环境试验用干湿球湿度计溯源研究
嘉峪检测网 2022-12-18 18:46
环境试验用干湿球湿度计的测量误差无法校准，核心原因在于干湿球系数A无法校准，针对该问题，我们立项研究解决了它的校准问题，并编制了相应的技术规范《JJG(军工）229—2020铂电阻式干湿球湿度计检定规程》。 本文通过分析环境试验湿度测量中使用的干湿球湿度计的测量原理，分析干湿球湿度计的干湿球系数A，提出校准干湿球系数A的方法，进一步提出校准干湿球湿度计的湿度，解决干湿球湿度计湿度测量的溯源问题。
引言
环境试验的湿度测量，通常使用干湿球湿度计。在GB/T 5170.5 、JJF 1270 等标准中，规定使用干湿球湿度计测量湿度。
量值传递中使用的干湿球湿度计，通常采取强制通风的方法，制成通风干湿表，在恒定的风速下获得一个准确的干湿球系数A。而环境试验用的干湿球湿度计，使用方法与有固定风速的通风干湿表不同，它借用了试验设备本身的循环风速，试验设备的循环风速因不同位置而不同，也因不同设备而不同。也就是说，环境试验用的干湿球湿度计，因为没有固定的风速，它的干湿球系数A是一个未知数。因此，无法知道它的湿度测量误差，即它的湿度测量存在溯源问题。
概述
01、湿热试验的湿度测量
湿热试验是模拟实际使用中可能出现的温湿度环境,用于各种材料、部件或整机产品的温湿度环境的适应性试验。一般而言，模拟实际使用中可能出现的温湿度环境的湿热试验，需要的时间太长，此时为缩短湿热试验的时间，获得与正常温湿度使用条件相近似的效果，进而采用加速的湿热试验。
所谓加速的湿热试验，是指加大湿热试验的量值，即在给定湿度的条件下，把温度量值提高，从而达到湿热试验的加速作用。加速的湿热试验，在实际使用的自然大气环境中不可能出现。
65℃、95%RH，85℃、85%RH，90℃、95%RH等，是常见的加速的湿试验，这样加速的湿热试验，在自然大气环境中不可能发生。因此，加速的湿热试验的湿度测量，通常是高温高湿的测量。
02、量值传递的湿度测量
量值传递中的湿度测量，通常是常温下或温度范围变化不大的湿度测量。国家JJG 2046湿度计量器具检定系统表规定，在温度（5～50）℃范围内量传湿度。
湿度计量标准器具和湿度计量工作器具，实际量传湿度的温度范围，如JJG205、JJF1076等，比国家JJG 2046湿度计量器具检定系统表的温度范围要小。
主要测量仪器
对于环境试验以高温为特征的湿度测量，目前常用的各种湿度测量方法中，合适的只有冷凝露点法、电湿度法（电阻法、电容法）、干湿球法三种。
（1）冷凝露点法。采用冷凝露点法研制生产的露点仪，价格昂贵，测量成本高，在环境试验的湿度测量中基本不采用。
（2）电湿度法。采用电湿度法研制生产的湿度传感器或湿度计，在高温高湿的测量中，稳定性和重复性不理想，在环境试验的湿度测量中使用也不多。
（3）干湿球法。干湿球法采用两支温度计组成干湿球湿度计。温度计通常具有较好的稳定性和重复性，因而由两支温度计组成的干湿球湿度计，在高温高湿测量中具有较好的稳定性和重复性，且成本低廉，在湿热试验的湿度测量中得到广泛的应用。湿热试验设备的湿度控制测量，大部分采用干湿球湿度计。
干湿球湿度计
01、测量原理
通常，采用两支型号相同的温度计组成干湿球湿度计。其中一支温度计用于测量空气的温度，该温度计通常叫作干球温度计。另一支温度计，用纱布把它的感温部包起来，纱布下端放置在装有纯水的容器中，使温度计感温部的纱布保持湿润，该温度计通常叫作湿球温度计。由于纱布中水分蒸发带走热量，使湿球温度计测量得到的温度，低于空气温度。湿球温度计感温部纱布水分蒸发的快慢，与空气中的湿度相关，空气湿度越低，湿球温度计测量得到的温度越低。空气的湿度，与测量得到的干球温度和湿球温度存在函数关系 。
干湿球湿度计湿度测量理论计算公式如下。
式中：
U—相对湿度，%RH；
e—实际水气压，kPa；
ew—干球温度所对应的纯水平液面饱和水气压，kPa；
etw—湿球温度所对应的纯水平液面饱和水气压，kPa；
A—干湿球系数，℃-1；
P—空气的气压，kPa；
t—干球测得的温度，℃；
tw—湿球测得的温度，℃；
T0—水三相点的热力学温度，273.16 K；
T—干球温度t或tw湿球温度的热力学温度，等于273.15+t（或tw）。
02、干湿球系数A
干湿球湿度计湿度测量的理论研究和实践都已表明，干湿球系数A，除了与风速有关之外，还与湿球温度计的尺寸、形状有关。干湿球系数A随每一具体的干湿球湿度计的不同而不同，需要由比它高的湿度标准确定它的干湿球系数A。
图1是针对规定尺寸和形状的玻璃水银温度计为干湿球湿度计的球状干湿球、柱状干湿球，在常温下其干湿球系数A与风速关系的研究结果。
图1 风速与干湿球系数关系图
由图1可以看出，规定尺寸和形状的玻璃水银温度计为干湿球湿度计，其球状干湿球与柱状干湿球的干湿球系数A，低风速与高风速的显著差别。
基于干湿球湿度计的干湿球系数A与风速、干湿球湿度计的尺寸及形状有关的研究，国际气象组织机构研究出一种以玻璃水银温度计为干湿球湿度计的通风干湿表，即用玻璃水银温度计测量干湿球温度，并严格规定玻璃水银温度计的形状和尺寸，同时使用强制通风的方法，给予干湿球湿度计恒定的风速。通过大量的实验验证，当通风速度在（3～4）m/s时，得到其干湿球系数A约为0.00067℃-1。国内外研究以特定的通风结构、玻璃水银温度计为干湿球湿度计的标准通风干湿表，实验得到的干湿球系数A实际上也存在差异。
我国编制的国家标准《GB/T 6999—2010环境试验用相对湿度查算表》，适用范围中明确规定，仅适用于用玻璃水银温度计为干湿球湿度计的湿度测量。该查算表只是给出了有限的几个干湿球系数A。
溯源
湿度量值传递中使用的干湿球湿度计，采取强制通风制作成通风干湿表，依靠风机获得恒定的风速，因而获得一个恒定干湿球系数A。它的湿度测量误差，可以由高一级湿度标准直接校准，因而不存在溯源问题。
与湿度量值传递中使用的干湿球湿度计测量湿度不同，环境试验使用的干湿球湿度计，借用了设备本身工作空间内空气循环的风速，此风速因不同位置而不同，也因不同设备而不同。同时，环境试验使用的干湿球湿度计，出于读数不方便或不能读数的原因，不能采用两支玻璃水银温度计来组成干湿球湿度计，而是一般采用两支铂电阻温度计组成干湿球湿度计。显然，两支铂电阻温度计组成的干湿球湿度计，不能使用GB/T 6999给出的干湿球系数A,它的干湿球系数实际上是个未知数，它的湿度测量误差，不能由高一级湿度标准直接校准，因而存在溯源问题。
校准
01、校准项目
从干湿球湿度计的湿度计算公式可以看出，干湿球湿度计测量湿度是否准确，除了与干球温度、湿球温度的测量是否准确有关外，还与干湿球系数A是否准确有关。
当然，还需要准确测量空气的气压，空气气压由气压计测量所得，与干湿球湿度计无关。相反，干湿球系数A与干湿球湿度计密切相关，即与干湿球湿度计特定的形状、尺寸、以及流过湿球的风速有关。
因此，按照干湿球理论，干湿球湿度计需要校准干球温度计、湿球温度计的温度测量误差，同时，还需要校准干湿球系数A在不同风速条件下的准确值，然后才能校准它的湿度测量误差。
02、温度校准
利用比较的方法，把干球温度计、湿球温度计、标准铂电阻温度计，放置在液体恒温槽中同一位置，同时测量恒温槽该位置中的液体温度，比较干球温度计、湿球温度计和标准铂电阻温度计的测量值，则可得到干球温度计、湿球温度计的温度测量误差。
03、干湿球系数A校准
把湿度标准器、干湿球湿度计放置在风速可调的温湿度源中，湿度标准器测量温湿度源的湿度，干湿球湿度计测量干球温度和湿球温度，同时用气压计测量温湿度源的气压。按照干湿球理论的相对湿度计算公式，以湿度标准器测得值为标准湿度值，可以反算出干湿球系数A，如下公式。
保持温湿度源的湿度不变，改变流过湿球温度计的风速，此时湿球温度发生变化，从而得到不同风速条件下的干湿球系数A。
04、湿度校准
干湿球湿度计在校准干湿球温度、干湿球系数A之后，就可以校准它的实际湿度测量误差了。
同理，把湿度标准器、干湿球湿度计放置在温湿度源中，湿度标准器和干湿球湿度计分别测量温湿度源的湿度，比较它们的测量值，则可得到干湿球湿度计的湿度测量误差。
因此，通过校准干湿球湿度计的温度测量误差和干湿球系数A，则可校准干湿球湿度计的湿度测量误差，解决它的溯源问题。
实验验证
01、实验设计
1.温度校准实验设计
选用2支AA级铂电阻温度计组成干湿球湿度计，按照上述干湿球湿度计的温度校准方法，选用一等标准铂电阻温度计为温度标准，测温电桥、数据采集器、恒温槽为配套设备。把标准铂电阻温度计和干湿球湿度计，插入恒温槽中足够深的同一水平面上，待恒温槽温度稳定后，用测温电桥测量标准铂电阻温度计的温度，用数据采集器测量测量干湿球湿度计的温度。
通过校准0℃、50℃、100℃3个温度点，可以在0℃～100℃测量范围内重新分度，提高干湿球湿度计温度测量的准确性。
2.干湿球系数A校准实验设计
按照上述的干湿球湿度计的干湿球系数A校准方法，选用一级精密露点仪为湿度标准，温湿度源采用温湿度标准箱，风速调节装置采用小型风洞，以及选用数据采集器、精密风速计和气压计。
小型风洞平放在温湿度标准箱内的样品架上，并作相应的固定。气压计的取气口安装在小型风洞旁边，精密露点仪的温度传感器和取样管口安装在小型风洞进气口前方。
湿球温度计穿过小型风洞安装在有效风场的位置上，并套上湿球纱布直至测量引线处，湿球纱布穿出小型风洞浸入装有蒸馏水的水杯（带盖）内。干球温度计穿过小型风洞安装在湿球温度计前方偏左或偏右位置上，以不遮挡湿球温度计即可。精密风速计传感器穿过小型风洞垂直安装在湿球温度计旁边，如图2。
图2 干湿球湿度计、风速计探头在小型风洞内的安装示意图
测量干湿球系数A，测量顺序风速由低到高，调节小型风洞的控制输出，直到精密风速计测得值稳定在某一值时为止，待温湿度标准箱的温湿度稳定后开始测量。
选择在23℃、30%RH时，风速分别为（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下校准干湿球系数A。
02、实验结果
1.温度校准实验结果
按照干湿球湿度计温度校准的实验设计，温度示值误差实验结果如表1。
表1 温度示值误差实验结果
干湿球湿度计在校准0℃、50℃、100℃后重新分度，得到新的R0值、分度系数a和分度系数b，按新分度值测量其它温度点的温度示值误差，结果如表2。
表2 重新分度后温度示值误差实验结果
2.干湿球系数A校准实验结果
按照干湿球系数A校准的实验设计，干湿球系数A在23℃、30%RH下实验结果如下表3。
表3 干湿球系数A实验结果
3.湿度示值误差校准实验结果
按照湿度示值误差校准的实验设计，湿度示值误差校准实验结果如下表4。
表4 湿度示值误差实验结果
实验结果分析及结论
从实验的结果来看，通过校准不同风速条件下的干湿球系数A，借用环境试验设备中循环风速的干湿球湿度计，湿度测量误差约为±0.4%RH。由于环境试验湿度允许偏差一般为±3%RH，干湿球湿度计的湿度测量误差，小于环境试验湿度允许偏差约1/8，可以满足环境试验湿度测量的量值传递要求。
结束语
环境试验用干湿球湿度计，利用设备本身循环风速的测量方法，同时选用国家标准《GB/T 6999—2010环境试验用相对湿度查算表》中的干湿球系数A，它的测量值显然是不准确的，同时没有溯源性。我们通过立项研究，解决了干湿球湿度计的干湿球系数A校准问题，同时编制了铂电阻式干湿球湿度计的行业检定规程，解决了环境试验用干湿球湿度计湿度测量的溯源问题。
作者：陈钼，刘虹君，伍伟雄，孙正璐，周裕华，陈雪霞
单位：工业和信息化部电子第五研究所
简介：陈 钼，高级工程师，主要从事热学、电磁学的计量技术研究工作和计量管理工作。
