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环境试验设备参数测量──湿度传感器校准

发表时间:2021-04-28 14:11



摘要

通过分析湿度传感器在环境试验设备湿度测量中的使用状况,分析湿度传感器的测量原理,分析校准湿度传感 器所依据的规范等,提出当湿度传感器用于环境试验设备的湿度测量时,应当校准至实际测量到的温湿度值。


    引言

环境试验设备湿度的测量,使用湿度传感器或干湿球温度计是一种经济合理的选择。在 GB/T 5170.5- 2016《电工电子产品环境试验设备检验方法 湿热试验设备》、JJF 1270-2010《温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范》、JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》等标准中,湿度测量规定使用湿度传感器(主要是电阻式或电容式湿敏元件传感器)或干湿球温度计。

环境试验设备的湿度测量与量值传递中的湿度测量不同,环境试验设备的湿度测量通常是高温高湿、高温低湿、低温高湿、低温低湿的测量,而量值传递中的测量通常是常温下或温度范围变化不大的湿度测量。使用湿度传感器测量环境试验设备的湿度时,湿度传感器按照量值传递中常温状态下校准显然是不够的,它的校准问题往往被人们忽视了。因此,当湿度传感器用于环境试验设备的湿度测量时,探讨其校准问题具有实际意义。


1.环境试验的湿热试验

环境试验的目的主要是考核产品对环境条件的适应性,湿热试验是环境试验中最重要的试验之一。环境试验不仅仅模拟实际使用中可能遇到的环境条件,有时为了缩短试验时间获得与正常使用条件相类似的效果,会使用加速试验。所谓加速试验是指加大试验的量值,对于湿度试验而言,加速的方法,通常是在湿度给定的条件下,通过提高温度的方法实现湿热试验的加速作用。加速试验的量值在实际大气环境中不会出现,因此,环境试验的湿度测量,与一般自然环境的湿度测量是不同的。90 ℃、95 %RH,85 ℃、85 %RH,65 ℃、95 %RH,65 ℃、45 %RH,5 ℃、90 %RH ,5 ℃、10 %RH 等等,都是常见的高温高湿、高温低湿、低温高湿、低温低湿的试验组合,而这些温湿度组合一般在自然环境中不会出现。


2.湿度传感器

人们早就认识到,许多物质都具有随环境湿度的变化而吸收或放出水汽的性质,进一步地,人们发现物质含水量的变化会导致其电学参数的变化,例如电阻和电容产生相应的变化。人们正是利用物质这些特性制成湿敏元件,配上相应的测量电路便构成了湿度测量仪器。

人们同样也认识到,许多物质的电学参数也会随环境温度的变化而变化,湿敏元件的电阻或电容除随环境湿度的变化而变化之外,同时也随环境温度的变化而变化。即湿敏元件的电阻或电容的变化,同时受到环境湿度、温度的影响。

举一电阻式氯化锂湿敏元件来说,含有氯化锂的湿敏物质吸收水分的量与空气或其它气体的相对湿度有关,湿度大吸水多,电阻下降,湿度小吸水少,电阻增加。氯化锂湿敏元件就是依据湿敏层吸湿后电阻发生变化这一原理制作的。同时,湿敏层的电阻还与温度有关,因此其电阻值表现为湿度和温度的函数,该函数的经验方程如下:

R(U,t)=ke-αU-βt

式中:

R—湿敏层的电阻;

U—空气的相对湿度;

t—空气的温度;

k—常数;

α—常数;

β—常数。

由上述公式可以看出,利用湿敏元件的电阻随环境湿度的变化而变化的特性来测量湿度时,还需要考虑湿 敏元件的电阻也会随环境温度的变化而变化的特性。环境温度发生变化,湿敏元件与环境必然会发生热交换,这样将导致湿敏层的温度随之发生变化,从而使其电阻也随之发生变化。当然,温度变化的影响远远不止这些,比如温度的变化反过来又影响湿敏元件的吸湿性能等等。

电容式湿敏元件是利用其电容量随环境湿度的变化而变化的特性来制作的,电容式湿敏元件与其它湿敏元 件相似,其电容——湿度关系曲线通常都是非线性的,并且这种非线性随温度的不同而变化,这就需要进行线性化处理和进行温度补偿。

为了解决温度影响的问题,制作湿敏元件时,通常都会配备测温传感器,用于测量被测气体的温度。电阻式湿敏元件的电阻值表现为湿度和温度的函数,显然制作这种湿敏元件时,就不得不配备相应的测温传感器,用于测量被测气体的温度。电容式湿敏元件的电容——湿度关系曲线随温度的不同而变化的特性,在制作这种湿敏元件时,配备温度传感器测量被测气体的温度,则主要就是为了解决温度补偿问题。

因此,在制作湿敏元件的电阻(或电容)—湿度关系曲线时,需要在恒温条件下改变相对湿度和在恒湿条 件下改变温度,即需要给出不同温度条件下的电阻(或电容)—湿度关系曲线。显然,对于湿敏元件的湿度传感器的校准来说,温度也是需要校准的参数之一。

随着科学技术的发展,利用湿敏元件制成的湿度传感器性能越来越好。目前,某些湿度传感器校准后,在湿度低于 90 %RH 时允差达到了 ±1 %RH,在湿度高于90 %RH 时允差达到了 ±1.7 %RH。温度的测量范围则达到了 -70 ~ 180 ℃,允差达到了 AA 级。显然,如果这样的湿度传感器性能足够稳定,那么不仅可以用于环境试验设备的湿度测量,还可以用于温度测量。


3.湿度传感器校准

1 3.1湿度校准

1)校准依据的规范

目前,湿度传感器一般按照国家校准规范 JJF 1076-2001《湿度传感器校准规范》的要求校准。湿度校准一般在温度 20 ℃或 25 ℃下进行,湿度校准范围一般为10 ~ 90 %RH,校准点为每间隔 10 %RH 整数点。另外,可以按用户要求选做湿度传感器的温度系数、稳定性、湿滞、响应时间。

温度系数一般在温度 10 ℃和 40 ℃条件下进行,湿度传感器两条响应曲线最大差异与温度间隔之比作为湿度传感器的温度系数。

2)校准分析

既然电阻式湿敏元件的电阻值表现为湿度和温度的函数,电容式湿敏元件的电容——湿度关系曲线随温度的不同而变化,那么按照 JJF 1076-2001 的方法,在常温 20 ℃或 25 ℃下校准湿度,在温度 10 ℃和 40 ℃下校准温度系数,这样的校准结果一般只能适用于常温下或温度范围变化不大的湿度测量,且无法用于温度测量。对于环境试验中 90 ℃、95 %RH 或 5 ℃、10 %RH 这样的温湿度试验组合来说,这样的校准结果显然是不够的。

湿度传感器测量的湿度一般是相对湿度,按照相对湿度的定义,是指湿空气中水汽的摩尔分数,与相同温度压力下纯水表面的饱和水汽压的摩尔分数之比。显然,相对湿度是与湿气的温度、压力条件相对应的。电阻式湿敏元件的电阻值表现为湿度和温度的函数,那么温度测量是否准确,直接影响到湿度测量是否准确。电容式湿敏元件的电容——湿度关系曲线随温度的不同而变化,而且这种变化也不是线性的,在温度10 ℃和40 ℃下校准温度系数,只能代表 10 ~ 40 ℃之间的平均变化情况,而不能代表 90 ℃或 5 ℃时的变化情况。显然,电阻式或电容式湿敏元件,按照 JJF 1076-2001在 常 温 20 ℃ 或 25 ℃ 下 校 准湿 度, 在 温 度 10 ℃ 和40 ℃下校准温度系数得到的校准结果,用于环境试验中 90 ℃、95 %RH 或 5 ℃、10 %RH 的温湿度测量显然是不合适的。

3)一般建议

综上所述,湿度传感器如果完全按照 JJF 1076-2001《湿度传感器校准规范》的方法校准,则湿度传感器用于环境试验的高温高湿或低温低湿的测量显然不合适,因为此时的测量误差不能确定,测量不确定度也不能合理评定,这将直接导致产品试验不可靠。因此,当湿度传感器用于环境试验设备的湿度测量时,应当把湿度传感器校准至将要测量的试验温湿度值。通常,湿度传感器的湿度校准,需要与比湿度传感器高一个级别的湿度标准器,一起放置在一个温湿度稳定和均匀的湿度发生器中进行比较测量,从而获得校准。目前,能满足相关技术要求的湿度发生器和湿度标准器,在 5 ~ 95 %RH的湿度范围内,温度还没有能覆盖到 90 ℃,即温湿度90 ℃、95 %RH 目前还不能够校准,不建议使用湿度传感器测量测量这样的温湿度组合。


1 3.2温度校准

1)校准依据的规范

湿度传感器配备的测温元件通常是铂电阻元件,温度测量的技术指标一般为 JJG 229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》中的 B 级、A 级或 AA 级。因此,一般情况下,湿度传感器的温度校准,可以参照 JJG229-2010 的相关要求进行校准,即湿度传感器和标准铂电阻温度计同时放置在温度稳定和均匀的空气恒温槽中进行比较测量,从而获得校准。这里参照 JJG 229-2010 的相关要求进行校准,主要是指参照其所使用的标准仪器设备的相关技术要求和参照其测量方法。其中,JJG 229-2010 对恒温槽的技术要求为稳定性在 10 min 内的变化不大于 0.04 ℃,水平温差不大于 0.01 ℃、垂直温差不大于0.02 ℃,能够满足这一技术要求的恒温槽主要是液体恒温槽和部分的热管槽和干井炉,热管槽和干井炉测量孔径的尺寸以及有效工作区域的尺寸较小,使用上受到诸多限制。

2)校准分析

通常,铂电阻温度计一般封装成柱状圆形结构,可以直接与液体接触,即可以直接放入液体恒温槽中测量。与铂电阻不同,湿度传感器是由湿敏元件和测温元件结合成一体的传感器,由于湿敏元件不能与液体直接接触,导致湿度传感器进行温度校准时,不能直接放入液体恒温槽中测量。另外,多数湿度传感器的外形结构也不是规则的柱状圆形结构,无法采用玻璃试管套住湿度传感器后再放入液体恒温槽中校准。需要注意的是,温度传感器置入玻璃试管再放入液体恒温槽中校准,需要保证传感器与玻璃试管的内壁紧密接触,即传感器外径略小于玻璃试管的内径,这样才能保证良好的热传递。目前湿度传感器的结构形状和测温元件的安装方式,当整个湿度传感器套入玻璃试管后,很难保证测温元件能够与玻璃试管紧密接触。因此,目前大部分的湿度传感器进行温度校准时,并不适合套入玻璃试管后再放入液体恒温槽中校准。

3)一般建议

综上所述,湿度传感器参照 JJG 229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》的方法校准温度,核心问题是湿度传感器不能直接与液体接触,使用液体恒温槽、热管槽、干井炉等恒温源校准时,或多或少存在这样或那样的问题。目前,有些校准机构所使用的空气恒温槽,技术性能十分接近液体恒温槽,远远超过热管槽和干井炉。所以,湿度传感器温度的校准,建议送至具有空气恒温槽的计量机构校准,以获得最佳的温度校准不确定度。


结束语

就目前的温度和湿度测量技术而言,对环境试验设备的温度和湿度进行测量,温度测量仪器可以很容易满足要求,但湿度测量仪器要满足相应要求可不容易。目前能够满足环境试验设备相关标准要求的湿度测量仪器,最佳选择是露点仪,但露点仪价格昂贵,且露点仪不管是采用取样方式测量,还是投入方式测量,都会对环境试验设备内的温湿度场产生干扰。因此,无论是从经济因素还是从技术因素来看,使用湿敏元件的湿度传感器测量环境试验设备的湿度,是一个不错的选择。不过,为获得最佳的测量不确定度,湿度传感器应当校准到需要测量的温湿度值,并且需要考察其重复性和稳定性。


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