湿度测量技术在环境试验设备中的应用探讨

认证与实验室　湿度测量技术在环境试验设备中的应用探讨　Ｈｕｍｉｄｉｔｙ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　张孝华（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州５１０６１０）　Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏ－ｈｕａｆｆｈｅ　Ｆｉｆｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｌｔｉｌｅ　ｆ　ＭＩＩ．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６１０）　摘要：本文探讨了几种常用湿度测量技术在环境试验设备中的应用情况。　关键词：湿度；湿度ｉｆ；环境试验设备　中图分类号：ＴＢＩ　ｍｅｎｔ　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３－０１０７（２０１０）０９—００６３－０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ｈｕｍｊｄｆｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｅｑｕｉｐ—　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｓｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ＣＬＣ　ｎｕｍｂｅｒ：ＴＢ１　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｒｔｉｃｌｅ　ＩＤ：　１引言　湿度是描述环境舒适性的重要指标。环境试验设备是模　球温度计其感温部分暴露在空气中，用以测量环境温度为干　球温度；湿球温度计其感温部分用气象用湿球纱布包裹起来，　并设法使湿球纱布保持湿润，纱布中的水分不断向周围空气　蒸发并带走热量，使湿球的温度下降，湿球温度计所指示温度　为湿球温度；干球温度与湿球温度之差为干湿差。空气湿度越　低，干湿差越大，可以利用干球温度与湿球温度计算出空气的　相对湿度。　空气的相对湿度计算公式如下：　Ｕ：旦　ｅ　拟产品可能受到的各种自然环境影响的设备，现在环境试验　设备模拟的自然条件越来越严酷，其湿度范围也越来越宽，从　以前的５０％～９８％ＲＨ扩大到目前的５％～９８％ＲＨ，随着其湿　度范围的扩大，所用到的湿度测量技术也在发生变化。本文探　讨了几种湿度测量技术在环境试验设备中的应用。　２湿度的定义　湿度——气体中水蒸气的含量。常用相对湿度、绝对湿　度、露点温度表示湿度，它们之间有内在联系，可以通过公式　×１００％　ｆ３１　其中，Ｕ——相对湿度，％；　ｅ　一ｅ　一湿球温度所对应的纯水平液面饱和水汽压，ｋＰａ；　干球温度所对应的纯水平液面饱和水汽压，ｋＰａ；　换算。　相对湿度——湿气中水蒸气的摩尔分数Ｘ　与相同温度　和压力条件下饱和水蒸气的摩尔分数Ｘ　之比值，用符号Ｕ　表示。　Ａ——干湿球系数，℃一－；　ｐ——大气压，ｋＰａ；　ｔ　湿球温度，℃；　卜＿－干球温度，℃。　ｕ＝（　）ｎＴ　１００％　表示，其单位为ｋｇ／ｍ　。　（１）　一湿度与湿度敏感物质的电性质（如电阻、电容）之间存在　定的关系，利用这种原理设计的湿度计称为电子湿度计。　绝对湿度——单位体积湿气中水蒸气的质量，用符号ｄ　毛发湿度计是利用物质随湿度变化产生膨胀或收缩的特　ｄ　＝　争　（２）　性而制成的湿度计。　当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温时，　露点温度——压力为Ｐ、温度为Ｔ、混合比值为ｒ的湿气，　其热力学露点温度是指在此给定压力下，该湿气为水面饱和　时的温度，用符号　表示，其单位为℃。　在冷却过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变，直到空气　中的水汽达到饱和状态，该状态叫露点。通过测量露点温度来　测量相对湿度的湿度计叫露点仪。　３湿度计分类　目前比较常见的湿度计有干湿球湿度计、电子湿度计、毛　发湿度计、露点仪等。　干湿球湿度计由两支规格、准确度相同的温度计组成，干　４在环境试验设备中的应用　４．１千湿球湿度计　干湿球湿度计分为利用自然循环风的普通干湿球湿度计　２０１０第０９期　６３　Ｆ　和强制通风的电动通风干湿球湿度计。　电动通风干湿球湿度计虽然可以把风速稳定在一个较高　的固定值（如２．５ｍ／ｓ）下，保证了测量准确度，但其体积庞大，在　环境试验设备里安装极不方便。有的试验设备体积较小，无法　安装下一个电动通风干湿球温度计，更不用说按照标准要求　安装三个电动通风干湿球温度计，并且强制通风会改变试验　设备工作空间原有的温场。因此，电动通风干湿球湿度计不适　合用于环境试验箱的校准。　普通干湿球湿度计一般选用铂电阻温度计，具有准确度　高、线性好、性能稳定的优点，在５～１４０℃ｆ１００￣Ｃ以上适用于　高压蒸煮试验箱）／５０％～９８％ＲＨ的宽温湿度范围都能获得较　高的测湿准确度，目前大多数环境试验设备控湿用湿度计和　校准用的湿度计都是用干湿球湿度计，干湿球湿度计用于环　境试验设备校准有自身的很多优点：温度范围宽、体积小、方　便安装、携带方便、受温度影响较小。　根据式（３）可知干湿球湿度计准确度主要受干湿差（ｔ—ｔｗ）、　干湿球系数Ａ、大气压Ｐ等参数的影响。　当参数Ａ和Ｐ相对固定的情况下，干湿差的误差是影响　测湿准确度的主要因素，在２０￣Ｃ／９５％ＲＨ时，干湿差的误差　为±０．０５ｏＣ时引入的相对湿度误差为±０．４２％ＲＨ。　在干湿差及传感器形状等固定的情况下，风速是影响湿　度测量准确度的主要因素，风速不同，干湿球系数不同，测出　的相对湿度也不同。在不同风速下，相对湿度值如表１所示。　表１相对湿度值　测量点　风速　（温度／相对湿度）　０．４ｍ／ｓ　０．８ｍ／ｓ　２．５ｍ／ｓ　２０℃，７５％ＲＨ　７４．２８％ＲＨ　７５．００％ＲＨ　７６．５５％ＲＨ　２０℃，９５％ＲＨ　９４．８６％ＲＨ　９５．００％ＲＨ　９５．２９％ＲＨ　４０℃／７５％ＲＨ　７４．６４％ＲＨ　７５．００％ＲＨ　７５．７６％ＲＨ　４０℃／９５％ＲＨ　９４．９４％ＲＨ　９５．Ｏ０％ＲＨ　９５．１５％ＲＨ　由表１可以看出，在高湿环境下，干湿球湿度计利用环境　试验设备自身的循环风，对测得的相对湿度准确度影响是很　小的，在测量点２０℃／９５％ＲＨ处，风速从０．８ｍ／ｓ变化到２．５ｍ／ｓ　时，相对湿度最大相差０．２５％ＲＨ，对整个测量系统准确度的影　响是可以接受的。根据多年校准环境试验设备的风速数据可　以知道，目前多数设备风速在１　ｍ／ｓ左右，因此，校准环境试验　设备时以风速为０．８　ｍ／ｓ时的干湿球系数Ａ＝０．０００７９４７℃　来　计算相对湿度，不必每次都测量环境试验设备的风速。由于微　电脑技术的发展，可以用电脑采集干、湿球温度计的温度数　据，自动计算出相对湿度，使用时非常方便。　由此可见，在高湿环境下，当干湿球湿度计传感器配对时　只需要干球温度计与湿球温度计在整个温度范围内温差不超　过０．０５％就可以保证其测湿准确度达到Ｉ％ＲＨ以内。相关的　不确定度分析这里就不再详叙了。　在低湿环境下，风速对干湿球湿度计测量相对湿度影响　圈噎　质童　就比较大，如在２０ｑＥ／７５％ＲＨ处，风速从０．８ｍ／ｓ变化到２．５ｍ／ｓ　时，相对湿度最大相差１．５５％ＲＨ，环境试验设备在该点的指标　为３％ＲＨ，要求校准用干湿球湿度计测湿准确度低于Ｉ％ＲＨ　风速变化的影响已经超过该指标。同时，在低湿环境下，水分　蒸发很快，对于干湿球湿度计来说，湿球纱布供水就是一个很　难解决的问题，供水装置水杯中的水很快蒸发完，很难保证长　时间的供水；同时，水分蒸发会影响干球温度计的温度，并且　会改变试验设备温场原有的温湿度。因此，不能用干湿球湿度　计来测量试验设备的低湿状态下的相对湿度。　干湿球湿度计用于环境试验设备时应还注意以下技术　问题：　（１煅备控湿用的干湿球湿度计在安装部位应配置绝热圈，　避免热传导引入的测温误差。　（２）湿球纱布应保持清洁湿润，定期更换；测湿不准多数都　是由于湿球纱布使用不规范引起的，在现场测湿中曾经出现　最大１０％ＲＨ的误差。　（３）干、湿球温度计间的距离及供水装置水杯的位置对测　湿有影响。要求干、湿球温度计之间的距离为２５ｒａｍ，湿球底部　距离水杯中水面的距离约为３０ｍｍ；水杯放在湿球侧下方，水　杯开口不能过大，以防止水分蒸发过大造成对干球温度的　影响。　４．２电子湿度计　电子湿度计具有体积小、携带方便、操作简单、读数直观、　湿度测量范围宽的优点。普通电子湿度计准确度为５％ＲＨ，主　要用于对温湿度要求不高的环境进行监测；精密电子湿度计　准确度高的可以达到１．５％ＲＨ，主要用于对湿度要求较高的　场合。　用电子湿度计校准环境试验设备高温高湿（如４０￣／９３％　ＲＨ）时，尽管每次校准前可以对电子湿度计进行确认，但是操　作极其繁琐，而且电子湿度计长期处于高温高湿环境中，湿滞　将增加。有关测试表明，对于几种常用的湿敏传感器，湿滞最　大可达３．９％ＲＨ，最小为０．６％ＲＨ。笔者在校准试验设备时曾　经发现一台用电子湿度计控湿的设备去年湿度是合格的，但　是今年高湿条件下湿度相差２０％ＲＨ，但是低湿是合格的，用　户都不知道其湿度传感器何时出现的故障，估计是传感器过　饱和后发生漂移所致，因此不适合用于环境试验设备的高湿　环境的测量。但是，在低湿环境条件时，用电子湿度计作为环　境试验设备的控湿及校准用湿度计，不用安装湿球纱布供水　系统，也不必担心供水系统改变原有温场的温湿度，安装方　便、读数直观。　从目前的技术条件来看，电子湿度计是低湿试验设备的　控湿及校准湿度计的较好选择。　４．３毛发湿度计　毛发湿度计由于温度使用范围窄，一般为一２０～５０￣Ｃ，准　确度低，其准确度为±２℃／４－５％ＲＨ，而环境试验设备指标　是±２￣Ｃ／±３％ＲＨ，其准确度比环境试验设备　下转７５页　—■）　认证与实验室　成为接收系统不稳定或破坏系统正常工作的潜在危险因素。　是开放式的微带线电路。这种电磁干扰现象可以通过屏蔽的　方式采用封闭的金属屏蔽层将干扰源和干扰回路包围起来，　因此，平面电路要采用大面积接地，特别对于高增益和高频率　的电路部分。另外，接收机采用的是多级电路的结构，多级电　路的接地应注意避免各级之间通过公共阻抗而形成干扰。各　这样可以大大降低信号泄露的问题。在接收机电路中，可以采　用高导电率的铜板或铝板将电路包在里面，这时，外面的磁通　进不去，里面的磁通出不来。不同的功能电路划分不同的腔　室，以分别形成的屏蔽空间，保护了电路，也防止了串扰。　这种屏蔽结构接地时，能阻断电力线的进出，所以兼有静电屏　蔽的作用。　（２）高密度安装　在微波频段，各种寄生效应极易产生，通常电路板上高密　度地安装电路器件，采用模块化分立型集成电路而使表面积　级电路的接地必须按照一定的顺序连接，即地线中的电流流　向必须是由小信号单元流向大信号单元，同时要避免环行接　地回路的出现，以免大信号对小信号造成影响。　３．２印制电路板设计的考虑　在射频接收机系统中，抗干扰性能的好坏与设计的印制　电路板有很大关系。信号在电路板中传输，经过电路板地线就　必然产生返程电流，根据电磁感应，有返程电流就会产生磁　场，而交变磁场又能产生电场。因此，印制电路板上一般都有　缩小时，可以使电路不易受噪声影响。高密度的安装大大缩短　了同一电气网络互连线，从而减小了传输阻抗和电路的各种　寄生参数对电路性能的影响。同时，电路内部温度也分布均　辐射信号存在，从而造成干扰。而对于射频信号来说，这种辐　射会更加严重。因此，合理的设计印制电路板的地线图形，使　返程电流造成的干扰辐射信号不产生或产生尽可能小的　影响。　匀，电路的可靠性也可以得到提高。在高密度安装的同时，要　注意各个器件的合理布局，避免不同频率之间的耦合问题，可　以通过加隔离板的方法使不同频率的信号成腔。　作为射频微波电路印制板，地线一般都要大面积接地，电　路板底部通常全部铺地，而且正面也通过接地通孑Ｌ大面积铺　地，从而减少能量泄漏，降低电磁干扰。在电路的布局上，一般　４结束语　射频接收机系统在良好电路性能精心设计的同时，必须　都是按照信号的传输方向按直线排布，从而减小多级放大电　路之间的信号耦合以及输出和输入信号之间的耦合干扰。同　时还应注意滤波去耦电容和旁路电容接地的位置，使放大器　等的返回电流或由负载返回的电流经过最短的路径和相互之　间最小的耦合回到放大器中。　同时，印制电路板中印制电路图形必须使高频能量返回　要有合理的电磁兼容考虑，否则会直接影响电路性能。另外，　合理的电磁兼容考虑除了电路设计师外，还需要工艺和结构　设计师的配合，这样才能达到最佳效果。　参考文献：　【１］蔡仁钢．电磁兼容原理、设计和预测技术【ＭＩ．北京：北京航天　航空大学出版社，１９９７．　路径尽可能地靠近高频电流传输路径，以使闭合环路产生紧　密耦合。馈电线的去耦电容应有效地抑制电源杂波干扰信号，　而旁路电容应使返回电流路径最短。另外，采用多层板并合理　设计有利于抑制电磁干扰。　【２】钟道隆．通信系统中的电磁干扰和屏蔽接地［Ｍ］．北京：国防工　业出版社，１９９７．　【３】高峰，谢清玲．雷达接收机的电磁兼容设计ｆＪ１．火控雷达技术，　３．３电路盒体结构设计的考虑　（１）屏蔽　２００６．（１２）：７８—８２．　在接收机中不同功能的电路之间可能会互相串扰，特别　甘；　．：一　：～　ｑ一　一　墙：～　一《一　～《～≯畸斗ｄ－Ｉ－　咔－Ｘ－Ｆ　一　一　・：～　．’．一一　上接Ｂ４页　指标还低，因此不适合用于环境试验设备的校准及确认。有的　用户用毛发湿度计来确认环境试验设备，这样不能达到目的，　同时还容易损坏毛发湿度计。　５结束语　以上是几种常见湿度计在环境试验设备中的应用探讨。　由此可见，环境试验设备所用湿度计主要选择干湿球湿度计，　只有在低湿环境下才选择电子湿度计，而毛发湿度计不适合　用于环境试验设备的控湿和校准；露点仪不宜用于环境试验　设备的校准。　４。４露点仪　露点仪具有测量范围宽、准确度高、操作简单的特点，测　量范围可以达到一８０～９５℃，其准确度高达０．１　ｏＣ露点温度。　其准确度足够校准环境试验设备，但是环境试验设备一般是　在客户现场校准，因露点仪体积较大，携带不方便，而且价格　昂贵，因此，露点仪也不宜用于环境试验设备的校准。　参考文献：　【１］元天佑．化学计量（上）【Ｍ】．北京：原子能出版社，２００２．　【２】李英干，范金鹏．湿度测量［Ｍ］．北京：气象出版社，１９９０　２０１０第０９期　困