濕度傳感器檢定條件的影響

陳為超 范雪波

(1 華云升達(北京)氣象科技有限責任公司, 北京 102299; 2 北京市氣象探測中心, 北京 100176)

引言

“十四五” 期間，中國氣象局計劃在全國地市級氣象局建立溫、壓、濕傳感器自動化計量檢定系統。其中，濕度傳感器[1]計量檢定采用的計量標準為數字精密露點儀和溫濕度箱。濕度傳感器檢定規程[2-3]中規定了溫濕度箱的波動度和均勻度要求。在檢定過程中除了溫濕度箱的波動度和均勻度,數字露點儀[4]和傳感器本身存在的固有誤差[5]以外，還不可避免地存在檢定過程中的環境條件變化、標準器的露點傳感器和溫度傳感器在溫濕度箱中的安裝位置不同、流過露點傳感器的氣體流量等因素產生的附加誤差影響。因此，為使濕度傳感器的檢定有一個統一、可靠、標準的檢定環境和正確的安裝位置，有必要通過對濕度傳感器的檢定條件進行逐項測試，找出濕度傳感器的標準檢定環境條件、傳感器和標準器的正確安裝位置，形成一個規范的、標準的、可操作的實施方案，才能使濕度傳感器的檢定結果具有準確性和一致性。

1 測試及結果分析

本次測試選用國產精密數字式露點儀作為濕度傳感器的測試用標準器，溫濕度箱作為附屬設備(溫度控制范圍：5～30 ℃)。

相對濕度控制范圍：10%～95%；相對濕度場波動度：±0.5%/30min(20 ℃時)；相對濕度場均勻度：0.8%(20 ℃時))；升降溫速率：不小于 1 ℃/min；升降濕速率：不小于 1%/min)。

被測試件為HMP155A溫濕度傳感器，共有8支。

1.1 露點儀溫度傳感器放置位置測試

將露點儀的溫度、露點傳感器置入溫濕度箱中有效工作區域內[6]，溫度傳感器安置于露點傳感器前端，距離露點傳感器的感應端水平距離和垂直距離分別為4 cm，測試示意如圖1所示。

圖1 溫度傳感器位于露點傳感器前端

測試前，按照使用說明書要求給露點儀上電預熱后[7]，將箱內溫度設置為20 ℃，待箱內溫度趨于穩定后，分別依次設置相對濕度點20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。測試時確保各濕度點充分穩定后，再采集(錄取)露點儀的露點溫度、溫度、相對濕度值。當全部濕度點測試完畢，露點儀的露點溫度傳感器位置不變，將溫度傳感器移至露點傳感器的后端，距離露點傳感器水平距離和露點傳感器感應端分別為4 cm處。測試示意圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器位于露點傳感器后端

箱內溫度保持不變，當箱內溫度區域穩定后，再按以上濕度點設定箱內濕度。當各濕度點趨于穩定時，再錄取露點儀相對濕度、露點溫度和溫度值。

根據露點儀溫度傳感器放置于露點傳感器前后各4 cm時，測得的不同濕度點上的溫度值和各濕度點上溫度測量誤差(溫度傳感器后置4 cm的測得值減去前置4 cm的測得值)繪制曲線如圖3和4所示。

如圖3所示，當露點儀的溫度傳感器置于露點傳感器前后測得的溫度值的確有差別。在不同濕度點上都偏高于前置溫度值，而且在70%～95%濕度范圍內，溫度偏高值較小。20%～70%濕度范圍內，偏高值較大。究其原因，對于吸入式循環方式的溫濕度箱來講，當溫度傳感器置于露點傳感器后端時，因露點傳感器工作時發出熱量，溫度傳感器測得的溫度值不僅是樣氣溫度，還包括露點傳感器工作時升高的溫度。

圖3 在露點傳感器前后端測得的溫度值

如圖4所示，低濕段前后測得的溫差較大，隨著相對濕度的升高，前后測得的溫差變小。溫差最小值發生在相對濕度95%點為0.05 ℃，溫差最大值發生在相對濕度20%點為0.45 ℃。溫度傳感器后置于露點傳感器4 cm時，相對濕度偏高0.5%。

圖4 溫度傳感器置于露點傳感器前后4 cm處溫差

1.2 露點儀測量重復性測試

露點儀輸出值，在不同溫度條件下的重復性(離散性)測試，表征露點儀在一定溫度條件下的輸出標準值的準確性和一致性，為確定濕度傳感器的檢定環境條件提供數據支撐。

將露點儀的露點傳感器和溫度傳感器按圖1放置于溫濕度箱中有效工作區域內。按照使用說明書要求給露點儀上電預熱。

依次設置溫濕度箱的溫度10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃。在每個溫度點上當溫度趨于穩定后，依次設置相對濕度值10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。每個濕度點上分別等間隔采集8次露點儀的測量值。計算不同溫度點上各濕度點上的標準偏差。測試結果見依據8次測量值用貝塞爾公式計算出各濕度點上的標準偏差。

從圖5中可以看出，當溫度為10 ℃時，露點儀測得值的標準偏差最小值是0.08，最大值是0.38，不一致性為0.3。當溫度為20 ℃時，露點儀測得值的標準偏差最小值是0.04，最大值是0.20，不一致性為0.16。當溫度為30 ℃時，露點儀測得值的標準偏差最小值是0.05，最大值是0.36，不一致性為0.31。當溫度為40 ℃時，露點儀測得值的標準偏差最小值是0.04，最大值是0.34，不一致性為0.30。由此可見，當環境溫度為20 ℃時，露點儀測得值的標準偏差一致性優于其它溫度點。

圖5 不同溫度點各濕度點上標準偏差曲線

1.3 氣體流量對露點測量準確度測試

在實際使用中，必須考慮流過露點傳感器的氣體流量大小對露點測量準確度的影響。對此進行了氣體流量對露點傳感器測量準確度的影響測試。

將露點儀露點傳感器和溫度傳感器置入溫濕度箱中有效區域內，溫度傳感器距離露點傳感器4 cm、并高出露點傳感器感應端4 cm,如圖1所示。按照露點儀使用說明書要求開機預熱。將溫濕度箱溫度設為20 ℃,將露點傳感器的過流孔正對氣流方向。待箱內溫度趨于穩定后，再依次設定箱內濕度點為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。當各濕度點穩定后，再錄取露點儀測得的露點溫度值。當所有濕度點測試完畢，箱內溫度不變，溫度傳感器的位置不變。改變露點傳感器的過流孔位置，使之垂直于氣流方向。再重復測試以上濕度點上露點儀測得的露點溫度值。將露點儀的露點傳感器正對氣流方向測得的各濕度點上的露點溫度值減去氣流垂直于露點傳感器過流孔時，各濕度點上的露點溫度測得值，得出露點傳感器的各濕度點上的露點溫度差曲線如圖6。

圖6 氣流正對和垂直露點傳感器時露點溫度差

1.4 濕度傳感器溫度特性測試

曾經對8支濕度傳感器進行過溫度特性測試[8]。8支濕度傳感器的示值誤差(與精密露點儀進行比較)無論在高濕(95%)還是低濕(40%)的情況下，都隨著測試溫度的降低而增大。其中20～30 ℃ 是誤差穩定區間，誤差變化幅度較小，20 ℃往下誤差變化幅度增大，10 ℃往下誤差變化幅度急劇增加。濕度傳感器的示值標準偏差無論高濕還是低濕都在測試溫度為20 ℃時達到最小值，其中10 ℃和 30 ℃時都較小，10 ℃以后隨著溫度降低，標準偏差也在增大。

1.5 濕度傳感器時間常數測試

曾經對濕度傳感器的動態響應時間(時間常數)做過不同溫度條件下的時間常數試驗[9]。試驗結論是升濕階躍響應的時間常數總體而言小于降濕階躍響應的時間常數。分析原因，在進行降濕階躍響應時，濕度傳感器首先處于高濕環境內，這使其響應特性變差，時間常數變大，這跟濕度傳感器的特性一致。

試驗采用圖解法和濕度變化法，測試了不同溫度時(15～30 ℃)，升降濕時間常數變化曲線，從變化趨勢來看，在溫度為20 ℃時，時間常數升降濕曲線在20 ℃點交匯，對應的時間常數為20 s。這就提示我們，在溫度為20 ℃時，升降濕時間常數是一致的。因此，在設置濕度傳感器的檢定環境時，20 ℃點是首選點，可減小因響應不同步帶來的附加誤差。

2 結論

通過對檢定條件的實際測試和對歷史資料的綜合分析得出如下結論。

(1)在進行濕度傳感器的計量檢定時，針對吸入式溫濕度箱而言，露點儀的溫度傳感器應安裝在露點傳感器的前端，距離露點傳感器和高出露點傳感器感應端分別為4 cm時，溫度測量結果才不會受到露點傳感器熱效應影響。

(2)露點儀的露點傳感器的過流孔必須正對氣流來向。

(3)檢定時的環境溫度為20 ℃時。露點儀在各個濕度點上測得值的標準偏差(離散性)最小(準確度高)。

(4)各濕度點上的穩定時間(當箱內濕度達到設定值并趨于穩定后)應大于或等于20 s時，露點儀和被檢濕度傳感器采集到的標準值和測量值才真實。