工作用濕度計量器具的比較與選擇

徐慧娟

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，杭州 310019)

0　引言

隨著科技的飛躍發(fā)展，濕度，作為一個重要的物理量，愈來愈得到人們的重視。在氣象領(lǐng)域，隨著生活水平的提高，相對濕度成為衡量空氣質(zhì)量和居住適宜程度的一個指標(biāo)；在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域，尤其是在我們熟知的醫(yī)藥行業(yè)、電子行業(yè)和食品行業(yè)，濕度是控制產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要條件。然而，人們對濕度的認(rèn)識，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對溫度的研究和計量那樣精確和完善。為了創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境和理想的生產(chǎn)條件，必須對環(huán)境濕度進(jìn)行計量和控制。近年來，濕度測量技術(shù)發(fā)展很快，儀器方法種類繁多，但是如何選擇一款合適的濕度計量器具，成為很多企事業(yè)單位越來越關(guān)心的問題。

1　濕度計的分類、工作原理及其特性分析

濕度即空氣中水蒸氣的含量，可以用相對濕度來表示。目前市場上存在的測量濕度的計量器具主要有三類：機械式濕度計、干濕球濕度計以及濕度傳感器。這三類濕度計，市場價格差異甚大，機械式濕度計、干濕表，最便宜的不過十幾元，而濕度傳感器，單通道的手持表也要幾千到上萬。論準(zhǔn)確度，機械式濕度計在40～70％RH之間，示值誤差只能達(dá)到小于±5％RH，而高準(zhǔn)確度的濕度傳感器卻已經(jīng)可以做到小于±0.5％RH。如何選擇一款經(jīng)濟(jì)實惠、持久耐用，又能滿足測量準(zhǔn)確度要求的濕度計？筆者根據(jù)從事濕度計量近十年來的經(jīng)驗，對這三類濕度計的工作原理、特性及使用注意情況，分別進(jìn)行分析說明，希望能對使用或選購濕度計的企事業(yè)各位同仁作一份參考。

1.1　利用物質(zhì)幾何尺寸變化的機械式濕度計

毛發(fā)、尼龍、聚酰亞胺等有機高分子材料的幾何尺寸都會隨著相對濕度的變化而發(fā)生變化。機械式濕度計就是利用這一特性，將上述材料制成線裝，帶狀感濕元件或涂覆在彈性材料上卷成游絲狀感濕元件，然后，通過機械放大裝置改變引起的幾何量變化，并用指針指示出來或用記錄筆記錄下來，從而直接指示相對濕度[1]。

機械式濕度計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉，其中毛發(fā)濕度計通過定期清洗維護(hù)保養(yǎng)，使用壽命可達(dá)數(shù)十年。從送檢的樣品統(tǒng)計，機械式濕度計仍占所有濕度類計量器具總量的的70％。以此可看出，即使在科技高度發(fā)達(dá)的今天，從濕度計量的現(xiàn)狀和要求來看，機械式濕度計仍占有較大的市場份額，這一方面說明了它們的使用價值。

機械式濕度計的準(zhǔn)確度較低，不經(jīng)過檢定和調(diào)整，大部分是無法達(dá)到JJG 205—2005《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》所要求的示值誤差范圍。但因濕度檢定校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置價格昂貴，一般生產(chǎn)企業(yè)不具備檢定校準(zhǔn)能力。使用中的機械式濕度計更要進(jìn)行定期檢定，如毛發(fā)式濕度計的毛發(fā)，是隨時間而伸長的，放大倍率的調(diào)整不可避免，濕度計的零點更不可能固定不變，調(diào)整一般只有在濕度計的檢定過程中進(jìn)行。在沒有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可以把毛發(fā)加濕，然后把示值調(diào)整到96％RH(不是100％RH)，但是由于濕度接近飽和時毛發(fā)的變化特性非常復(fù)雜，這樣做準(zhǔn)確度沒有保證[2]。因此，我們不建議使用機械式濕度計的企事業(yè)自行調(diào)整濕度計。

機械式濕度計使用范圍有限，非線性變化、滯后、漂移和響應(yīng)慢等固有缺點幾乎是無法改善的。如果在低濕環(huán)境下長期放置，會影響其特性，必須置于濕度為95％以上的條件下恢復(fù)并經(jīng)過校準(zhǔn)才能使用。毛發(fā)受污染后會使其靈敏度下降，是毛發(fā)濕度計檢定不合格的主要原因，但經(jīng)清洗調(diào)整后絕大部分都能檢定合格。另外，運輸或振動搖擺也會破壞其性能。

1.2　自然通風(fēng)式干濕球濕度計

干濕球由兩支規(guī)格完全相同的溫度計組成，一支為干球溫度計，溫泡暴露在空氣中，用以測量環(huán)境溫度，即干球溫度，另一支為濕球溫度計，其溫泡用特制紗布包裹，通過上水芯子與盛有純水的容器相連，使紗布套保持濕潤。當(dāng)濕球周圍空氣處于不飽和狀態(tài)時，濕球紗布套上的水分不斷蒸發(fā)，水份蒸發(fā)需要吸收熱量，從而使?jié)袂虻臏囟认陆?，其示值即為濕球溫度[2]?？諝獾臐穸扰c干、濕球溫度呈函數(shù)關(guān)系。

建立在對流熱平衡和擴散理論基礎(chǔ)上的干濕球濕度測量具有堅實的理論基礎(chǔ)，盡管不能說完美無缺，然而，這種方法在測濕法中一直占有牢固的地位。干濕球濕度計的測量誤差主要來自于溫度測量誤差、風(fēng)速大小、濕球的污染和紗布上水套的影響。

溫度測量誤差來自于組成干濕球濕度計的兩只溫度計的溫度的不確定度。例如，在干球溫度為20.0℃，風(fēng)速為0.8m/s的條件下，當(dāng)濕球溫度為15.2℃，根據(jù)《濕度查算表》，相對濕度為60％RH；當(dāng)濕球溫度為15.3℃，相對濕度為61％RH?？梢?，溫度讀數(shù)相差0.1℃，就有1％RH的誤差。

自然通風(fēng)型的干濕表處于自然通風(fēng)狀態(tài)，按《濕度查算表》，一般普通球狀干濕表風(fēng)速要控制在0.8m/s，但風(fēng)速的變化隨機性很大，不能控制，因此，不能達(dá)到很高的準(zhǔn)確度，一般只用于濕度測量準(zhǔn)確度要求不高的場合。

最后，想要保證生產(chǎn)出來的產(chǎn)品與焊接質(zhì)量方面的要求相符就必須對現(xiàn)場工藝紀(jì)律的監(jiān)管力度進(jìn)行一定的強化，并且在此基礎(chǔ)之上還需要從嚴(yán)對監(jiān)管工作進(jìn)行一定的考核。在合理制定焊接工藝的基礎(chǔ)之上還需要要求焊接工藝技術(shù)人員對于現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員的工作進(jìn)行積極的配合，還要與相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)管人員進(jìn)行及時和良好的溝通，通過這樣來由三者共同指導(dǎo)相關(guān)的焊接人員在實際焊接工作開展期間嚴(yán)格的依照工藝紀(jì)律。而且這樣做的好出在于還能保證焊接工作開展過程的安全性，以此為基礎(chǔ)還能使產(chǎn)品的質(zhì)量水平得到最大程度的提高。

濕球的紗布上水套長時間使用后會變質(zhì)，從而使?jié)袂虻钠胶鉁囟劝l(fā)生漂移，干濕差變小。因此，必須定期或及時更換紗布上水套。在安裝紗套時，應(yīng)將手洗凈，以免人手上的油脂污染紗布，從而影響濕球溫度的測量。另外，濕球上的紗套應(yīng)使用專用紗套，紗套的吸水性、紗線密度、厚度等性能都會影響濕球溫度的測量。

1.3　濕度傳感器

濕度傳感器是由濕敏電容、濕敏電阻或濕敏諧振器等濕敏元件及其變化電路組成的，能直接顯示相對濕度的濕度計，或者能輸出電壓、電流和頻率等數(shù)字量可測信號的傳感器[3]。

濕度傳感器的種類很多，大體上可分為三大類：電解質(zhì)濕度傳感器、半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器和高分子濕度傳感器。其中，高分子濕度傳感器雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，是目前研究最多，應(yīng)用較廣的一類濕度傳感器，可分為電容式、電阻式和光學(xué)式等，并以前兩類為主。它以響應(yīng)快、靈敏度高、抗環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點，已逐步取代其他類型濕度傳感器，占據(jù)市場的主要地位[4]。

電阻式濕度傳感器的濕敏元件為濕敏電阻。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用該特性即可測量濕度。

濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

薄膜型高分子電容式濕度傳感器是目前最優(yōu)秀的一類濕度傳感器，經(jīng)常采用的感濕材料有醋酸纖維素、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸脂以及其它復(fù)合有機聚合物等。其中聚酰亞胺高分子濕度傳感器由于具有長期穩(wěn)定性、耐高溫性和耐腐蝕性，引起了人們的普遍重視，在精密加工、電子、軍工及高科技領(lǐng)域都得到應(yīng)用。

高分子電容式濕度傳感器作為第三代濕度傳感器的代表，由于具有測濕范圍寬、響應(yīng)速度快、溫漂小、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點，已得到了廣泛的應(yīng)用，占有濕度傳感器70％市場[5]。

2　濕度計的選擇方法

2.1　從使用范圍考慮

從儀器的示值范圍來看，所有的濕度計都是0～100％RH，但機械式濕度計和自然通風(fēng)式干濕球濕度計只適合溫度在5～50℃，相對濕度30～90％RH范圍之間使用，而濕度傳感器，尤其是高分子電容式濕度傳感器，在10～90％RH范圍之間線性度比較好，準(zhǔn)確度可以達(dá)到技術(shù)要求，而在95％RH以上，目前，市場上濕度計量器具均不能保證滿足其準(zhǔn)確度要求。相對濕度在10％RH以下，此三類的濕度計均不能滿足要求，可以考慮選用露點儀。

2.2　從測量準(zhǔn)確度考慮

根據(jù)JJG 205—2005《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》，機械式濕度計、干濕表在溫度20℃，40～70％RH之間，示值誤差不得大于±5％RH，而在40％RH以下，70％RH以上，示值誤差不得大于±7％RH。而濕度傳感器，尤其是國外生產(chǎn)商研制的濕度傳感器，示值誤差基本都可以滿足±3％RH，高準(zhǔn)確度傳感器甚至可以做到小于±0.5％RH，可使用溫度范圍也比較大，有部分型號高溫下也可以使用。

筆者查閱過大部分計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，一般實驗室對濕度的要求只要濕度控制在75％RH以下，機械式濕度計即可滿足要求。而有些要求嚴(yán)格的實驗室，例如天平、砝碼、量具和電學(xué)類測量儀表，對溫度，濕度要求相對要高一些，建議使用示值誤差在±3％RH以內(nèi)的濕度傳感器。

對企業(yè)單位使用的濕度計量器具，建議既要考慮相關(guān)行業(yè)對環(huán)境濕度的要求，也要考慮經(jīng)濟(jì)性，在滿足要求的前提下盡量降低成本。

2.3　從響應(yīng)時間、使用壽命、長期穩(wěn)定性考慮

這三類濕度計，毛發(fā)濕度計的響應(yīng)時間最長，一般三分鐘到十幾分鐘不等，濕度傳感器的響應(yīng)時間最短，一般也就十幾秒。

機械式濕度計和通風(fēng)式干濕球濕度計，雖然準(zhǔn)確度沒有濕度傳感器高，但這兩類濕度計都是屬于維護(hù)比較容易的，通過調(diào)整和清洗等可以恢復(fù)使用。只要不損壞，可以使用數(shù)十年。而濕度傳感器，在實際使用當(dāng)中，盡管有些濕度傳感器有保護(hù)膜，為保護(hù)測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。一旦被腐蝕性氣體破壞，基本是不可以修復(fù)的。因此，其使用壽命要視使用環(huán)境而定。濕度傳感器的長期穩(wěn)定性、抗高濕和抗污染能力都是國內(nèi)外研究學(xué)者主要研究方向。

3　結(jié)束語

綜上所述，要選擇合適的濕度計，首先要確定所要測量的環(huán)境濕度的要求，如使用范圍、測量準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間、使用環(huán)境、價格和長期穩(wěn)定性等，然后選擇價格合適又能滿足要求的濕度計。由于濕度測量涉及很多方面，限于筆者能力，疏漏之處在所難免，期望讀者指正。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢驗總局.機械式溫濕度計檢定規(guī)程(JJG 205—2005)[S].北京：中國計量出版社，2005

[2]李英干，范金鵬.濕度測量[M].北京：氣象出版社，1990

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢驗總局.濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國計量出版社，2001

[4]蘇鳳.電容濕度傳感器性能研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008

[5]喜波.電容式濕度傳感器測試方法與測試系統(tǒng)研究[D].哈爾濱理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2005