環(huán)境試驗(yàn)用干濕球濕度計(jì)溯源研究
嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-12-18 18:46
環(huán)境試驗(yàn)用干濕球濕度計(jì)的測(cè)量誤差無(wú)法校準(zhǔn)，核心原因在于干濕球系數(shù)A無(wú)法校準(zhǔn)，針對(duì)該問(wèn)題，我們立項(xiàng)研究解決了它的校準(zhǔn)問(wèn)題，并編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范《JJG(軍工）229—2020鉑電阻式干濕球濕度計(jì)檢定規(guī)程》。 本文通過(guò)分析環(huán)境試驗(yàn)濕度測(cè)量中使用的干濕球濕度計(jì)的測(cè)量原理，分析干濕球濕度計(jì)的干濕球系數(shù)A，提出校準(zhǔn)干濕球系數(shù)A的方法，進(jìn)一步提出校準(zhǔn)干濕球濕度計(jì)的濕度，解決干濕球濕度計(jì)濕度測(cè)量的溯源問(wèn)題。
引言
環(huán)境試驗(yàn)的濕度測(cè)量，通常使用干濕球濕度計(jì)。在GB/T 5170.5 、JJF 1270 等標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定使用干濕球濕度計(jì)測(cè)量濕度。
量值傳遞中使用的干濕球濕度計(jì)，通常采取強(qiáng)制通風(fēng)的方法，制成通風(fēng)干濕表，在恒定的風(fēng)速下獲得一個(gè)準(zhǔn)確的干濕球系數(shù)A。而環(huán)境試驗(yàn)用的干濕球濕度計(jì)，使用方法與有固定風(fēng)速的通風(fēng)干濕表不同，它借用了試驗(yàn)設(shè)備本身的循環(huán)風(fēng)速，試驗(yàn)設(shè)備的循環(huán)風(fēng)速因不同位置而不同，也因不同設(shè)備而不同。也就是說(shuō)，環(huán)境試驗(yàn)用的干濕球濕度計(jì)，因?yàn)闆](méi)有固定的風(fēng)速，它的干濕球系數(shù)A是一個(gè)未知數(shù)。因此，無(wú)法知道它的濕度測(cè)量誤差，即它的濕度測(cè)量存在溯源問(wèn)題。
概述
01、濕熱試驗(yàn)的濕度測(cè)量
濕熱試驗(yàn)是模擬實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的溫濕度環(huán)境,用于各種材料、部件或整機(jī)產(chǎn)品的溫濕度環(huán)境的適應(yīng)性試驗(yàn)。一般而言，模擬實(shí)際使用中可能出現(xiàn)的溫濕度環(huán)境的濕熱試驗(yàn)，需要的時(shí)間太長(zhǎng)，此時(shí)為縮短濕熱試驗(yàn)的時(shí)間，獲得與正常溫濕度使用條件相近似的效果，進(jìn)而采用加速的濕熱試驗(yàn)。
所謂加速的濕熱試驗(yàn)，是指加大濕熱試驗(yàn)的量值，即在給定濕度的條件下，把溫度量值提高，從而達(dá)到濕熱試驗(yàn)的加速作用。加速的濕熱試驗(yàn)，在實(shí)際使用的自然大氣環(huán)境中不可能出現(xiàn)。
65℃、95%RH，85℃、85%RH，90℃、95%RH等，是常見(jiàn)的加速的濕試驗(yàn)，這樣加速的濕熱試驗(yàn)，在自然大氣環(huán)境中不可能發(fā)生。因此，加速的濕熱試驗(yàn)的濕度測(cè)量，通常是高溫高濕的測(cè)量。
02、量值傳遞的濕度測(cè)量
量值傳遞中的濕度測(cè)量，通常是常溫下或溫度范圍變化不大的濕度測(cè)量。國(guó)家JJG 2046濕度計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表規(guī)定，在溫度（5～50）℃范圍內(nèi)量傳濕度。
濕度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具和濕度計(jì)量工作器具，實(shí)際量傳濕度的溫度范圍，如JJG205、JJF1076等，比國(guó)家JJG 2046濕度計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表的溫度范圍要小。
主要測(cè)量?jī)x器
對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)以高溫為特征的濕度測(cè)量，目前常用的各種濕度測(cè)量方法中，合適的只有冷凝露點(diǎn)法、電濕度法（電阻法、電容法）、干濕球法三種。
（1）冷凝露點(diǎn)法。采用冷凝露點(diǎn)法研制生產(chǎn)的露點(diǎn)儀，價(jià)格昂貴，測(cè)量成本高，在環(huán)境試驗(yàn)的濕度測(cè)量中基本不采用。
（2）電濕度法。采用電濕度法研制生產(chǎn)的濕度傳感器或濕度計(jì)，在高溫高濕的測(cè)量中，穩(wěn)定性和重復(fù)性不理想，在環(huán)境試驗(yàn)的濕度測(cè)量中使用也不多。
（3）干濕球法。干濕球法采用兩支溫度計(jì)組成干濕球濕度計(jì)。溫度計(jì)通常具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，因而由兩支溫度計(jì)組成的干濕球濕度計(jì)，在高溫高濕測(cè)量中具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，且成本低廉，在濕熱試驗(yàn)的濕度測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。濕熱試驗(yàn)設(shè)備的濕度控制測(cè)量，大部分采用干濕球濕度計(jì)。
干濕球濕度計(jì)
01、測(cè)量原理
通常，采用兩支型號(hào)相同的溫度計(jì)組成干濕球濕度計(jì)。其中一支溫度計(jì)用于測(cè)量空氣的溫度，該溫度計(jì)通常叫作干球溫度計(jì)。另一支溫度計(jì)，用紗布把它的感溫部包起來(lái)，紗布下端放置在裝有純水的容器中，使溫度計(jì)感溫部的紗布保持濕潤(rùn)，該溫度計(jì)通常叫作濕球溫度計(jì)。由于紗布中水分蒸發(fā)帶走熱量，使?jié)袂驕囟扔?jì)測(cè)量得到的溫度，低于空氣溫度。濕球溫度計(jì)感溫部紗布水分蒸發(fā)的快慢，與空氣中的濕度相關(guān)，空氣濕度越低，濕球溫度計(jì)測(cè)量得到的溫度越低?？諝獾臐穸?，與測(cè)量得到的干球溫度和濕球溫度存在函數(shù)關(guān)系 。
干濕球濕度計(jì)濕度測(cè)量理論計(jì)算公式如下。
式中：
U—相對(duì)濕度，%RH；
e—實(shí)際水氣壓，kPa；
ew—干球溫度所對(duì)應(yīng)的純水平液面飽和水氣壓，kPa；
etw—濕球溫度所對(duì)應(yīng)的純水平液面飽和水氣壓，kPa；
A—干濕球系數(shù)，℃-1；
P—空氣的氣壓，kPa；
t—干球測(cè)得的溫度，℃；
tw—濕球測(cè)得的溫度，℃；
T0—水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度，273.16 K；
T—干球溫度t或tw濕球溫度的熱力學(xué)溫度，等于273.15+t（或tw）。
02、干濕球系數(shù)A
干濕球濕度計(jì)濕度測(cè)量的理論研究和實(shí)踐都已表明，干濕球系數(shù)A，除了與風(fēng)速有關(guān)之外，還與濕球溫度計(jì)的尺寸、形狀有關(guān)。干濕球系數(shù)A隨每一具體的干濕球濕度計(jì)的不同而不同，需要由比它高的濕度標(biāo)準(zhǔn)確定它的干濕球系數(shù)A。
圖1是針對(duì)規(guī)定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計(jì)為干濕球濕度計(jì)的球狀干濕球、柱狀干濕球，在常溫下其干濕球系數(shù)A與風(fēng)速關(guān)系的研究結(jié)果。
圖1 風(fēng)速與干濕球系數(shù)關(guān)系圖
由圖1可以看出，規(guī)定尺寸和形狀的玻璃水銀溫度計(jì)為干濕球濕度計(jì)，其球狀干濕球與柱狀干濕球的干濕球系數(shù)A，低風(fēng)速與高風(fēng)速的顯著差別。
基于干濕球濕度計(jì)的干濕球系數(shù)A與風(fēng)速、干濕球濕度計(jì)的尺寸及形狀有關(guān)的研究，國(guó)際氣象組織機(jī)構(gòu)研究出一種以玻璃水銀溫度計(jì)為干濕球濕度計(jì)的通風(fēng)干濕表，即用玻璃水銀溫度計(jì)測(cè)量干濕球溫度，并嚴(yán)格規(guī)定玻璃水銀溫度計(jì)的形狀和尺寸，同時(shí)使用強(qiáng)制通風(fēng)的方法，給予干濕球濕度計(jì)恒定的風(fēng)速。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)通風(fēng)速度在（3～4）m/s時(shí)，得到其干濕球系數(shù)A約為0.00067℃-1。國(guó)內(nèi)外研究以特定的通風(fēng)結(jié)構(gòu)、玻璃水銀溫度計(jì)為干濕球濕度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)干濕表，實(shí)驗(yàn)得到的干濕球系數(shù)A實(shí)際上也存在差異。
我國(guó)編制的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 6999—2010環(huán)境試驗(yàn)用相對(duì)濕度查算表》，適用范圍中明確規(guī)定，僅適用于用玻璃水銀溫度計(jì)為干濕球濕度計(jì)的濕度測(cè)量。該查算表只是給出了有限的幾個(gè)干濕球系數(shù)A。
溯源
濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計(jì)，采取強(qiáng)制通風(fēng)制作成通風(fēng)干濕表，依靠風(fēng)機(jī)獲得恒定的風(fēng)速，因而獲得一個(gè)恒定干濕球系數(shù)A。它的濕度測(cè)量誤差，可以由高一級(jí)濕度標(biāo)準(zhǔn)直接校準(zhǔn)，因而不存在溯源問(wèn)題。
與濕度量值傳遞中使用的干濕球濕度計(jì)測(cè)量濕度不同，環(huán)境試驗(yàn)使用的干濕球濕度計(jì)，借用了設(shè)備本身工作空間內(nèi)空氣循環(huán)的風(fēng)速，此風(fēng)速因不同位置而不同，也因不同設(shè)備而不同。同時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)使用的干濕球濕度計(jì)，出于讀數(shù)不方便或不能讀數(shù)的原因，不能采用兩支玻璃水銀溫度計(jì)來(lái)組成干濕球濕度計(jì)，而是一般采用兩支鉑電阻溫度計(jì)組成干濕球濕度計(jì)。顯然，兩支鉑電阻溫度計(jì)組成的干濕球濕度計(jì)，不能使用GB/T 6999給出的干濕球系數(shù)A,它的干濕球系數(shù)實(shí)際上是個(gè)未知數(shù)，它的濕度測(cè)量誤差，不能由高一級(jí)濕度標(biāo)準(zhǔn)直接校準(zhǔn)，因而存在溯源問(wèn)題。
校準(zhǔn)
01、校準(zhǔn)項(xiàng)目
從干濕球濕度計(jì)的濕度計(jì)算公式可以看出，干濕球濕度計(jì)測(cè)量濕度是否準(zhǔn)確，除了與干球溫度、濕球溫度的測(cè)量是否準(zhǔn)確有關(guān)外，還與干濕球系數(shù)A是否準(zhǔn)確有關(guān)。
當(dāng)然，還需要準(zhǔn)確測(cè)量空氣的氣壓，空氣氣壓由氣壓計(jì)測(cè)量所得，與干濕球濕度計(jì)無(wú)關(guān)。相反，干濕球系數(shù)A與干濕球濕度計(jì)密切相關(guān)，即與干濕球濕度計(jì)特定的形狀、尺寸、以及流過(guò)濕球的風(fēng)速有關(guān)。
因此，按照干濕球理論，干濕球濕度計(jì)需要校準(zhǔn)干球溫度計(jì)、濕球溫度計(jì)的溫度測(cè)量誤差，同時(shí)，還需要校準(zhǔn)干濕球系數(shù)A在不同風(fēng)速條件下的準(zhǔn)確值，然后才能校準(zhǔn)它的濕度測(cè)量誤差。
02、溫度校準(zhǔn)
利用比較的方法，把干球溫度計(jì)、濕球溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，放置在液體恒溫槽中同一位置，同時(shí)測(cè)量恒溫槽該位置中的液體溫度，比較干球溫度計(jì)、濕球溫度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測(cè)量值，則可得到干球溫度計(jì)、濕球溫度計(jì)的溫度測(cè)量誤差。
03、干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)
把濕度標(biāo)準(zhǔn)器、干濕球濕度計(jì)放置在風(fēng)速可調(diào)的溫濕度源中，濕度標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量溫濕度源的濕度，干濕球濕度計(jì)測(cè)量干球溫度和濕球溫度，同時(shí)用氣壓計(jì)測(cè)量溫濕度源的氣壓。按照干濕球理論的相對(duì)濕度計(jì)算公式，以濕度標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)得值為標(biāo)準(zhǔn)濕度值，可以反算出干濕球系數(shù)A，如下公式。
保持溫濕度源的濕度不變，改變流過(guò)濕球溫度計(jì)的風(fēng)速，此時(shí)濕球溫度發(fā)生變化，從而得到不同風(fēng)速條件下的干濕球系數(shù)A。
04、濕度校準(zhǔn)
干濕球濕度計(jì)在校準(zhǔn)干濕球溫度、干濕球系數(shù)A之后，就可以校準(zhǔn)它的實(shí)際濕度測(cè)量誤差了。
同理，把濕度標(biāo)準(zhǔn)器、干濕球濕度計(jì)放置在溫濕度源中，濕度標(biāo)準(zhǔn)器和干濕球濕度計(jì)分別測(cè)量溫濕度源的濕度，比較它們的測(cè)量值，則可得到干濕球濕度計(jì)的濕度測(cè)量誤差。
因此，通過(guò)校準(zhǔn)干濕球濕度計(jì)的溫度測(cè)量誤差和干濕球系數(shù)A，則可校準(zhǔn)干濕球濕度計(jì)的濕度測(cè)量誤差，解決它的溯源問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
01、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
選用2支AA級(jí)鉑電阻溫度計(jì)組成干濕球濕度計(jì)，按照上述干濕球濕度計(jì)的溫度校準(zhǔn)方法，選用一等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為溫度標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)溫電橋、數(shù)據(jù)采集器、恒溫槽為配套設(shè)備。把標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和干濕球濕度計(jì)，插入恒溫槽中足夠深的同一水平面上，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，用測(cè)溫電橋測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的溫度，用數(shù)據(jù)采集器測(cè)量測(cè)量干濕球濕度計(jì)的溫度。
通過(guò)校準(zhǔn)0℃、50℃、100℃3個(gè)溫度點(diǎn)，可以在0℃～100℃測(cè)量范圍內(nèi)重新分度，提高干濕球濕度計(jì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
2.干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
按照上述的干濕球濕度計(jì)的干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)方法，選用一級(jí)精密露點(diǎn)儀為濕度標(biāo)準(zhǔn)，溫濕度源采用溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱，風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置采用小型風(fēng)洞，以及選用數(shù)據(jù)采集器、精密風(fēng)速計(jì)和氣壓計(jì)。
小型風(fēng)洞平放在溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)的樣品架上，并作相應(yīng)的固定。氣壓計(jì)的取氣口安裝在小型風(fēng)洞旁邊，精密露點(diǎn)儀的溫度傳感器和取樣管口安裝在小型風(fēng)洞進(jìn)氣口前方。
濕球溫度計(jì)穿過(guò)小型風(fēng)洞安裝在有效風(fēng)場(chǎng)的位置上，并套上濕球紗布直至測(cè)量引線(xiàn)處，濕球紗布穿出小型風(fēng)洞浸入裝有蒸餾水的水杯（帶蓋）內(nèi)。干球溫度計(jì)穿過(guò)小型風(fēng)洞安裝在濕球溫度計(jì)前方偏左或偏右位置上，以不遮擋濕球溫度計(jì)即可。精密風(fēng)速計(jì)傳感器穿過(guò)小型風(fēng)洞垂直安裝在濕球溫度計(jì)旁邊，如圖2。
圖2 干濕球濕度計(jì)、風(fēng)速計(jì)探頭在小型風(fēng)洞內(nèi)的安裝示意圖
測(cè)量干濕球系數(shù)A，測(cè)量順序風(fēng)速由低到高，調(diào)節(jié)小型風(fēng)洞的控制輸出，直到精密風(fēng)速計(jì)測(cè)得值穩(wěn)定在某一值時(shí)為止，待溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱的溫濕度穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量。
選擇在23℃、30%RH時(shí)，風(fēng)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(zhǔn)干濕球系數(shù)A。
02、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.溫度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照干濕球濕度計(jì)溫度校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。
表1 溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果
干濕球濕度計(jì)在校準(zhǔn)0℃、50℃、100℃后重新分度，得到新的R0值、分度系數(shù)a和分度系數(shù)b，按新分度值測(cè)量其它溫度點(diǎn)的溫度示值誤差，結(jié)果如表2。
表2 重新分度后溫度示值誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，干濕球系數(shù)A在23℃、30%RH下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表3。
表3 干濕球系數(shù)A實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.濕度示值誤差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照濕度示值誤差校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，濕度示值誤差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表4。
表4 濕度示值誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論
從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，通過(guò)校準(zhǔn)不同風(fēng)速條件下的干濕球系數(shù)A，借用環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中循環(huán)風(fēng)速的干濕球濕度計(jì)，濕度測(cè)量誤差約為±0.4%RH。由于環(huán)境試驗(yàn)濕度允許偏差一般為±3%RH，干濕球濕度計(jì)的濕度測(cè)量誤差，小于環(huán)境試驗(yàn)濕度允許偏差約1/8，可以滿(mǎn)足環(huán)境試驗(yàn)濕度測(cè)量的量值傳遞要求。
結(jié)束語(yǔ)
環(huán)境試驗(yàn)用干濕球濕度計(jì)，利用設(shè)備本身循環(huán)風(fēng)速的測(cè)量方法，同時(shí)選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 6999—2010環(huán)境試驗(yàn)用相對(duì)濕度查算表》中的干濕球系數(shù)A，它的測(cè)量值顯然是不準(zhǔn)確的，同時(shí)沒(méi)有溯源性。我們通過(guò)立項(xiàng)研究，解決了干濕球濕度計(jì)的干濕球系數(shù)A校準(zhǔn)問(wèn)題，同時(shí)編制了鉑電阻式干濕球濕度計(jì)的行業(yè)檢定規(guī)程，解決了環(huán)境試驗(yàn)用干濕球濕度計(jì)濕度測(cè)量的溯源問(wèn)題。
作者：陳鉬，劉虹君，伍偉雄，孫正璐，周裕華，陳雪霞
單位：工業(yè)和信息化部電子第五研究所
簡(jiǎn)介：陳 鉬，高級(jí)工程師，主要從事熱學(xué)、電磁學(xué)的計(jì)量技術(shù)研究工作和計(jì)量管理工作。
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