高溫高濕環(huán)境對氣象用濕度傳感器穩(wěn)定性的影響

袁帥 李建宇

摘 要：在我國氣象領域，濕敏電容傳感器被廣泛用于測量空氣濕度。我國南方地區(qū)夏季常年處于高溫高濕環(huán)境，為研究環(huán)境溫度對濕度測量準確度的影響，選取8支長期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，在實驗室環(huán)境35℃和20℃時進行測量，并對誤差及半年漂移量的變化規(guī)律進行分析。結果表明，長期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，低濕點誤差出現負漂移，測得值比實際值偏小，并且使用年限越長負偏差越大。

關鍵詞：濕度傳感器；高溫高濕；穩(wěn)定性；溫度影響；半年漂移量

1 緒論

空氣濕度是氣象觀測的重要參數，對于氣象預報、氣候研究以及農業(yè)、航空等領域具有重要意義。高分子薄膜濕敏電容作為典型的濕度測量元件，介電常數不僅隨著空氣濕度而變化，當環(huán)境溫度改變時，也會引起介電常數變化，給濕度測量帶來附加誤差。

穩(wěn)定性是指儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力，是靜態(tài)特性的重要參數。我國南方地區(qū)的夏季，濕度傳感器長期處于高溫高濕的環(huán)境中，隨著使用年限增加，濕度傳感器的穩(wěn)定性變差，漂移量很難控制在允許誤差范圍內。

2 測試簡況

選取8支濕度傳感器，放置到現場站點或模擬環(huán)境中至少使用半年，然后在實驗室進行測試，分析高溫高濕環(huán)境對濕度傳感器的影響，找出測量誤差及半年漂移量的變化規(guī)律，幫助對濕度測量結果進行修正，提高測量準確度。

《JJG（氣象）0032011自動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)程》規(guī)定濕度測量的最大允許誤差為±4%RH（≤80%RH）和±8%RH（>80%RH）。

2.1 標準器及測試設備

2.2.1DewStars精密露點儀

露點、霜點測量范圍：（40～50）℃

最大允許誤差：±0.2℃ DP

2.1.2偉思富奇調溫調濕箱

溫度工作范圍：（70～180）℃；

相對濕度工作范圍：10%～98%。

2.2 被測儀器

被測的8支傳感器分別來自無錫廠（江蘇省無線電科學研究所有限公司）和芬蘭Vaisala公司，下表給出了各傳感器的型號、編號和使用年限。

2.3 測試方法

從2017年3月開始試驗，B254、C160安裝到臺站用于日常觀測，6103、D035、C3850012、D2750052在實驗室用調溫調濕箱模擬高溫高濕環(huán)境進行使用。2017年9月從臺站取回B254、C160，另取在臺站使用年限超過半年的SD1304.1125、11123000到實驗室一起測試。

測試中選取35℃作為高溫點和20℃作為常溫點，依據檢定規(guī)程對濕度點30%、40%、55%、75%和95%進行測試，每個測試點有兩對不同濕度變化趨勢的數據，濕度測試點誤差為該測試點4次單次測量誤差的平均值。

3 測試數據的分析

首先，將每支濕度傳感器在不同溫度條件下，不同濕度測試點上的測量誤差繪制成曲線圖，然后利用誤差半年漂移量定量表征濕度傳感器的穩(wěn)定性，繪制漂移量隨濕度測試點變化的曲線圖，從兩方面一起分析高溫高濕對傳感器的影響。半年漂移量為使用半年前后各濕度測試點誤差的差值。

3.1 35℃時測量誤差變化規(guī)律

在高溫點測試中，圖1給出了35℃時測量誤差變化曲線。使用年限較長的2個HMP45D濕度傳感器在高濕點超差，C3850012在75%RH為5.5、95%RH為8.3，D2750052在75%為4.1；從臺站取回的DHC2濕度傳感器SD1304.1125在55%RH點超差，誤差為+4.5。其它濕度傳感器都沒有超差，但誤差在55%RH達到極值。

所有濕度傳感器在35℃時超差不嚴重，只有一支在95%RH超差。

3.2 20℃時測量誤差變化規(guī)律

在常溫點測試中，圖2給出了20℃時測量誤差變化曲線。B254、C160在30%RH超差，C3850012、D2750052、11123000在30%RH、40%RH和55%RH超差。大多數濕度傳感器在低濕點30%RH和40%RH出現負超差，使用年限越長的超差越嚴重。所有傳感器在高濕點95%RH不超差，但呈現正偏差趨勢。

3.3 誤差漂移量的變化規(guī)律

2017年從臺站取回B254、C160和SD1304.1125、11123000后，和其他濕度傳感器在常溫實驗環(huán)境中一起測試，觀察誤差漂移量變化趨勢。SD1304.1125、11123000

無上一年的測試數據，只比較6支。從圖3中曲線來看，30%RH、40%RH、55%RH時只有C3850012正漂移，其余都是負漂移；75%RH時只有D2750052正漂移，其余都是負漂移；95%RH時正負漂移各半。

從變化趨勢來看，B254、C160、6103、D035在低濕點30%RH、40%RH、55%RH時負漂移偏多，而在高濕點時偏少；D2750052在低濕點30%RH、40%RH 時負漂移相對偏多，在高濕點95%RH時正漂移偏多；C3850012的變化曲線呈現與其他傳感器相反的趨勢，考慮到是使用年限較長性能變差后出現了異常值。

根據對半年漂移量的觀測，長期處于高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器，在常溫時低濕點出現負漂移，測得值比實際值偏小。

3.4 濕度傳感器檢定周期的合理性分析

氣象觀測數據的準確性依賴于氣象儀器的穩(wěn)定性，因此合理進行計量檢定有指導性意義。依據氣象行業(yè)檢定規(guī)程，參加測試的8套濕度傳感器僅3套符合技術指標要求，5套不符合要求，不合格率高達62.5%。

儀器漂移產生的超差可以按照檢定規(guī)程中給出的方法調整后重新檢定予以解決，檢定規(guī)程規(guī)定濕度傳感器檢定周期為1年，根據本文中測試和研究表明，在高溫高濕環(huán)境中被測設備經過半年使用，超過60%的濕度傳感器因漂移而超差，已經不能滿足技術要求，必須調整后再次檢定。

為了保證濕度傳感器測量數據的準確可靠，依據規(guī)程要求，觀測中發(fā)現濕度值出現異常時必須提前送檢，這與本文的研究結果是一致的。因此，合理利用地市級移動計量檢定設備，至少半年就進行校準是非常必要的。

4 結語

本文觀察高溫高濕環(huán)境的濕度傳感器誤差和半年漂移量變化規(guī)律，定量分析傳感器穩(wěn)定性，得出以下結論：長期處于高溫高濕工作環(huán)境的濕度傳感器，穩(wěn)定性變差，低濕點出現負漂移，測得值比實際值偏小，并且使用年限越長負偏差越大。

參考文獻：

[1]付錫桂，朱樂坤.HMP45D濕度傳感器溫度特性測試與分析.氣象科技，2009，37（5）：584586.

[2]蘇騰，王曉蕾，葉松，等.氣象用濕敏電容傳感器的穩(wěn)定性測試與分析.中國測試，2014，40（3）：8588.

[3]杜智濤，魏洪峰，姜明波，等.3種型號濕敏電容傳感器溫度和遲滯特性的分析比較[J].氣象水文海洋儀器，2012（2）：1115.

[4]居青春，謝寶海.自動氣象站濕度傳感器性能特點分析[J].青海氣象，2005（s1）：1516.

[5]中國氣象局.II型自動氣象站行業(yè)標準[S].北京：氣象出版社，2000.