湿度检定装置的平行对比分析

魏运芳 孙海燕

(1.吉林省气象信息技术保障中心，长春 130062；2.吉林省人工影响天气办公室，长春 130062)

0 引言

目前气象部门使用的湿度检定装置分四种，其中恒湿盐湿度发生器和HUMOR20型湿度发生器检定对象是自动气象站的湿度传感器，DSP-3型数字式标准通风干湿表和DJM-10型湿度检定箱箱组成的检定装置与气侯试验箱和冷镜式露点仪组成的检定装置可用于自动气象站湿度传感器和常规仪器的检定。本文从标准器工作原理、湿度检定箱技术参数(湿度场均匀度，波动度，湿度控制偏差)两方面对后两种检定装置比较分析，有助于广大计量检定人员使用。

1 湿度标准器的工作原理

1.1 冷镜式露点仪工作原理

冷镜式露点仪是利用半导体制冷原理冷却露点传感器的镜面，使气体中的水蒸气在镜面上冷凝为露或霜，光电或声表面波检测系统自动控制平衡，使镜面上的露或霜与气体中的水蒸气呈相平衡状态，用铂电阻温度计准确测量镜面上露层或霜层的温度，即气体的露(霜)点温度。露点仪直接给出的量值是露点温度，确切地说应为“热力学露点温度”。世界气象组织采用的定义是“压力为p，混合比为r的湿空气的热力学露点温度Td，是指在给定的压力下，湿空气被水饱和时的温度。在这个温度下，湿空气的饱和混合比rw等于给定的混合比r”。

1.2 DSP-3型数字式标准通风干湿表工作原理

干湿表法测湿的原理是基于干湿球表面水分蒸发形成的干湿差，由通风干湿表方程：

e=e(Tw)-Ap(Ta-TW)

(1)

计算水分分压，从而导出相对湿度、露点温度、混合比等湿度量值。

恒流源电流流经串联的干湿球铂电阻元件和标准电阻(Ra，Rw，Rs)，经微机控制的模拟开关将采集的样品值Va、Vw和Vs送至放大器放大，经由A/D变换器转变为数字量，送到8031微机系统处理。

先计算出相应的铂电阻的阻值(Ra，Rw)，再计算出干、湿球温度Ta、Tw，加上前面板输入的大气压力值及固化的其他参数最后计算出湿度值来。

为了保证仪器在5℃到40℃的环境温度内其测量准确度不变，仪器内装有恒温盒，标准电阻、放大器、A/D转换置于恒温盒内。

图1 传感器放置位置

2 性能测试

2.1 测试方法

2.1.1 测试仪器布置

将被测湿度检定箱内空间平分为上(A)、中(B)、下(C)三层，每层布测点一个。其中中层测点位于平面中央；上层和下层测点分别位于平面的左下角(或右下角)和右上角(或左上角)，但其距离检定箱内壁应大于箱边长的1/10(具体位置见图1中A、B、C)，每个测点放置经检定合格的45D湿度传感器一个。

2.1.2 湿度测量点及顺序

选择40%RH和90%RH两点(可根据试验要求调至相应的湿度下限和湿度上限)作为测量点，40%RH点控制调整在37%RH～43%RH，在90%RH点控制调整在85%RH～95%RH，测试时各测量点的顺序可任意选定。

2.1.3 测量步骤

开机并根据选择的测量点设置相应的湿度点，当箱中心位置测点湿度达到设定值并稳定后，每隔1min开始读记箱内各测点温度，共读取12次。

一个点测试结束后再按上述同样方法进行另一个湿度点的测试。

2.2 测量结果

在40%RH点和90%RH点两种湿度检定装置的测量结果见表1和表2。

表1在40%RH点两种湿度检定装置的测量结果 单位(%RH)

表2在90%RH点两种湿度检定装置的测量结 单位(%RH)

2.3 数据处理

下面以40%RH测量点为例，讲解数据处理方法。

2.3.1 湿度箱波动度的计算

根据式(2)计算出湿度检定箱内湿度测量点各测点位置12次读数的最大波动值ΔUO：

ΔUO=UOmax-UOmin

(2)

式中：UOmax为同一湿度测量点箱内同一位置12次测量中的最大值，%RH；UOmin为同一湿度测量点箱内同一位置12次测量中的最小值，%RH。

ΔUOIA=UOIAmax-UOIAmin=0.9， ΔUOIB=0.4，

ΔUOIC=0.5

ΔUOIIA=UOIIAmax-UOIIAmin=0.3， ΔUOIIB=0.3，

ΔUOIIC=0.4

式中：ΔUOIA、ΔUOIB和ΔUOIC分别表示DJM-10型湿度检定箱在40%RH测量点A、B、C位置的最大波动值；ΔUOIIA、ΔUOIIB和ΔUOIIC分别表示气候试验箱在40%RH测量点A、B、C位置的最大波动值；

根据式(3)计算出设定湿度值下检定箱内工作区域湿度的波动度ΔUb：

(3)

计算得：ΔUbI=±0.3%RH

ΔUbII=±0.2%RH

式中：ΔUOi为第i位置测点12次读数的最大波动值；n为箱内各位置测点数；ΔUbI为DJM-10型湿度检定箱在40%RH测量点的最大波动值；ΔUbII为气候试验箱在40%RH测量点的最大波动值。

同样的方法得到90%RH两箱的波动度分别为±0.6%RH和±0.2%RH。以两个湿度测量点测得的波动度最大值作为该检定箱的湿度波动度。计算得到DJM-10型湿度检定箱的波动度为±0.6%RH，气候试验箱湿度波动度为±0.2%RH。

2.3.2 湿度箱不均匀度的计算

根据式(4)计算出检定箱内湿度测量点各次测量时箱内各位置测点湿度分布的最大差值ΔUi：

ΔUi=Uimax-Uimin

(4)

式中：Uimax为同一湿度测量点箱内各位置测点在同一次测量中测得的最大值，%RH；Uimin为同一湿度测量点箱内各位置测点在同一次测量中测得的最小值，%RH。

计算得DJM-10型湿度检定箱各位置测点湿度分布的最大差值分别为0.9，0.7，0.6，0.4，0.3，0.2，0.5，0.7，0.6，0.7，0.7，0.5。气候试验箱各位置测点湿度分布的最大差值分别为0.3，0.3，0.4，0.3，0.3，0.6，0.4，0.6，0.6，0.5，0.5，0.3。

根据式(5)计算出某一设定湿度值下检定箱内工作区域温度的不均匀度ΔUj：

(5)

ΔUIj=0.6%RH，ΔUIIj=0.4%RH

式中：ΔUi为同一次测量中不同位置湿度分布的最大差值，%RH；ΔUIj为DJM-10型湿度检定箱同一湿度标准值下箱内湿度的不均匀度，%RH；ΔUIIj为气候试验箱同一湿度标准值下箱内湿度的不均匀度，%RH。

同样的方法得到90%RH两箱的不均匀度分别为0.8%RH和0.3%RH。以两个湿度测量点测得的不均匀度最大值作为该湿度检定箱的湿度不均匀度。计算得到DJM-10型湿度检定箱的不均匀度为0.8%RH,气候试验箱湿度不均匀度为0.4%RH。

2.3.3 湿度箱湿度控制偏差的计算

根据式(6)计算出某湿度测量点检定箱内中层B点测量点位置在稳定状态期间，每10分钟湿度实测值与设定湿度值之间的差值ΔUci

ΔUci=Ui-Us

(6)

式中：Ui为第i分钟湿度实测值，%RH；Us为箱内湿度设定值，%RH。

经计算B处差值如表3。

表3实测值与设定值之差 单位(%RH)

根据式(7)计算出湿度检定箱内某湿度测量点的湿度控制偏差ΔUc：

(7)

ΔUIc=0.3%RH，ΔUIIc=0.2%RH

式中：ΔUIc为DJM-10型湿度检定箱在40%RH湿度控制偏差，%RH；ΔUIIc为气候试验箱在40%RH湿度控制偏差，%RH。

同样的方法得到90%RH两箱的湿度控制偏差分别为0.5%RH和0.3%RH。以两个湿度测量点测得的控制偏差最大值作为该湿度检定箱的湿度控制偏差。计算得到DJM-10型湿度检定箱的控制偏差为0.5%RH，气候试验箱湿度控制偏差为0.3%RH。

3 结束语

通过比较分析，发现冷镜式露点仪和气候试验箱组成的湿度检定装置，在不均匀度，波动度和控温偏差三个方面要优于数字式通风干湿表和湿度检定箱组成的检定装置。

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