環境試驗用干濕球濕度計溯源研究

陳鉬，劉虹君，伍偉雄，孫正璐，周裕華，陳雪霞

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

環境試驗的濕度測量[1]，通常使用干濕球濕度計。在GB/T 5170.5[2]、JJF 1270[3]等標準中，規定使用干濕球濕度計測量濕度。

量值傳遞中使用的干濕球濕度計，通常采取強制通風的方法，制成通風干濕表，在恒定的風速下獲得一個準確的干濕球系數A。而環境試驗用的干濕球濕度計，使用方法與有固定風速的通風干濕表不同，它借用了試驗設備本身的循環風速，試驗設備的循環風速因不同位置而不同，也因不同設備而不同。也就是說，環境試驗用的干濕球濕度計，因為沒有固定的風速，它的干濕球系數A是一個未知數。因此，無法知道它的濕度測量誤差，即它的濕度測量存在溯源問題。

1 概述

1.1 濕熱試驗的濕度測量

濕熱試驗是模擬實際使用中可能出現的溫濕度環境,用于各種材料、部件或整機產品的溫濕度環境的適應性試驗。一般而言，模擬實際使用中可能出現的溫濕度環境的濕熱試驗，需要的時間太長，此時為縮短濕熱試驗的時間，獲得與正常溫濕度使用條件相近似的效果，進而采用加速的濕熱試驗。

所謂加速的濕熱試驗，是指加大濕熱試驗的量值，即在給定濕度的條件下，把溫度量值提高，從而達到濕熱試驗的加速作用。加速的濕熱試驗，在實際使用的自然大氣環境中不可能出現。

65 ℃、95 %RH，85 ℃、85 %RH，90 ℃、95 %RH等，是常見的加速的濕試驗，這樣加速的濕熱試驗，在自然大氣環境中不可能發生。因此，加速的濕熱試驗的濕度測量，通常是高溫高濕的測量。

1.2 量值傳遞的濕度測量

量值傳遞中的濕度測量，通常是常溫下或溫度范圍變化不大的濕度測量。國家JJG 2046濕度計量器具檢定系統表[4]規定，在溫度（5～50）℃范圍內量傳濕度。

濕度計量標準器具和濕度計量工作器具，實際量傳濕度的溫度范圍，如JJG 205[5]、JJF 1076[6]等，比國家JJG 2046濕度計量器具檢定系統表的溫度范圍要小。

2 主要測量儀器

對于環境試驗以高溫為特征的濕度測量，目前常用的各種濕度測量方法中，合適的只有冷凝露點法、電濕度法（電阻法、電容法）、干濕球法三種。

1）冷凝露點法。采用冷凝露點法研制生產的露點儀，價格昂貴，測量成本高，在環境試驗的濕度測量中基本不采用。

2）電濕度法。采用電濕度法研制生產的濕度傳感器或濕度計，在高溫高濕的測量中，穩定性和重復性不理想，在環境試驗的濕度測量中使用也不多。

3）干濕球法。干濕球法采用兩支溫度計組成干濕球濕度計。溫度計通常具有較好的穩定性和重復性，因而由兩支溫度計組成的干濕球濕度計，在高溫高濕測量中具有較好的穩定性和重復性，且成本低廉，在濕熱試驗的濕度測量中得到廣泛的應用。濕熱試驗設備的濕度控制測量，大部分采用干濕球濕度計。

3 干濕球濕度計

3.1 測量原理

通常，采用兩支型號相同的溫度計組成干濕球濕度計。其中一支溫度計用于測量空氣的溫度，該溫度計通常叫作干球溫度計。另一支溫度計，用紗布把它的感溫部包起來，紗布下端放置在裝有純水的容器中，使溫度計感溫部的紗布保持濕潤，該溫度計通常叫作濕球溫度計。由于紗布中水分蒸發帶走熱量，使濕球溫度計測量得到的溫度，低于空氣溫度。濕球溫度計感溫部紗布水分蒸發的快慢，與空氣中的濕度相關，空氣濕度越低，濕球溫度計測量得到的溫度越低?？諝獾臐穸龋c測量得到的干球溫度和濕球溫度存在函數關系[7]。

干濕球濕度計濕度測量理論計算公式如下。

式中：

U—相對濕度，%RH；

e—實際水氣壓，kPa；

ew—干球溫度t所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa；

etw—濕球溫度tw所對應的純水平液面飽和水氣壓，kPa；

A—干濕球系數，℃-1；

P—空氣的氣壓，kPa；

t—干球測得的溫度，℃；

tw—濕球測得的溫度，℃；

T0—水三相點的熱力學溫度，273.16 K；

T—干球溫度t或濕球溫度tw的熱力學溫度，等于273.15+t（或tw）。

3.2 干濕球系數A

干濕球濕度計濕度測量的理論研究和實踐都已表明，干濕球系數A，除了與風速有關之外，還與濕球溫度計的尺寸、形狀有關。干濕球系數A隨每一具體的干濕球濕度計的不同而不同，需要由比它高的濕度標準確定它的干濕球系數A。

圖1是針對規定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的球狀干濕球、柱狀干濕球，在常溫下其干濕球系數A與風速關系的研究結果。

由圖1可以看出，規定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計，其球狀干濕球與柱狀干濕球的干濕球系數A，低風速與高風速的顯著差別。

圖1 風速與干濕球系數關系圖

基于干濕球濕度計的干濕球系數A與風速、干濕球濕度計的尺寸及形狀有關的研究，國際氣象組織機構研究出一種以玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的通風干濕表，即用玻璃水銀溫度計測量干濕球溫度，并嚴格規定玻璃水銀溫度計的形狀和尺寸，同時使用強制通風的方法，給予干濕球濕度計恒定的風速。通過大量的實驗驗證，當通風速度在（3～4）m/s時，得到其干濕球系數A約為0.000 67 ℃-1。國內外研究以特定的通風結構、玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的標準通風干濕表，實驗得到的干濕球系數A實際上也存在差異。

我國編制的國家標準GB/T 6999—2010《環境試驗用相對濕度查算表》[8]，適用范圍中明確規定，僅適用于用玻璃水銀溫度計為干濕球濕度計的濕度測量。該查算表只是給出了有限的幾個干濕球系數A。

4 溯源

濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計，采取強制通風制作成通風干濕表，依靠風機獲得恒定的風速，因而獲得一個恒定干濕球系數A。它的濕度測量誤差，可以由高一級濕度標準直接校準，因而不存在溯源問題。

與濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計測量濕度不同，環境試驗使用的干濕球濕度計，借用了設備本身工作空間內空氣循環的風速，此風速因不同位置而不同，也因不同設備而不同。同時，環境試驗使用的干濕球濕度計，出于讀數不方便或不能讀數的原因，不能采用兩支玻璃水銀溫度計來組成干濕球濕度計，而是一般采用兩支鉑電阻溫度計組成干濕球濕度計。顯然，兩支鉑電阻溫度計組成的干濕球濕度計，不能使用GB/T 6999給出的干濕球系數A,它的干濕球系數實際上是個未知數，它的濕度測量誤差，不能由高一級濕度標準直接校準，因而存在溯源問題。

5 校準

5.1 校準項目

從干濕球濕度計的濕度計算公式可以看出，干濕球濕度計測量濕度是否準確，除了與干球溫度、濕球溫度的測量是否準確有關外，還與干濕球系數A是否準確有關。

當然，還需要準確測量空氣的氣壓，空氣氣壓由氣壓計測量所得，與干濕球濕度計無關。相反，干濕球系數A與干濕球濕度計密切相關，即與干濕球濕度計特定的形狀、尺寸、以及流過濕球的風速有關。

因此，按照干濕球理論，干濕球濕度計需要校準干球溫度計、濕球溫度計的溫度測量誤差，同時，還需要校準干濕球系數A在不同風速條件下的準確值，然后才能校準它的濕度測量誤差。

5.2 溫度校準

利用比較的方法，把干球溫度計、濕球溫度計、標準鉑電阻溫度計，放置在液體恒溫槽中同一位置，同時測量恒溫槽該位置中的液體溫度，比較干球溫度計、濕球溫度計和標準鉑電阻溫度計的測量值，則可得到干球溫度計、濕球溫度計的溫度測量誤差。

5.3 干濕球系數A校準

把濕度標準器、干濕球濕度計放置在風速可調的溫濕度源中，濕度標準器測量溫濕度源的濕度，干濕球濕度計測量干球溫度和濕球溫度，同時用氣壓計測量溫濕度源的氣壓。按照干濕球理論的相對濕度計算公式，以濕度標準器測得值為標準濕度值，可以反算出干濕球系數A，如下公式。

保持溫濕度源的濕度不變，改變流過濕球溫度計的風速，此時濕球溫度發生變化，從而得到不同風速條件下的干濕球系數A。

5.3 濕度校準

干濕球濕度計在校準干濕球溫度、干濕球系數A之后，就可以校準它的實際濕度測量誤差了。

同理，把濕度標準器、干濕球濕度計放置在溫濕度源中，濕度標準器和干濕球濕度計分別測量溫濕度源的濕度，比較它們的測量值，則可得到干濕球濕度計的濕度測量誤差。

因此，通過校準干濕球濕度計的溫度測量誤差和干濕球系數A，則可校準干濕球濕度計的濕度測量誤差，解決它的溯源問題。

6 實驗驗證

6.1 實驗設計

6.1.1 溫度校準實驗設計

選用2支AA級鉑電阻溫度計[9]組成干濕球濕度計，按照上述干濕球濕度計的溫度校準方法，選用一等標準鉑電阻溫度計為溫度標準，測溫電橋、數據采集器、恒溫槽為配套設備。把標準鉑電阻溫度計和干濕球濕度計，插入恒溫槽中足夠深的同一水平面上，待恒溫槽溫度穩定后，用測溫電橋測量標準鉑電阻溫度計的溫度，用數據采集器測量測量干濕球濕度計的溫度。

通過校準0 ℃、50 ℃、100 ℃3個溫度點，可以在（0～100） ℃測量范圍內重新分度，提高干濕球濕度計溫度測量的準確性。

6.1.2 干濕球系數A校準實驗設計

按照上述的干濕球濕度計的干濕球系數A校準方法，選用一級精密露點儀為濕度標準，溫濕度源采用溫濕度標準箱，風速調節裝置采用小型風洞，以及選用數據采集器、精密風速計和氣壓計。

小型風洞平放在溫濕度標準箱內的樣品架上，并作相應的固定。氣壓計的取氣口安裝在小型風洞旁邊，精密露點儀的溫度傳感器和取樣管口安裝在小型風洞進氣口前方。

濕球溫度計穿過小型風洞安裝在有效風場的位置上，并套上濕球紗布直至測量引線處，濕球紗布穿出小型風洞浸入裝有蒸餾水的水杯（帶蓋）內。干球溫度計穿過小型風洞安裝在濕球溫度計前方偏左或偏右位置上，以不遮擋濕球溫度計即可。精密風速計傳感器穿過小型風洞垂直安裝在濕球溫度計旁邊，如圖2。

圖2 干濕球濕度計、風速計探頭在小型風洞內的安裝示意圖

測量干濕球系數A，測量順序風速由低到高，調節小型風洞的控制輸出，直到精密風速計測得值穩定在某一值時為止，待溫濕度標準箱的溫濕度穩定后開始測量。

選擇在23℃、30%RH時，風速分別為（0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.3、3.5、3.8、4.0、4.5、5.0）m/s下校準干濕球系數A。

6.2 實驗結果

6.2.1 溫度校準實驗結果

按照干濕球濕度計溫度校準的實驗設計，溫度示值誤差實驗結果如表1。

表1 溫度示值誤差實驗結果

干濕球濕度計在校準0 ℃、50 ℃、100 ℃后重新分度，得到新的R0值、分度系數a和分度系數b，按新分度值測量其它溫度點的溫度示值誤差，結果如表2。

表2 重新分度后溫度示值誤差實驗結果

6.2.2 干濕球系數A校準實驗結果

按照干濕球系數A校準的實驗設計，干濕球系數A在23 ℃、30 %RH下實驗結果如表3。

表3 干濕球系數A實驗結果

6.2.3 濕度示值誤差校準實驗結果

按照濕度示值誤差校準的實驗設計，濕度示值誤差校準實驗結果如表4。

表4 濕度示值誤差實驗結果

7 實驗結果分析及結論

從實驗的結果來看，通過校準不同風速條件下的干濕球系數A，借用環境試驗設備中循環風速的干濕球濕度計，濕度測量誤差約為±0.4 %RH。由于環境試驗濕度允許偏差一般為±3 %RH，干濕球濕度計的濕度測量誤差，小于環境試驗濕度允許偏差約1/8，可以滿足環境試驗濕度測量的量值傳遞要求。

8 結束語

環境試驗用干濕球濕度計，利用設備本身循環風速的測量方法，同時選用國家標準GB/T 6999-2010《環境試驗用相對濕度查算表》中的干濕球系數A，它的測量值顯然是不準確的，同時沒有溯源性。我們通過立項研究，解決了干濕球濕度計的干濕球系數A校準問題，同時編制了鉑電阻式干濕球濕度計的行業檢定規程，解決了環境試驗用干濕球濕度計濕度測量的溯源問題。