三種不同空氣濕度測(cè)量?jī)x器計(jì)量特性的研究

劉 宇，馬 婷，盛高珊

（河北省氣象技術(shù)裝備中心，石家莊 050022）

空氣濕度是表示空氣中水汽含量和潮濕程度的物理量，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、霜點(diǎn)溫度、飽和水汽壓和體積比等來(lái)表示。在氣象學(xué)中，空氣濕度是指相對(duì)濕度，是一個(gè)無(wú)量綱的量，常表示為%RH。鑒于目前市場(chǎng)上濕度測(cè)量?jī)x器種類(lèi)繁多，測(cè)量原理也各有不同。按照感應(yīng)元件的不同主要分為三大類(lèi)：傳統(tǒng)的毛發(fā)濕度計(jì)、雙金屬濕度計(jì)、濕敏電容（濕敏電阻/濕敏諧振器），前兩種可以統(tǒng)稱為機(jī)械式溫濕度計(jì)，在選擇三類(lèi)測(cè)量?jī)x器時(shí)，經(jīng)常會(huì)存在知識(shí)盲區(qū)。文獻(xiàn)[1]研究了毛發(fā)濕度計(jì)的濕度響應(yīng)特性，表明毛發(fā)濕度計(jì)對(duì)環(huán)境濕度響應(yīng)速率在環(huán)境濕度條件下不一致，且響應(yīng)速率在環(huán)境濕度較小時(shí)大于環(huán)境濕度較大時(shí)；文獻(xiàn)[2]研究了干濕表與濕敏電容測(cè)量差異原因；文獻(xiàn)[3]對(duì)氣象行業(yè)使用的濕敏電容傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度、遲滯誤差、溫度系數(shù)等測(cè)量特性；文獻(xiàn)[4]利用14 支濕敏電容傳感器靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性，并對(duì)誤差年漂移量的變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析。

在地面氣象觀測(cè)[5]中，2000 年以前主要是毛發(fā)濕度計(jì)，自2000 年來(lái)使用了幾十年的相對(duì)濕度人工觀測(cè)逐漸被自動(dòng)觀測(cè)所取代，伴隨著地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革，濕度傳感器應(yīng)運(yùn)而生，在氣象自動(dòng)觀測(cè)業(yè)務(wù)中起到了至關(guān)重要的作用。

1 測(cè)量原理

1.1 毛發(fā)濕度計(jì)

通常認(rèn)為人的毛發(fā)作為多孔介質(zhì)，在吸收水分后長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，運(yùn)用機(jī)械放大裝置可以顯示環(huán)境濕度變化[6]。毛發(fā)具有感濕特性，其表面覆蓋著一層油脂，經(jīng)過(guò)特殊的化學(xué)方法進(jìn)行脫脂處理后，毛發(fā)表面原被油脂充填的微孔將開(kāi)放并與外界環(huán)境相通。與外界相通的這些微孔內(nèi)會(huì)凝結(jié)周?chē)h(huán)境中的水汽，在微孔中形成彎月面，受表面張力作用影響。當(dāng)空氣中的濕度值增加時(shí)，微孔中凝結(jié)水的表面張力逐漸增加，彎月面逐漸增大，毛發(fā)的長(zhǎng)度增長(zhǎng)。當(dāng)空氣中的水汽達(dá)到飽和時(shí)，微孔中水的彎月面就變成平面，表面張力最大，使毛發(fā)伸到最長(zhǎng)位置。反之，當(dāng)空氣中的水汽壓力低于飽和水汽壓力時(shí)，則一部分水從毛孔中蒸發(fā)，孔中的彎月面變成凹形，表面張力縱向分力減小，毛發(fā)收縮。隨著空氣濕度的變化引起微孔彈性壁的形變，形成毛發(fā)長(zhǎng)度的變化。

1.2 干濕表

干濕球法是一種間接測(cè)量相對(duì)濕度的方法，采用干、濕球溫度表作為測(cè)濕元件。ta為干球溫度計(jì)用以測(cè)量環(huán)境溫度，tw為濕球溫度計(jì)。濕球溫度計(jì)的溫泡用濕球紗布套包裹，并與水容器相連。紗布套上的水分在空氣中不斷蒸發(fā)，吸收熱量，從而使?jié)袂驕囟认陆?。由百葉箱干濕表讀取干球溫度和濕球溫度后，可以直接由《濕度查算表》[7]查出水汽壓、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度。

濕球水蒸發(fā)的速度與其周?chē)鷼怏w的水汽含量成函數(shù)關(guān)系，如式（1）所示：

式中：ew為濕球溫度下的飽和水汽壓；es為干球溫度下的飽和水汽壓；A 為干濕球系數(shù)；P 為氣體總壓力；U 為相對(duì)濕度。

1.3 濕度傳感器

一般采用有機(jī)高分子鍍膜材料（濕敏電容）為感應(yīng)元件[8]，當(dāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，吸濕膜吸收或釋放空氣中的水汽，電容兩極板間的介電常數(shù)發(fā)生變化，電容隨之改變，濕敏電容電容量經(jīng)過(guò)外圍電路轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號(hào)，電壓與濕度成線性關(guān)系。當(dāng)相對(duì)濕度為0%時(shí)，傳感器輸出電壓為0 V；當(dāng)相對(duì)濕度為100%時(shí)，傳感器輸出電壓為1 V。計(jì)算公式為

式中：U 為相對(duì)濕度；V 為傳感器輸出電壓。

2 計(jì)量特性

將3 種濕度測(cè)量?jī)x器放置在同一檢測(cè)環(huán)境箱中，設(shè)置濕度為30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 的順序正行程和反行程測(cè)量一次，穩(wěn)定30 min后，分別記錄三種儀器在測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間和示值，間隔5 min 后重復(fù)讀取示值，取2 次示值的平均值作為測(cè)量結(jié)果[9]，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 各測(cè)量點(diǎn)測(cè)量平均值Tab.1 Measurement results of 30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH%RH

2.1 示值誤差

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，示值誤差取兩次測(cè)量的平均值與設(shè)定的測(cè)量點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)器讀數(shù)之差，根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到在30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，三種儀器的示值誤差如表2 所示。

表2 示值誤差Tab.2 Indication error%RH

由表2 可知三種測(cè)量?jī)x器在50%RH 以下的測(cè)量點(diǎn)，示值誤差均小于1.5，示值誤差很小，且濕度傳感器小數(shù)位精確到了0.01 位，60%RH、80%RH 兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)處三種測(cè)量?jī)x器出現(xiàn)了不同，毛發(fā)濕度計(jì)誤差最大為3.4，干濕表其次位2.2，濕度傳感器誤差最小位1.03。雖然示值誤差隨著濕度的升高逐漸變大[10]，但是濕度傳感器的變化最小，毛發(fā)濕度計(jì)從低濕到高濕整個(gè)過(guò)程示值誤差明顯高于其它兩種儀器。

2.2 濕滯誤差

根據(jù)上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照測(cè)量順序點(diǎn)進(jìn)行示值誤差測(cè)量時(shí)，在同一測(cè)量點(diǎn)上正、反行程濕度示值誤差的差值，即為濕滯誤差。根據(jù)示值誤差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到三種儀器在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的正反行程差值，取5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)中差值最大值作為該種儀器的濕滯誤差[11]。得到毛發(fā)濕度計(jì)的濕滯最小，干濕表最大，由于干濕表是經(jīng)過(guò)查表運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)，《濕度差算表》中參數(shù)主要有：訂正參數(shù)、濕球溫度、水汽壓、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度，查表結(jié)果是通過(guò)4 個(gè)參數(shù)查出來(lái)的，當(dāng)同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)（如30%RH）干濕表的兩次讀數(shù)就會(huì)差距較大，尤其是經(jīng)過(guò)了脫濕后，查算表就完全有可能不在一行列中，因此干濕表的濕滯為三種儀器中最大。

2.3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

設(shè)置環(huán)境檢測(cè)箱為低濕點(diǎn)20%RH 和高濕點(diǎn)90%RH，分別記錄三種儀器在高低濕轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間和示值。試驗(yàn)重復(fù)3 次，測(cè)量結(jié)果取3 次的平均值。經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表3 所示。

分析表3 數(shù)據(jù)，得到響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量曲線如圖1 所示。可以看出毛發(fā)濕度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間明顯高于其它兩種測(cè)量?jī)x器，隨濕度變化響應(yīng)慢，即遲滯時(shí)間長(zhǎng)[12]；濕度傳感器在濕度發(fā)生變化時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間在三種儀器中最短，遲滯時(shí)間也是最短；干濕表的響應(yīng)時(shí)間和遲滯時(shí)間位于兩者之間。濕度傳感器的感應(yīng)元件為濕敏電容，電性能的反應(yīng)時(shí)間明顯高于毛發(fā)和干濕表的反應(yīng)時(shí)間。

表3 高濕和低濕兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement results of high humidity and low humidity

圖1 三種濕度表響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量曲線Fig.1 Measurement curve of response time of three hygrometers

3 結(jié)果分析

由于工作原理不同，毛發(fā)濕度計(jì)、干濕表、濕敏電容濕度傳感器三種儀器在測(cè)量濕度時(shí)表現(xiàn)出不同的示值誤差、濕滯和響應(yīng)時(shí)間。毛發(fā)濕度計(jì)的通常是以人的毛發(fā)作為多孔介質(zhì)，在吸收水分后，會(huì)發(fā)生變化；濕敏電容是由電容性高分子薄膜構(gòu)成，企電通量隨薄膜介質(zhì)吸附水分多少而變化，再將電容量變化轉(zhuǎn)換成電壓，通過(guò)電壓的大小來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度；干濕球采用的是間接計(jì)算得到的濕度。三種儀器在原理上分別不同，因此在計(jì)量性能上也會(huì)有很大差距。但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上分析可得出，濕敏電容在響應(yīng)時(shí)間上明顯優(yōu)于其它兩種傳感器，尤其是在高低濕度的轉(zhuǎn)換上，濕敏電容傳感器表現(xiàn)出了良好的遲滯性，200 s 時(shí)間內(nèi)均能從低-高和高-低之間的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)各種制造原理、規(guī)程型號(hào)不同的濕度計(jì)層出不窮，環(huán)境濕度的監(jiān)測(cè)技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展，對(duì)儀表的計(jì)量特性要求也逐漸提高，早期的毛發(fā)濕度計(jì)和干濕表由于測(cè)量的穩(wěn)定性一直深受使用者的喜愛(ài)，但是兩種儀器在維護(hù)時(shí)，毛發(fā)的清洗和濕球紗布的更換無(wú)疑給使用者造成了繁重的工作量。隨著新型智能技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)，制造工藝簡(jiǎn)單等要求成為了濕度測(cè)量?jī)x器的新要求，濕度傳感器滿足了以上所有要求，已經(jīng)成為了濕度測(cè)量?jī)x器的主力軍。不僅是在氣象行業(yè)中，其他各個(gè)行業(yè)中如紡織、食品、醫(yī)藥等濕敏電容已廣泛應(yīng)用于的濕度測(cè)量中，在測(cè)量濕度無(wú)特殊要求時(shí)，建議選擇使用壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、濕滯誤差小的濕敏電容傳感器。