陳為超 范雪波

(1 華云升達(dá)(北京)氣象科技有限責(zé)任公司, 北京 102299; 2 北京市氣象探測(cè)中心, 北京 100176)

引言

“十四五” 期間，中國(guó)氣象局計(jì)劃在全國(guó)地市級(jí)氣象局建立溫、壓、濕傳感器自動(dòng)化計(jì)量檢定系統(tǒng)。其中，濕度傳感器[1]計(jì)量檢定采用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字精密露點(diǎn)儀和溫濕度箱。濕度傳感器檢定規(guī)程[2-3]中規(guī)定了溫濕度箱的波動(dòng)度和均勻度要求。在檢定過(guò)程中除了溫濕度箱的波動(dòng)度和均勻度,數(shù)字露點(diǎn)儀[4]和傳感器本身存在的固有誤差[5]以外，還不可避免地存在檢定過(guò)程中的環(huán)境條件變化、標(biāo)準(zhǔn)器的露點(diǎn)傳感器和溫度傳感器在溫濕度箱中的安裝位置不同、流過(guò)露點(diǎn)傳感器的氣體流量等因素產(chǎn)生的附加誤差影響。因此，為使?jié)穸葌鞲衅鞯臋z定有一個(gè)統(tǒng)一、可靠、標(biāo)準(zhǔn)的檢定環(huán)境和正確的安裝位置，有必要通過(guò)對(duì)濕度傳感器的檢定條件進(jìn)行逐項(xiàng)測(cè)試，找出濕度傳感器的標(biāo)準(zhǔn)檢定環(huán)境條件、傳感器和標(biāo)準(zhǔn)器的正確安裝位置，形成一個(gè)規(guī)范的、標(biāo)準(zhǔn)的、可操作的實(shí)施方案，才能使?jié)穸葌鞲衅鞯臋z定結(jié)果具有準(zhǔn)確性和一致性。

1 測(cè)試及結(jié)果分析

本次測(cè)試選用國(guó)產(chǎn)精密數(shù)字式露點(diǎn)儀作為濕度傳感器的測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)器，溫濕度箱作為附屬設(shè)備(溫度控制范圍：5～30 ℃)。

相對(duì)濕度控制范圍：10%～95%；相對(duì)濕度場(chǎng)波動(dòng)度：±0.5%/30min(20 ℃時(shí))；相對(duì)濕度場(chǎng)均勻度：0.8%(20 ℃時(shí)))；升降溫速率：不小于 1 ℃/min；升降濕速率：不小于 1%/min)。

被測(cè)試件為HMP155A溫濕度傳感器，共有8支。

1.1 露點(diǎn)儀溫度傳感器放置位置測(cè)試

將露點(diǎn)儀的溫度、露點(diǎn)傳感器置入溫濕度箱中有效工作區(qū)域內(nèi)[6]，溫度傳感器安置于露點(diǎn)傳感器前端，距離露點(diǎn)傳感器的感應(yīng)端水平距離和垂直距離分別為4 cm，測(cè)試示意如圖1所示。

圖1 溫度傳感器位于露點(diǎn)傳感器前端

測(cè)試前，按照使用說(shuō)明書要求給露點(diǎn)儀上電預(yù)熱后[7]，將箱內(nèi)溫度設(shè)置為20 ℃，待箱內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定后，分別依次設(shè)置相對(duì)濕度點(diǎn)20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。測(cè)試時(shí)確保各濕度點(diǎn)充分穩(wěn)定后，再采集(錄取)露點(diǎn)儀的露點(diǎn)溫度、溫度、相對(duì)濕度值。當(dāng)全部濕度點(diǎn)測(cè)試完畢，露點(diǎn)儀的露點(diǎn)溫度傳感器位置不變，將溫度傳感器移至露點(diǎn)傳感器的后端，距離露點(diǎn)傳感器水平距離和露點(diǎn)傳感器感應(yīng)端分別為4 cm處。測(cè)試示意圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器位于露點(diǎn)傳感器后端

箱內(nèi)溫度保持不變，當(dāng)箱內(nèi)溫度區(qū)域穩(wěn)定后，再按以上濕度點(diǎn)設(shè)定箱內(nèi)濕度。當(dāng)各濕度點(diǎn)趨于穩(wěn)定時(shí)，再錄取露點(diǎn)儀相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度和溫度值。

根據(jù)露點(diǎn)儀溫度傳感器放置于露點(diǎn)傳感器前后各4 cm時(shí)，測(cè)得的不同濕度點(diǎn)上的溫度值和各濕度點(diǎn)上溫度測(cè)量誤差(溫度傳感器后置4 cm的測(cè)得值減去前置4 cm的測(cè)得值)繪制曲線如圖3和4所示。

如圖3所示，當(dāng)露點(diǎn)儀的溫度傳感器置于露點(diǎn)傳感器前后測(cè)得的溫度值的確有差別。在不同濕度點(diǎn)上都偏高于前置溫度值，而且在70%～95%濕度范圍內(nèi)，溫度偏高值較小。20%～70%濕度范圍內(nèi)，偏高值較大。究其原因，對(duì)于吸入式循環(huán)方式的溫濕度箱來(lái)講，當(dāng)溫度傳感器置于露點(diǎn)傳感器后端時(shí)，因露點(diǎn)傳感器工作時(shí)發(fā)出熱量，溫度傳感器測(cè)得的溫度值不僅是樣氣溫度，還包括露點(diǎn)傳感器工作時(shí)升高的溫度。

圖3 在露點(diǎn)傳感器前后端測(cè)得的溫度值

如圖4所示，低濕段前后測(cè)得的溫差較大，隨著相對(duì)濕度的升高，前后測(cè)得的溫差變小。溫差最小值發(fā)生在相對(duì)濕度95%點(diǎn)為0.05 ℃，溫差最大值發(fā)生在相對(duì)濕度20%點(diǎn)為0.45 ℃。溫度傳感器后置于露點(diǎn)傳感器4 cm時(shí)，相對(duì)濕度偏高0.5%。

圖4 溫度傳感器置于露點(diǎn)傳感器前后4 cm處溫差

1.2 露點(diǎn)儀測(cè)量重復(fù)性測(cè)試

露點(diǎn)儀輸出值，在不同溫度條件下的重復(fù)性(離散性)測(cè)試，表征露點(diǎn)儀在一定溫度條件下的輸出標(biāo)準(zhǔn)值的準(zhǔn)確性和一致性，為確定濕度傳感器的檢定環(huán)境條件提供數(shù)據(jù)支撐。

將露點(diǎn)儀的露點(diǎn)傳感器和溫度傳感器按圖1放置于溫濕度箱中有效工作區(qū)域內(nèi)。按照使用說(shuō)明書要求給露點(diǎn)儀上電預(yù)熱。

依次設(shè)置溫濕度箱的溫度10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃。在每個(gè)溫度點(diǎn)上當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定后，依次設(shè)置相對(duì)濕度值10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。每個(gè)濕度點(diǎn)上分別等間隔采集8次露點(diǎn)儀的測(cè)量值。計(jì)算不同溫度點(diǎn)上各濕度點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)依據(jù)8次測(cè)量值用貝塞爾公式計(jì)算出各濕度點(diǎn)上的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從圖5中可以看出，當(dāng)溫度為10 ℃時(shí)，露點(diǎn)儀測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值是0.08，最大值是0.38，不一致性為0.3。當(dāng)溫度為20 ℃時(shí)，露點(diǎn)儀測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值是0.04，最大值是0.20，不一致性為0.16。當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，露點(diǎn)儀測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值是0.05，最大值是0.36，不一致性為0.31。當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，露點(diǎn)儀測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值是0.04，最大值是0.34，不一致性為0.30。由此可見(jiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，露點(diǎn)儀測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差一致性優(yōu)于其它溫度點(diǎn)。

圖5 不同溫度點(diǎn)各濕度點(diǎn)上標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線

1.3 氣體流量對(duì)露點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試

在實(shí)際使用中，必須考慮流過(guò)露點(diǎn)傳感器的氣體流量大小對(duì)露點(diǎn)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。對(duì)此進(jìn)行了氣體流量對(duì)露點(diǎn)傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度的影響測(cè)試。

將露點(diǎn)儀露點(diǎn)傳感器和溫度傳感器置入溫濕度箱中有效區(qū)域內(nèi)，溫度傳感器距離露點(diǎn)傳感器4 cm、并高出露點(diǎn)傳感器感應(yīng)端4 cm,如圖1所示。按照露點(diǎn)儀使用說(shuō)明書要求開(kāi)機(jī)預(yù)熱。將溫濕度箱溫度設(shè)為20 ℃,將露點(diǎn)傳感器的過(guò)流孔正對(duì)氣流方向。待箱內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定后，再依次設(shè)定箱內(nèi)濕度點(diǎn)為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%。當(dāng)各濕度點(diǎn)穩(wěn)定后，再錄取露點(diǎn)儀測(cè)得的露點(diǎn)溫度值。當(dāng)所有濕度點(diǎn)測(cè)試完畢，箱內(nèi)溫度不變，溫度傳感器的位置不變。改變露點(diǎn)傳感器的過(guò)流孔位置，使之垂直于氣流方向。再重復(fù)測(cè)試以上濕度點(diǎn)上露點(diǎn)儀測(cè)得的露點(diǎn)溫度值。將露點(diǎn)儀的露點(diǎn)傳感器正對(duì)氣流方向測(cè)得的各濕度點(diǎn)上的露點(diǎn)溫度值減去氣流垂直于露點(diǎn)傳感器過(guò)流孔時(shí)，各濕度點(diǎn)上的露點(diǎn)溫度測(cè)得值，得出露點(diǎn)傳感器的各濕度點(diǎn)上的露點(diǎn)溫度差曲線如圖6。

圖6 氣流正對(duì)和垂直露點(diǎn)傳感器時(shí)露點(diǎn)溫度差

1.4 濕度傳感器溫度特性測(cè)試

曾經(jīng)對(duì)8支濕度傳感器進(jìn)行過(guò)溫度特性測(cè)試[8]。8支濕度傳感器的示值誤差(與精密露點(diǎn)儀進(jìn)行比較)無(wú)論在高濕(95%)還是低濕(40%)的情況下，都隨著測(cè)試溫度的降低而增大。其中20～30 ℃ 是誤差穩(wěn)定區(qū)間，誤差變化幅度較小，20 ℃往下誤差變化幅度增大，10 ℃往下誤差變化幅度急劇增加。濕度傳感器的示值標(biāo)準(zhǔn)偏差無(wú)論高濕還是低濕都在測(cè)試溫度為20 ℃時(shí)達(dá)到最小值，其中10 ℃和 30 ℃時(shí)都較小，10 ℃以后隨著溫度降低，標(biāo)準(zhǔn)偏差也在增大。

1.5 濕度傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)試

曾經(jīng)對(duì)濕度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(時(shí)間常數(shù))做過(guò)不同溫度條件下的時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)[9]。試驗(yàn)結(jié)論是升濕階躍響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)總體而言小于降濕階躍響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。分析原因，在進(jìn)行降濕階躍響應(yīng)時(shí)，濕度傳感器首先處于高濕環(huán)境內(nèi)，這使其響應(yīng)特性變差，時(shí)間常數(shù)變大，這跟濕度傳感器的特性一致。

試驗(yàn)采用圖解法和濕度變化法，測(cè)試了不同溫度時(shí)(15～30 ℃)，升降濕時(shí)間常數(shù)變化曲線，從變化趨勢(shì)來(lái)看，在溫度為20 ℃時(shí)，時(shí)間常數(shù)升降濕曲線在20 ℃點(diǎn)交匯，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為20 s。這就提示我們，在溫度為20 ℃時(shí)，升降濕時(shí)間常數(shù)是一致的。因此，在設(shè)置濕度傳感器的檢定環(huán)境時(shí)，20 ℃點(diǎn)是首選點(diǎn)，可減小因響應(yīng)不同步帶來(lái)的附加誤差。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)檢定條件的實(shí)際測(cè)試和對(duì)歷史資料的綜合分析得出如下結(jié)論。

(1)在進(jìn)行濕度傳感器的計(jì)量檢定時(shí)，針對(duì)吸入式溫濕度箱而言，露點(diǎn)儀的溫度傳感器應(yīng)安裝在露點(diǎn)傳感器的前端，距離露點(diǎn)傳感器和高出露點(diǎn)傳感器感應(yīng)端分別為4 cm時(shí)，溫度測(cè)量結(jié)果才不會(huì)受到露點(diǎn)傳感器熱效應(yīng)影響。

(2)露點(diǎn)儀的露點(diǎn)傳感器的過(guò)流孔必須正對(duì)氣流來(lái)向。

(3)檢定時(shí)的環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)。露點(diǎn)儀在各個(gè)濕度點(diǎn)上測(cè)得值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(離散性)最小(準(zhǔn)確度高)。

(4)各濕度點(diǎn)上的穩(wěn)定時(shí)間(當(dāng)箱內(nèi)濕度達(dá)到設(shè)定值并趨于穩(wěn)定后)應(yīng)大于或等于20 s時(shí)，露點(diǎn)儀和被檢濕度傳感器采集到的標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值才真實(shí)。