工作用湿度计量器具的比较与选择

2014-04-15徐慧娟

计量技术 2014年11期

徐慧娟

(杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019)

0　引言

随着科技的飞跃发展，湿度，作为一个重要的物理量，愈来愈得到人们的重视。在气象领域，随着生活水平的提高，相对湿度成为衡量空气质量和居住适宜程度的一个指标；在工业、农业和科学技术的各个领域，尤其是在我们熟知的医药行业、电子行业和食品行业，湿度是控制产品质量的一个重要条件。然而，人们对湿度的认识，远远不如对温度的研究和计量那样精确和完善。为了创造舒适的生活环境和理想的生产条件，必须对环境湿度进行计量和控制。近年来，湿度测量技术发展很快，仪器方法种类繁多，但是如何选择一款合适的湿度计量器具，成为很多企事业单位越来越关心的问题。

1　湿度计的分类、工作原理及其特性分析

湿度即空气中水蒸气的含量，可以用相对湿度来表示。目前市场上存在的测量湿度的计量器具主要有三类：机械式湿度计、干湿球湿度计以及湿度传感器。这三类湿度计，市场价格差异甚大，机械式湿度计、干湿表，最便宜的不过十几元，而湿度传感器，单通道的手持表也要几千到上万。论准确度，机械式湿度计在40～70％RH之间，示值误差只能达到小于±5％RH，而高准确度的湿度传感器却已经可以做到小于±0.5％RH。如何选择一款经济实惠、持久耐用，又能满足测量准确度要求的湿度计？笔者根据从事湿度计量近十年来的经验，对这三类湿度计的工作原理、特性及使用注意情况，分别进行分析说明，希望能对使用或选购湿度计的企事业各位同仁作一份参考。

1.1　利用物质几何尺寸变化的机械式湿度计

毛发、尼龙、聚酰亚胺等有机高分子材料的几何尺寸都会随着相对湿度的变化而发生变化。机械式湿度计就是利用这一特性，将上述材料制成线装，带状感湿元件或涂覆在弹性材料上卷成游丝状感湿元件，然后，通过机械放大装置改变引起的几何量变化，并用指针指示出来或用记录笔记录下来，从而直接指示相对湿度[1]。

机械式湿度计结构简单，使用方便，价格低廉，其中毛发湿度计通过定期清洗维护保养，使用寿命可达数十年。从送检的样品统计，机械式湿度计仍占所有湿度类计量器具总量的的70％。以此可看出，即使在科技高度发达的今天，从湿度计量的现状和要求来看，机械式湿度计仍占有较大的市场份额，这一方面说明了它们的使用价值。

机械式湿度计的准确度较低，不经过检定和调整，大部分是无法达到JJG 205—2005《机械式温湿度计检定规程》所要求的示值误差范围。但因湿度检定校准所使用的标准装置价格昂贵，一般生产企业不具备检定校准能力。使用中的机械式湿度计更要进行定期检定，如毛发式湿度计的毛发，是随时间而伸长的，放大倍率的调整不可避免，湿度计的零点更不可能固定不变，调整一般只有在湿度计的检定过程中进行。在没有标准的情况下，可以把毛发加湿，然后把示值调整到96％RH(不是100％RH)，但是由于湿度接近饱和时毛发的变化特性非常复杂，这样做准确度没有保证[2]。因此，我们不建议使用机械式湿度计的企事业自行调整湿度计。

机械式湿度计使用范围有限，非线性变化、滞后、漂移和响应慢等固有缺点几乎是无法改善的。如果在低湿环境下长期放置，会影响其特性，必须置于湿度为95％以上的条件下恢复并经过校准才能使用。毛发受污染后会使其灵敏度下降，是毛发湿度计检定不合格的主要原因，但经清洗调整后绝大部分都能检定合格。另外，运输或振动摇摆也会破坏其性能。

1.2　自然通风式干湿球湿度计

干湿球由两支规格完全相同的温度计组成，一支为干球温度计，温泡暴露在空气中，用以测量环境温度，即干球温度，另一支为湿球温度计，其温泡用特制纱布包裹，通过上水芯子与盛有纯水的容器相连，使纱布套保持湿润。当湿球周围空气处于不饱和状态时，湿球纱布套上的水分不断蒸发，水份蒸发需要吸收热量，从而使湿球的温度下降，其示值即为湿球温度[2]。空气的湿度与干、湿球温度呈函数关系。

建立在对流热平衡和扩散理论基础上的干湿球湿度测量具有坚实的理论基础，尽管不能说完美无缺，然而，这种方法在测湿法中一直占有牢固的地位。干湿球湿度计的测量误差主要来自于温度测量误差、风速大小、湿球的污染和纱布上水套的影响。

温度测量误差来自于组成干湿球湿度计的两只温度计的温度的不确定度。例如，在干球温度为20.0℃，风速为0.8m/s的条件下，当湿球温度为15.2℃，根据《湿度查算表》，相对湿度为60％RH；当湿球温度为15.3℃，相对湿度为61％RH。可见，温度读数相差0.1℃，就有1％RH的误差。

自然通风型的干湿表处于自然通风状态，按《湿度查算表》，一般普通球状干湿表风速要控制在0.8m/s，但风速的变化随机性很大，不能控制，因此，不能达到很高的准确度，一般只用于湿度测量准确度要求不高的场合。

最后，想要保证生产出来的产品与焊接质量方面的要求相符就必须对现场工艺纪律的监管力度进行一定的强化，并且在此基础之上还需要从严对监管工作进行一定的考核。在合理制定焊接工艺的基础之上还需要要求焊接工艺技术人员对于现场生产管理人员的工作进行积极的配合，还要与相关的质量监管人员进行及时和良好的沟通，通过这样来由三者共同指导相关的焊接人员在实际焊接工作开展期间严格的依照工艺纪律。而且这样做的好出在于还能保证焊接工作开展过程的安全性，以此为基础还能使产品的质量水平得到最大程度的提高。

湿球的纱布上水套长时间使用后会变质，从而使湿球的平衡温度发生漂移，干湿差变小。因此，必须定期或及时更换纱布上水套。在安装纱套时，应将手洗净，以免人手上的油脂污染纱布，从而影响湿球温度的测量。另外，湿球上的纱套应使用专用纱套，纱套的吸水性、纱线密度、厚度等性能都会影响湿球温度的测量。

1.3　湿度传感器

湿度传感器是由湿敏电容、湿敏电阻或湿敏谐振器等湿敏元件及其变化电路组成的，能直接显示相对湿度的湿度计，或者能输出电压、电流和频率等数字量可测信号的传感器[3]。

湿度传感器的种类很多，大体上可分为三大类：电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和高分子湿度传感器。其中，高分子湿度传感器虽然起步较晚，但发展迅速，是目前研究最多，应用较广的一类湿度传感器，可分为电容式、电阻式和光学式等，并以前两类为主。它以响应快、灵敏度高、抗环境干扰能力强等优点，已逐步取代其他类型湿度传感器，占据市场的主要地位[4]。

电阻式湿度传感器的湿敏元件为湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用该特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的。当环境湿度发生变化时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

薄膜型高分子电容式湿度传感器是目前最优秀的一类湿度传感器，经常采用的感湿材料有醋酸纤维素、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸脂以及其它复合有机聚合物等。其中聚酰亚胺高分子湿度传感器由于具有长期稳定性、耐高温性和耐腐蚀性，引起了人们的普遍重视，在精密加工、电子、军工及高科技领域都得到应用。

高分子电容式湿度传感器作为第三代湿度传感器的代表，由于具有测湿范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好、使用方便等优点，已得到了广泛的应用，占有湿度传感器70％市场[5]。

2　湿度计的选择方法

2.1　从使用范围考虑

从仪器的示值范围来看，所有的湿度计都是0～100％RH，但机械式湿度计和自然通风式干湿球湿度计只适合温度在5～50℃，相对湿度30～90％RH范围之间使用，而湿度传感器，尤其是高分子电容式湿度传感器，在10～90％RH范围之间线性度比较好，准确度可以达到技术要求，而在95％RH以上，目前，市场上湿度计量器具均不能保证满足其准确度要求。相对湿度在10％RH以下，此三类的湿度计均不能满足要求，可以考虑选用露点仪。

2.2　从测量准确度考虑

根据JJG 205—2005《机械式温湿度计检定规程》，机械式湿度计、干湿表在温度20℃，40～70％RH之间，示值误差不得大于±5％RH，而在40％RH以下，70％RH以上，示值误差不得大于±7％RH。而湿度传感器，尤其是国外生产商研制的湿度传感器，示值误差基本都可以满足±3％RH，高准确度传感器甚至可以做到小于±0.5％RH，可使用温度范围也比较大，有部分型号高温下也可以使用。

笔者查阅过大部分计量检定规程或校准规范，一般实验室对湿度的要求只要湿度控制在75％RH以下，机械式湿度计即可满足要求。而有些要求严格的实验室，例如天平、砝码、量具和电学类测量仪表，对温度，湿度要求相对要高一些，建议使用示值误差在±3％RH以内的湿度传感器。

对企业单位使用的湿度计量器具，建议既要考虑相关行业对环境湿度的要求，也要考虑经济性，在满足要求的前提下尽量降低成本。

2.3　从响应时间、使用寿命、长期稳定性考虑

这三类湿度计，毛发湿度计的响应时间最长，一般三分钟到十几分钟不等，湿度传感器的响应时间最短，一般也就十几秒。

机械式湿度计和通风式干湿球湿度计，虽然准确度没有湿度传感器高，但这两类湿度计都是属于维护比较容易的，通过调整和清洗等可以恢复使用。只要不损坏，可以使用数十年。而湿度传感器，在实际使用当中，尽管有些湿度传感器有保护膜，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。一旦被腐蚀性气体破坏，基本是不可以修复的。因此，其使用寿命要视使用环境而定。湿度传感器的长期稳定性、抗高湿和抗污染能力都是国内外研究学者主要研究方向。