微型结构通风干湿表的设计

伍伟雄，谢凯锋

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610)

0 引言

干湿球法湿度测量具有悠久的历史，在湿度测量方法中占有重要地位，利用干湿球法制成的精密通风干湿表长期以来作为检定其它湿度计的标准。与其它湿度测量方法相比，干湿球法制成的通风干湿表具有价格相对低廉，准确度又较高的优点。干湿球法湿度测量在某些领域具有特别合适的应用，具有其它湿度测量方法无可比拟的优势。例如，在环境试验领域，试验设备所产生的高温高湿环境，一般在20 ～90℃的温度范围内，产生30% ～98%RH 的湿度，温度85℃、湿度85%RH，温度90℃、湿度95%RH 等都是常见的高温高湿试验组合。对于这种以高温为特征的湿度测量，合适的常用的各种湿度测量方法中，冷凝露点法测量成本高;电湿度测量法(电阻法、电容法)经高温高湿冲击后，稳定性差，容易漂移;而干湿球法则稳定性好，成本低廉。因而从测量成本、测量准确度、测量稳定性等方面综合考虑，干湿球法特别适合环境试验高温的湿度测量。

按照GB/T 5170.5-2008《电工电子产品环境试验设备检验方法湿度试验设备》、JJF 1101- 2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》等相关标准的要求，需要同时测量试验设备工作空间多个位置的湿度，而一些试验设备的工作空间很小，这就要求使用通风干湿表进行湿度测量时，通风干湿表的尺寸不能太大，应尽可能小。因此，设计一种通风结构尺寸尽可能小，同时能够覆盖湿度试验时的气体温度范围，技术指标能满足测量要求的微型结构通风干湿表具有实用价值。

1 环境试验湿度测量的特征及要求

环境试验的湿度测量，通常具有以下一些特征:

1)与日常大气环境湿度测量和湿度量值传递测量时的气体温度一般不超过50℃的情况不同，环境试验湿度测量时的气体温度，会高达90℃以上。环境试验通常是一种加速耐受试验，一般需要温度65℃、湿度95%RH 的试验，有时则需要温度高达90℃、湿度95%RH 以上的试验，而大气环境不会出现这样的高温高湿。

2)日常所见较小的湿度环境试验设备，工作空间约只有0.01m3左右。按照GB/T 5170.5 和JJF 1101 等相关标准的要求，需要把工作空间分为上层、中层、下层，同时测量上层、中层、下层的湿度。

3)在大多数的环境试验标准中，湿度试验的允差一般为±3%RH。

由环境试验湿度测量的这些特征可知，通风干湿表要适用于环境试验的湿度测量，则需要满足这些技术要求:

1)湿度测量时所覆盖的气体温度范围能够达到90℃以上;

2)按照目前所见最小的环境试验设备工作空间容积考虑，通风干湿表的通风结构尺寸宜小于90 mm×30 mm×30 mm;

3)按照湿度量值传递的一般原则，测量标准的误差应至少达到被测的1/2 以上，环境试验的湿度允差一般为±3%RH，则通风干湿表的允差应至少达到±1.5%RH。

2 设计方法

2.1 微型通风结构

通风结构的大小与通风的风机尺寸、干湿球温度计尺寸相关，干湿球温度计的尺寸问题较容易解决，影响通风结构尺寸的关键是通风风机的尺寸。目前的风机，尺寸可以做到很小，尺寸小于20 mm×20 mm×10 mm 的风机很常见。然而，通风干湿表需要考虑通风速度，过小的风机通风速度达不到要求。通风干湿表湿度测量要获得理想的准确度，除了需要准确测量干湿球温度之外，还需要知道准确的干湿球系数A 值，而干湿球系数A 值主要与通风速度有关。实验表明，当通风速度大于2.5 m/s 时，干湿球温度差接近了一个极限值，干湿球系数A 值已可以近似地视为常数，即随着风速的增大，干湿球系数A 值的变化非常小。研究和实验都表明了2.5 ～4.5 m/s 是通风干湿表的理想通风速度。

实验表明，采用转速11000 r/min、尺寸φ25 mm×10 mm 的风机，在孔径约为φ20 mm 的风道内，仅能产生约2.3 m/s 的通风速度，当风道孔径缩小至约φ15 mm时，能产生约3 m/s 的通风速度。干球温度计风道和湿球温度计风道共用一个风机通风的方法，则两个风道只能使用约φ7.5 mm 的孔径。考虑到需要对湿球温度计安装上水套等操作，湿球温度计的尺寸也不能太小，太小会带来安装上水套操作上的困难。实际的操作情况表明，湿球温度计的尺寸在直径φ2 mm ～φ3 mm 之间比较适合操作。因此，综合考虑下，按尺寸约φ25 mm×10 mm 的风机和直径、长度约φ2.5 mm×15 mm的干湿球温度计设计通风结构比较合适。

通风结构的主体形式可以参考现有的气象用通风干湿表的方法，即风机下面的风道一分为二，一个风道安装干球温度计，另一个风道安装湿球温度计，如下示意图1。干湿球系数A 值的稳定性与风速的均匀性和稳定性也有关，考虑到使用尺寸较小的风机，风道内的结构采用收缩的方法，一方面可以提高通风速度，另一方面又可以提高风速的均匀性和稳定性。

2.2 气体温度范围

通风干湿表湿度测量时所能承受的气体温度范围，主要受到两方面的因素制约:一是干湿球温度计的温度测量范围;二是通风的风机所能够承受的温度范围。干湿球温度计的温度测量范围容易解决，选用能够覆盖所需温度范围的温度计即可。目前的通风干湿表不能承受较高的气体温度，主要原因是通风的风机不能承受高温高湿，一般的风机在高温高湿条件下，驱动电路的表面容易产生凝露，凝露水引起短路从而造成损坏。一种可行的解决办法是，对风机的驱动电路进行镀膜(高温膜)处理。实验表明，镀膜处理后的风机，可承受温度95℃、湿度100%RH 的温湿度条件。

2.3 技术指标

影响通风干湿表湿度测量的因素有很多，有理论上的缺陷，使用上的缺陷，制作上的缺陷等多种因素。相比理论上的缺陷和使用上的缺陷，通风干湿表制作上的缺陷的影响要大得多，在这里主要讨论从制作上提高通风干湿表的技术指标。从影响干湿表测湿的诸多因素中可知，影响最大的是干湿球温度差的准确性和干湿球系数A 值的准确性。因此，通过设法提高干湿球温度测量的准确度和提高干湿球系数A 值的准确度，则可望有效提高通风干湿表测湿的准确度。本方法设计的微型结构通风干湿表，可达到如下技术指标:

图1 微型结构通风干湿表示意图

1)干湿球温度计的温度测量范围:0 ～100 ℃;

2)干湿球温度计温度测量的最大允许误差(不含电测仪器):±0.01℃;

3)湿度测量范围:在5 ～95 ℃的温度范围内，10% ～99% RH;

4)湿度测量的最大允许误差:±1.5%RH;

5)通风速度:≈3 m/s;

6)外形尺寸:85 mm×30 mm×30 mm。

2.3.1 提高温度测量准确度

从干湿球理论方程上可知，干湿球温度差的重要影响，因此要提高通风干湿表湿度测量准确性，首先要提高干湿球温度测量的准确性。考虑到环境试验湿度测量时，气体温度高达90℃的特殊性，以及通风干湿表的通风结构微型化的需要，可以选用温度范围0 ～100℃的热敏电阻温度计或铂电阻温度计作干湿球温度计，温度计的套管尺寸约φ2.5 mm×15 mm。选用热敏电阻温度计的好处是，尺寸可以做到很小，准确度可以较容易达到参考级的水平，目前比较常用的参考级的热敏电阻温度计，在0 ～100℃的温度测量范围内，测量误差可以达到±0.01 ℃的水平。选用铂电阻温度计，一般只能选择工业级的铂电阻温度计，因为制作上原因，参考级的铂电阻温度计，尺寸难以做到较小。相反，工业级的铂电阻温度计，尺寸则很容易做到较小。目前尺寸很小工业级的铂电阻温度计，在0 ～100℃的温度测量范围内，已经可以达到AAA 级的水平，即B 级的1/10。

外部对湿球温度计的导热，同样会影响湿球温度的准确测量。选用不锈钢套管的温度计，不锈钢套管部分不要安装在通风结构体上，使用导热不良的材料套住不锈钢套管前面的引线，然后安装固定在通风结构体上，同时上水套完全套住不锈钢套管和部分引线，可有效减少外部对湿球温度计的热传导。

气象用的通风干湿表需要考虑室内外的测量，因此需要对辐射屏蔽进行精心的设计，把太阳的直接辐射和地面的散射减少到最小。与气象用的通风干湿表的测量环境不同，环境试验的湿度测量在密闭的环境试验设备工作空间内进行，在干湿球温度计外加一段套管，即可起到一般的辐射屏蔽作用，同时亦可兼作通风风道的一部分。

2.3.2 提高干湿球系数A 值的准确度

湿球理论表明，虽然通风速度对干湿球系数A 值的影响是主要的，但同时还受到湿球形状、尺寸等诸多因素的影响。因此，按照相关标准、相关资料依据通风的风速得到的干湿球系数A 值，或按相关经验公式依据风速计算得到的干湿球系数A 值，都不是某一通风干湿表的最佳干湿球系数A 值。针对某一通风干湿表，最佳的方法是用高一级的湿度标准标定其干湿球系数A 值。

在一稳定的湿度发生器内，在某湿度点上(一般取30%RH 湿度点)，通风干湿表和高一级湿度标准同时测量，以高一级湿度标准的测量值为标准湿度，则按干湿球湿度的理论计算公式便可计算出干湿球系数A 值，见公式(1)。

式中:A 为通风干湿表的干湿球系数，℃-1;etw为湿球温度tw所对应的纯水平液面饱和水气压，kPa;U 为高一级湿度标准测得的湿度平均值，%RH;ew为干球温度所对应的纯水平液面饱和水气压，kPa;p 为湿度发生器测试腔内的气压，kPa;t 为通风干湿表干球测得的温度平均值，℃;tw为通风干湿表湿球测得的温度平均值，℃。

2.4 制作样机

本方法制作的微型结构通风干湿表，干湿球温度计选用套管直径和长度约为φ2.8 mm×15 mm、测量范围为0 ～100℃、测量误差为±0.01℃的参考级热敏电阻温度计，通风的风机选用经过镀膜处理、尺寸约为φ25 mm×10 mm 的风机。按照示意图1 的方法制作通风干湿表样机，结果得到的通风干湿表，通风结构的整体外形尺寸不超过85mm×30mm×30mm，与传统结构的通风干湿表相比，外形尺寸小了很多，可以方便地在环境试验的湿度测量中使用。

3 样机测试

3.1 测试结果

作为干湿球温度计的两支热敏电阻温度计，首先经一等标准铂电阻温度计仔细标定，相互之间的温差不超过5 mK。

测试选用一级精密露点仪为湿度标准，湿度发生器选用大容积腔体的双压法湿度发生器，选用精密的数字压力计测量气体压力。在温度20℃，30%RH 湿度点标定通风干湿表的干湿球系数A 值，按标定的A值计算通风干湿表在温度20℃时其它湿度测试点的湿度，测试结果如表1。

表1 测试结果 %RH

3.2 测试结果分析

表1 的测试数据表明，与一级精密露点仪复现的量值比较，在气体温度20℃时，通风干湿表湿度测量的最大示值误差0.2% RH，对于环境试验湿度允差±3%RH来说，可以满足测量要求。当然，限于测试条件所限，仅在气体温度20℃的条件下测试(10% ～99%)RH 的湿度，且以30%RH 湿度点标定干湿球系数A 值得到的湿度测量误差，并不能代表在其它气体温度条件下，也能得到0.2%RH 的湿度测量误差。干湿球理论研究表明，干湿球系数A 值会随湿球温度的变化而变化，史密森气象用表给出了作为湿球温度函数的A 值公式，见公式(2)。

按公式(2)估算A 值随湿球温度tw的变化，当tw在0 ～35℃的范围内变化时，A 值的变化约为4%。环境试验湿度测量时气体温度会高达90℃、湿度95%RH以上，同时考虑到干湿球系数A 值与湿球的形状、尺寸等因素也有关，按公式(2)估算A 值并不是某一通风干湿表最佳的A 值。如果在不同的气体温度下标定干湿球系数A 值，依据标定结果总结出A 值随湿球温度的实际变化关系，在湿度计算时加入湿球温度函数，基于在气体温度20℃时，通风干湿表湿度测量的误差只有0.2%RH 的良好结果，完全有望使通风干湿表在覆盖的气体温度范围内，湿度测量误差达到±1.5%RH 的水平，满足环境试验湿度允差±3%RH 的测量要求。

4 结论

不同于我们日常湿度量值传递测量时的气体温度条件，环境试验湿度测量的重要特征，是高温气体条件下的湿度测量。本方法设计的微型结构通风干湿表，适合在较小的试验设备工作空间内安装使用。使用热敏电阻温度计提高了干湿球温度测量的准确度，温度计的安装作了隔热处理，采取加长上水套的方法有效减少外部对湿球的热传导。通风风机经过镀膜处理，提高了其承受高温高湿的能力。用高一级标准标定干湿球系数A 值和标定湿球温度与A 值的函数关系等方法，可使设计的通风干湿表从外形尺寸、覆盖的气体温度范围、技术指标等方面适合环境试验湿度的测量。

［1］廖理.热学计量［M］.北京:原子能出版社，2003.

［2］国家质量监督检验检疫总局.JJG 229-2010 工业铂、铜热电阻检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2010.

［3］国家质量监督检验检疫总局.JJG 993-2004 通风干湿表检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2010.

［4］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 5170.5-2008 电工电子产品环境试验设备检验方法湿度试验设备［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［5］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 6999-2010 环境试验用相对湿度查算表［S］.北京:中国标准出版社，2010.

［6］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 11605-2005 湿度测量方法［S］.北京:中国标准出版社，2005.