基于红外测湿传感器的湿度检定箱设计

许 超，杜智涛，韩桂梅，王 洋，张双羽，范雪波，王华英

(1.北京市国瑞智新技术有限公司，北京 100081；2.61540部队，北京 100029；3.北京威世德科技有限公司，北京 100081；4.北京市气象探测中心，北京100089；5.北京市密云区气象局，北京101500)

0 引言

机械式温湿度计和数字式温湿度计的使用越来越广泛，已经遍及工农业、国防、科技等各领域，对于温湿度参数的测量准确度要求也越来越高。湿度检定箱作为用于检定、校准机械式湿度计、数字式湿度计和其他湿度传感器的重要设备，其均匀性和稳定性对于检测结果有着极其重要的影响。

相对湿度是空气中实际水汽压除以当时温度下饱和水汽压的结果，而饱和水汽压是温度的指数函数，温度的变化直接影响相对湿度量值[1]。因此，测试室中的温度恒定特别重要，即湿度检定/校准设备应是恒温恒湿箱[2]。

湿度检定箱温度、湿度控制方式是测试室中温度、湿度均匀性、波动度的决定因素[3]。文章介绍的湿度箱采用了气液换热的控温方法控制测试室的气体温度；湿度控制采用了干湿气混合并通过PID反馈控制的控湿方案，采用时间常数很小的激光吸收式湿度传感器对湿度进行测量和反馈控制，可以减少湿度平衡时间，有效减小测试室内的湿度波动。

1 常规温湿度箱工作原理

目前常规温湿度箱的温度控制是在测试室内安装蒸发器和加热管，通过降低蒸发器的温度来实现降温，通过加热管加热实现气体升温，这种常规温度控制方式的缺点是蒸发器的实际温度比测试室控制温度低3～5 ℃。由于存在大的温度梯度，其温度均匀性要达到要求非常困难，由于湿度和温度的相关性，湿度均匀度同样无法保证，特别是90%RH以上的湿度，温度相差1 ℃，湿度差就可达到5%RH以上。因此，常规温湿度箱不能保证湿度均匀，同时还存在达不到95%RH以上高湿，水汽凝结在蒸发器上的现象。

常规湿度箱的湿度控制原理包括干湿气混合法，其加湿、去湿和反馈控制通常是湿敏电容或干湿表传感器。湿敏电容随时间漂移严重，当其长时间处于高湿环境时，会出现失效现象。干湿球法需要人工更换纱布，且要求风速稳定，湿球放出的水汽还会使测试室的湿度逐渐增加，造成湿度不稳定。

2 新型湿度检定箱设计方案

2.1 工作原理

新型湿度检定箱由测试室、湿度标准器、干气源、湿气源、恒温槽、温度湿度测控模块和压力泵等部分组成(图1)。

图1 新型温湿度检定箱组成

测试室内气体温度通过换热器与恒温槽中的恒温水进行循环换热，实现精确控温；恒温槽由温度湿度测控模块采用压缩机制冷方式进行稳定水温控制。通过控制干气源和湿气源的输出流量调节测试室湿度。干气和湿气的混合量由温度和湿度控制模块通过采集测试室内红外测湿仪(红外激光式湿度传感器)的湿度值对干气源和湿气源进行实时PID控制实现，测试室内的湿度标准器则提供标准的温度值和湿度值。

由于采用了红外湿度测控技术，使测试室内湿度能在5 min内实现从20%RH～80%RH的变化。由于红外测湿反应时间达到毫秒量级，可以保证测试室内湿度能迅速从一个测湿点到另一个测湿点的转变，且不会出现过冲现象，能够稳定控制在目标湿度，并长时间保持。

2.2 温度控制设计

测试室温度控制结构和流程如图2所示。

图2 测试室温控热交换流程

测试室的温度控制采用液体-气体换热模式实现，在测试室底部安装翅片换热器，换热器内部的水通过泵在换热器和恒温槽之间循环流动。由于水的热容大、控制稳定性好，同时换热器表面为金属翅片，换热效率非常高，因此换热器的金属表面始终处于与水温相同的恒温状态。换热器表面翅片与测试室内气体在风扇的作用下强制进行热交换，使测试室内气温与水温时间处于热平衡状态。

测试室内壁设计成双层结构，夹层内流动着恒温水，使测试室内壁也在与水进行热交换，进一步减小了测试室气体与水之间的温差，通过这种合理换热和循环风操作使换热器、金属壁与气体温差在0.3 ℃以内，整个测试室的温度均匀度在0.2 ℃内，同时保证了在进行高湿控制时不结露。

恒温水槽采用压缩机制冷、加热管加热方式进行温控，结构如图3所示。

图3 恒温槽水温控制热交换流程

恒温槽采用高准确度PID温度控制技术，控制分辨力：0.01 ℃，均匀度：0.02 ℃，波动度：±0.01 ℃。因此，液体的温度控制准确度非常高。

2.3 湿度控制设计

能为湿度控制提供湿度反馈的测量仪表中，通风干湿表、湿敏电容和露点仪等都存在响应时间长的问题。当测试室内实际湿度已达到目标值时，由于测量仪表的响应时间滞后，测试室内湿度就会超过目标湿度，造成控制和反馈不同步，导致湿度过冲和反复震荡现象。

新型湿度检定箱采用了全新的红外测湿技术，其响应时间为毫秒量级，能及时响应测试室内的湿度变化并同步反馈给PID控制电路，快速对干气和湿气的进气量进行调节，使测试室的湿度控制在设定点上而且不过冲。

3 测试结果

在国家气象计量站和国家计量院分别对2台设备(编号分别为1581017和1651002)进行检测，编号为1581017的新型湿度检定箱的温度、湿度均匀度和波动度测量结果如表1和表2所示。

表1 湿度测试结果 %RH

表2 温度测试结果 ℃

测试数据表明温度波动度最大范围为±0.04 ℃，温度均匀度最大值为0.18 ℃，湿度波动度最大值为±0.2%RH，湿度均匀度最大值为0.78%RH。这两项关键技术性能优于目前气象计量部门所有在用的湿度检定箱和恒温恒湿箱。

对编号为1651002的新型湿度检定箱进行了温度和湿度均匀性测试，在测试室内取6个测试位置(上中下平面位置)进行了测试，测试结果如表3所示。

表3 温湿度性能测试

测试数据表明：新型湿度检定箱温度波动度最大范围为±0.1 ℃，温度均匀度最大值为0.2 ℃，湿度波动度最大范围为±0.3%RH，湿度均匀度最大值为0.6%RH。

上述测试数据表明，新型湿度检定箱在温湿度的均匀度和波动度指标方面高于计量标准的要求，对提高温湿度表(计)的计量能力具有重要意义。

4 结束语

文章介绍了新型湿度检定箱的设计方案，分析了湿度检定箱测试室温度、湿度均匀度和波动度的控制方法、液气换热控温和红外控湿技术。通过实际测试结果表明，新型湿度检定箱在温湿度的均匀度、稳定性和控制时间方面都优于计量规程要求，符合湿度量值传递规定。