫度平均值，℃。

2.4 制作樣機

本方法制作的微型結構通風干濕表，干濕球溫度計選用套管直徑和長度約為φ2.8 mm×15 mm、測量范圍為0 ～100℃、測量誤差為±0.01℃的參考級熱敏電阻溫度計，通風的風機選用經(jīng)過鍍膜處理、尺寸約為φ25 mm×10 mm 的風機。按照示意圖1 的方法制作通風干濕表樣機，結果得到的通風干濕表，通風結構的整體外形尺寸不超過85mm×30mm×30mm，與傳統(tǒng)結構的通風干濕表相比，外形尺寸小了很多，可以方便地在環(huán)境試驗的濕度測量中使用。

3 樣機測試

3.1 測試結果

作為干濕球溫度計的兩支熱敏電阻溫度計，首先經(jīng)一等標準鉑電阻溫度計仔細標定，相互之間的溫差不超過5 mK。

測試選用一級精密露點儀為濕度標準，濕度發(fā)生器選用大容積腔體的雙壓法濕度發(fā)生器，選用精密的數(shù)字壓力計測量氣體壓力。在溫度20℃，30%RH 濕度點標定通風干濕表的干濕球系數(shù)A 值，按標定的A值計算通風干濕表在溫度20℃時其它濕度測試點的濕度，測試結果如表1。

表1 測試結果 %RH

3.2 測試結果分析

表1 的測試數(shù)據(jù)表明，與一級精密露點儀復現(xiàn)的量值比較，在氣體溫度20℃時，通風干濕表濕度測量的最大示值誤差0.2% RH，對于環(huán)境試驗濕度允差±3%RH來說，可以滿足測量要求。當然，限于測試條件所限，僅在氣體溫度20℃的條件下測試(10% ～99%)RH 的濕度，且以30%RH 濕度點標定干濕球系數(shù)A 值得到的濕度測量誤差，并不能代表在其它氣體溫度條件下，也能得到0.2%RH 的濕度測量誤差。干濕球理論研究表明，干濕球系數(shù)A 值會隨濕球溫度的變化而變化，史密森氣象用表給出了作為濕球溫度函數(shù)的A 值公式，見公式(2)。

按公式(2)估算A 值隨濕球溫度tw的變化，當tw在0 ～35℃的范圍內(nèi)變化時，A 值的變化約為4%。環(huán)境試驗濕度測量時氣體溫度會高達90℃、濕度95%RH以上，同時考慮到干濕球系數(shù)A 值與濕球的形狀、尺寸等因素也有關，按公式(2)估算A 值并不是某一通風干濕表最佳的A 值。如果在不同的氣體溫度下標定干濕球系數(shù)A 值，依據(jù)標定結果總結出A 值隨濕球溫度的實際變化關系，在濕度計算時加入濕球溫度函數(shù)，基于在氣體溫度20℃時，通風干濕表濕度測量的誤差只有0.2%RH 的良好結果，完全有望使通風干濕表在覆蓋的氣體溫度范圍內(nèi)，濕度測量誤差達到±1.5%RH 的水平，滿足環(huán)境試驗濕度允差±3%RH 的測量要求。

4 結論

不同于我們?nèi)粘穸攘恐祩鬟f測量時的氣體溫度條件，環(huán)境試驗濕度測量的重要特征，是高溫氣體條件下的濕度測量。本方法設計的微型結構通風干濕表，適合在較小的試驗設備工作空間內(nèi)安裝使用。使用熱敏電阻溫度計提高了干濕球溫度測量的準確度，溫度計的安裝作了隔熱處理，采取加長上水套的方法有效減少外部對濕球的熱傳導。通風風機經(jīng)過鍍膜處理，提高了其承受高溫高濕的能力。用高一級標準標定干濕球系數(shù)A 值和標定濕球溫度與A 值的函數(shù)關系等方法，可使設計的通風干濕表從外形尺寸、覆蓋的氣體溫度范圍、技術指標等方面適合環(huán)境試驗濕度的測量。

［1］廖理.熱學計量［M］.北京:原子能出版社，2003.

［2］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 229-2010 工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2010.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 993-2004 通風干濕表檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2010.

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［5］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 6999-2010 環(huán)境試驗用相對濕度查算表［S］.北京:中國標準出版社，2010.

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