湿度测量技术在环境试验设备中的应用探讨

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％一98％RH扩大到目前的5％一98％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
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。u=(誓)一×100％(1)绝对湿度——单位体积湿气中水蒸气的质量，用符号d，表示，其单位为kg／m3。如导 (2)
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Td表示，其单位为℃。

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，球温度计其感温部分暴露在窄气中，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，湿球温度计所指爪温度为湿球温度；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：

其中，U——相对湿度，％；
ew湿球温度所对应的纯水平液面饱和水汽压，kPa；
ew一千球温度所对应的纯水平液面饱和水汽压，kPa；
A——干湿球系数，℃--；
p大气压，kPa；
tw一湿球温度，℃；
t-干球温度，℃。
湿度与湿度敏感物质的电性质(如电阻、电容)之问存在一定的关系，利用这种原理设计的湿度计称为电子湿度计。
毛发湿度计是利用物质随湿度变化产生膨胀或收缩的特性而制成的湿度计。当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温时，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。

4在环境试验设备中的应用

4．1干湿球湿度计
干湿球湿度计分为利用自然循环风的普通干湿球湿度计和强制通风的电动通风干湿球湿度计。
电动通风于湿球湿度计虽然可以把风速稳定在一个较高的同定值(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j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。C(100。C以上适用于高压蒸煮试验箱)／50％一98％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-U、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℃／95％RH时，干湿差的误差为±0．050C时引入的相对湿度误差为-t-O．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。

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 rrds时的干湿球系数A--q)．0007947℃一1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。C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，就比较大，如在20℃／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)设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25mm，湿球底部距离水杯中水面的距离约为30ram；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。C／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℃／-1-5％RH，而环境试验设备指标是±2℃／±3％RH，其准确度比环境试验设备指标还低，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。

4．4露点仪
露点仪具有测量范嗣宽、准确度高、操作简单的特点，测量范围可以达到一80一95℃，其准确度高达o．1℃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。

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千湿球湿度计，
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。