三種不同空氣濕度測量儀器計量特性的研究

劉 宇，馬 婷，盛高珊

（河北省氣象技術裝備中心，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，常用絕對濕度、相對濕度、露點溫度、霜點溫度、飽和水汽壓和體積比等來表示。在氣象學中，空氣濕度是指相對濕度，是一個無量綱的量，常表示為%RH。鑒于目前市場上濕度測量儀器種類繁多，測量原理也各有不同。按照感應元件的不同主要分為三大類：傳統的毛發濕度計、雙金屬濕度計、濕敏電容（濕敏電阻/濕敏諧振器），前兩種可以統稱為機械式溫濕度計，在選擇三類測量儀器時，經常會存在知識盲區。文獻[1]研究了毛發濕度計的濕度響應特性，表明毛發濕度計對環境濕度響應速率在環境濕度條件下不一致，且響應速率在環境濕度較小時大于環境濕度較大時；文獻[2]研究了干濕表與濕敏電容測量差異原因；文獻[3]對氣象行業使用的濕敏電容傳感器的測量準確度、遲滯誤差、溫度系數等測量特性；文獻[4]利用14 支濕敏電容傳感器靜態測試數據，用誤差年漂移量定量表征濕敏電容傳感器的穩定性，并對誤差年漂移量的變化規律及影響因素進行分析。

在地面氣象觀測[5]中，2000 年以前主要是毛發濕度計，自2000 年來使用了幾十年的相對濕度人工觀測逐漸被自動觀測所取代，伴隨著地面氣象觀測自動化改革，濕度傳感器應運而生，在氣象自動觀測業務中起到了至關重要的作用。

1 測量原理

1.1 毛發濕度計

通常認為人的毛發作為多孔介質，在吸收水分后長度會發生變化，運用機械放大裝置可以顯示環境濕度變化[6]。毛發具有感濕特性，其表面覆蓋著一層油脂，經過特殊的化學方法進行脫脂處理后，毛發表面原被油脂充填的微孔將開放并與外界環境相通。與外界相通的這些微孔內會凝結周圍環境中的水汽，在微孔中形成彎月面，受表面張力作用影響。當空氣中的濕度值增加時，微孔中凝結水的表面張力逐漸增加，彎月面逐漸增大，毛發的長度增長。當空氣中的水汽達到飽和時，微孔中水的彎月面就變成平面，表面張力最大，使毛發伸到最長位置。反之，當空氣中的水汽壓力低于飽和水汽壓力時，則一部分水從毛孔中蒸發，孔中的彎月面變成凹形，表面張力縱向分力減小，毛發收縮。隨著空氣濕度的變化引起微孔彈性壁的形變，形成毛發長度的變化。

1.2 干濕表

干濕球法是一種間接測量相對濕度的方法，采用干、濕球溫度表作為測濕元件。ta為干球溫度計用以測量環境溫度，tw為濕球溫度計。濕球溫度計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，吸收熱量，從而使濕球溫度下降。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、相對濕度和露點溫度。

濕球水蒸發的速度與其周圍氣體的水汽含量成函數關系，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；P 為氣體總壓力；U 為相對濕度。

1.3 濕度傳感器

一般采用有機高分子鍍膜材料（濕敏電容）為感應元件[8]，當環境濕度變化時，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發生變化，電容隨之改變，濕敏電容電容量經過外圍電路轉換后輸出電壓信號，電壓與濕度成線性關系。當相對濕度為0%時，傳感器輸出電壓為0 V；當相對濕度為100%時，傳感器輸出電壓為1 V。計算公式為

式中：U 為相對濕度；V 為傳感器輸出電壓。

2 計量特性

將3 種濕度測量儀器放置在同一檢測環境箱中，設置濕度為30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 的順序正行程和反行程測量一次，穩定30 min后，分別記錄三種儀器在測量點的響應時間和示值，間隔5 min 后重復讀取示值，取2 次示值的平均值作為測量結果[9]，試驗數據如表1 所示。

表1 30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 各測量點測量平均值Tab.1 Measurement results of 30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH%RH

2.1 示值誤差

根據上述試驗設計，示值誤差取兩次測量的平均值與設定的測量點處標準器讀數之差，根據表1的試驗數據得到在30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，80%RH 五個測量點，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 可知三種測量儀器在50%RH 以下的測量點，示值誤差均小于1.5，示值誤差很小，且濕度傳感器小數位精確到了0.01 位，60%RH、80%RH 兩個測量點處三種測量儀器出現了不同，毛發濕度計誤差最大為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，毛發濕度計從低濕到高濕整個過程示值誤差明顯高于其它兩種儀器。

2.2 濕滯誤差

根據上述試驗設計，按照測量順序點進行示值誤差測量時，在同一測量點上正、反行程濕度示值誤差的差值，即為濕滯誤差。根據示值誤差的試驗數據，得到三種儀器在每個測量點的正反行程差值，取5 個測量點中差值最大值作為該種儀器的濕滯誤差[11]。得到毛發濕度計的濕滯最小，干濕表最大，由于干濕表是經過查表運算得到的數據，《濕度差算表》中參數主要有：訂正參數、濕球溫度、水汽壓、相對濕度和露點溫度，查表結果是通過4 個參數查出來的，當同一個測量點時（如30%RH）干濕表的兩次讀數就會差距較大，尤其是經過了脫濕后，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 動態響應時間

設置環境檢測箱為低濕點20%RH 和高濕點90%RH，分別記錄三種儀器在高低濕轉換的響應時間和示值。試驗重復3 次，測量結果取3 次的平均值。經過測量得到的測量數據結果如表3 所示。

分析表3 數據，得到響應時間的測量曲線如圖1 所示。可以看出毛發濕度計的響應時間明顯高于其它兩種測量儀器，隨濕度變化響應慢，即遲滯時間長[12]；濕度傳感器在濕度發生變化時，其響應時間在三種儀器中最短，遲滯時間也是最短；干濕表的響應時間和遲滯時間位于兩者之間。濕度傳感器的感應元件為濕敏電容，電性能的反應時間明顯高于毛發和干濕表的反應時間。

表3 高濕和低濕兩個測量點測量結果Tab.3 Measurement results of high humidity and low humidity

圖1 三種濕度表響應時間的測量曲線Fig.1 Measurement curve of response time of three hygrometers

3 結果分析

由于工作原理不同，毛發濕度計、干濕表、濕敏電容濕度傳感器三種儀器在測量濕度時表現出不同的示值誤差、濕滯和響應時間。毛發濕度計的通常是以人的毛發作為多孔介質，在吸收水分后，會發生變化；濕敏電容是由電容性高分子薄膜構成，企電通量隨薄膜介質吸附水分多少而變化，再將電容量變化轉換成電壓，通過電壓的大小來測量相對濕度；干濕球采用的是間接計算得到的濕度。三種儀器在原理上分別不同，因此在計量性能上也會有很大差距。但是從試驗數據上分析可得出，濕敏電容在響應時間上明顯優于其它兩種傳感器，尤其是在高低濕度的轉換上，濕敏電容傳感器表現出了良好的遲滯性，200 s 時間內均能從低-高和高-低之間的轉換。

4 結語

近年來各種制造原理、規程型號不同的濕度計層出不窮，環境濕度的監測技術也在持續發展，對儀表的計量特性要求也逐漸提高，早期的毛發濕度計和干濕表由于測量的穩定性一直深受使用者的喜愛，但是兩種儀器在維護時，毛發的清洗和濕球紗布的更換無疑給使用者造成了繁重的工作量。隨著新型智能技術的發展，測量精度高，響應速度快，使用壽命長，制造工藝簡單等要求成為了濕度測量儀器的新要求，濕度傳感器滿足了以上所有要求，已經成為了濕度測量儀器的主力軍。不僅是在氣象行業中，其他各個行業中如紡織、食品、醫藥等濕敏電容已廣泛應用于的濕度測量中，在測量濕度無特殊要求時，建議選擇使用壽命長、穩定性好、響應速度快、濕滯誤差小的濕敏電容傳感器。