福禄克5121湿度发生器在湿度传感器校准中的应用

・５８・　《计测技术》２００８年第２８卷增刊　福禄克５　１２１湿度发生器在湿度传感器校准中的应用　张云萍　（山西新华化工有限责任公司计量测试中心，山西太原０３０００８）　摘要：介绍了福禄克５１２１湿度发生器的工作原理和特点，阐述了５１２１湿度发生器校准湿度传感器的方法　及过程，并对其不确定度进行了分析和评定。　关键词：湿度发生器；湿度传感器；湿度；校准；不确定度　０　引言　湿度传感器测量结果的准确与否，不仅关系到产　度　下的增值系数；　为饱和器内压力Ｐ　和温度　下　的增值系数；ｅ　为测量室内气体温度下的饱和水蒸气　压，Ｐａ；ｅ　为饱和器内气体温度下的饱和水蒸气压，Ｐａ。　品的质量，而且对安全生产、节能等都具有重要意义。　福禄克５１２１可移动式湿度发生器是一种可产生已知湿　气的自控系统，可用于校准各种温湿度记录仪和湿度　传感器（也称湿度探头），本文关注的是可输出０～５Ｖ　直流电压的湿度传感器的基本误差的校准。　２　５１２１湿度发生器的特点　１）数据直观。仪器上电后，温度、湿度、压力和　流速等所有对湿度发生器重要的参数以及储水的液位　高度都显示在屏幕上。“ｓｅｔｐｎｔ”列出了湿度发生器直　接控制的参数；“Ａｃｔｕａｌ”列出了湿度发生器所有测量　ｌ　工作原理　福禄克５１２１可移动式湿度发生器是一种可产生已　知湿气的自控系统。采用双压法测量原理，可提供连　续准确的湿气。双压法又称为两个压力法、压缩一膨胀　法。它是在某一高压的饱和器内制备饱和湿气，然后　使饱和气体通过膨胀阀膨胀到另一个较低压力（通常　为大气压）的测量室中。如果气体在饱和、膨胀过程　中温度保持恒定，并服从理想气体定律，则测量室内　和计算出的数据；“：｝：％ＲＨ＠Ｐ…Ｔ”显示在测量腔体　压力Ｐ　和测量腔体温度　的条件下计算出的相对湿度　Ｕ（％ＲＨ）。　２）湿度调节迅速可靠。自身可提供连续准确的温　湿度值，并且湿度能在较宽的范围内改变、在很短的　时间内达到平衡、从一种湿度迅速变化到另一种湿度，　性能稳定可靠。　的低压气体的湿度可按压力比计算出来，其结构原理　如图１所示。　　Ｉ３）操作简单。使用时，只需要通过前面板设定温　湿度值即可。同时在使用过程中还可以通过前面板实　现各种信息操作，例如，测量室内温度、湿度、流速、　　Ｊ气源Ｉ　Ｉ　Ｉ　前级　Ｊ　Ｉ完全　Ｉ　放　ｒ　测量室　压力等。　ｌ　饱和器　饱和器　４）具有自动报警功能。在运行过程中，如果系统　发现液位过低或设定超出极限要求，系统将发出报警　信号（蜂鸣），同时显示屏闪烁。　５）工作腔体大。腔体内部尺寸：３８１ｍｍ　ｘ　３８１ｍｍ　ｘ３０５ｍｍ。　ｌ　ｌ　恒温槽　｝　６）温度范围宽。温度范围为一１０～７０％。　７）具有两个随机软件：ＣｏｎｔｒｏＬｏｇ和ＨｕｍｉＣａｌｃ。　ＣｏｎｔｒｏＬｏｇ软件可以编程一系列湿度和温度点，并实现　图１　双压法湿度发生器结构原理图　测量室内低压气体的相对湿度为　ｕ＝糍　各种设定点的自动步进，可通过计算机实现５１２１的全　自动控制。　作者简介：张云萍（１９６７一），女，工程师，从事热电检测工作　与自动化仪表研究。　式中：Ｐ　为测量室内气体的绝对总压力，Ｐａ；Ｐ　为饱和　器内气体的绝对总压力，Ｐａ；　为测量室内压力Ｐ　和温　国防军工热学、流量计量与测试技术交流会论文专集　ＨｕｍｉＣａｌｃ软件使复杂烦琐的湿度转换变得简　４．２温度变化对湿度的影响　Ｕ＝ｅ／ｅ　（ｔ）　・５９・　单。计算时候只需输入所需要的温度值，压力值和　个已知的湿度参数即可计算出相应的露点、霜点　等参数。　一式中：　为相对湿度；ｅ为空气露点温度对应的饱和水　３校准方法　选择测量范围０～１００％ＲＨ，输出电压０～５Ｖ，输　蒸气压，Ｐａ；ｅ　（ｔ）为温度为ｔ时的饱和水蒸气压，Ｐａ。　查Ｗｅｘｌｅｒ饱和水蒸气压表并依据上述公式计算得　出结论：在温度为２０￣Ｃ或２５￣Ｃ、湿度为１０％ＲＨ～　入电压２４　Ｖ，准确度为±３％ＲＨ的湿度传感器为被校　准对象，依据ＪＪＦ　１０７６—２００１《湿度传感器校准规　９５％ＲＨ时，温度每变化０．１℃将产生０．０６％ＲＨ一　０．６％ＲＨ的湿度变化。　范》，在环境温度为（２３±５）℃，环境湿度小于８５％　ＲＨ的条件下，将被测湿度传感器放人５１２１湿度发生　器的测量腔体内，按图２所示连接校准线路。在湿度　发生器前面板先设定温度值为２０℃或２５℃，当“ｓｅｔ—　ｐｎｔ”与“Ａｃｔｕａｌ”温度显示一致时，温度达到平衡，　再设定湿度值，一般由低湿（１０％ＲＨ）到高湿（９０％　ＲＨ），每隔１０％ＲＨ做一个校准点，也可以根据用户要　求做一个或几个校准点，每个校准点在温湿度达到设定　值后稳定１０　ｍｉｎ，然后每隔２　ｍｉｎ左右记录一次标准湿　度值　（％ＲＨ）和湿度传感器的输出值　（Ｖ），共　记录３次数据，分别计算出湿度发生器和被测湿度传感　器输出值的平均值，并将湿度传感器的输出电压值换算　成相对湿度值（％ＲＨ）。按式△　＝　一　计算出湿　度传感器在每个校准点下的修正值ＡＵ（％ＲＨ）。　图２湿度传感器校准连线图　４测量不确定度分析　４．１测量标准的主要技术指标　１）５１２１湿度发生器（美国福禄克公司生产）　测量范围：相对湿度（１０—９５）％ＲＨ；温度一１Ｏ　～７０℃　误差：－ｔ－Ｏ．５％ＲＨ；腔体内温度±０．０６￣Ｃ　分辨力：相对湿度０．０２％ＲＨ；腔体内温　度０．０２℃　腔体内温度均匀性：±０．１℃　２）５０１热工信号校验仪（北京斯贝克科技有限公　司生产）　直流电压测量范围：０～２９Ｖ　误差：±０．０５％ｒｄ＋１个字　分辨力：０．００１５　Ｖ　４．３数学模型　根据上述测量方法给出湿度发生器测量湿度传感　器的计算公式为　ＡＶ＝　一（　／／ｍ　・　＋　）　式中：ＡＶ为湿度传感器的输出误差，Ｖ；Ｖ为湿度传感　器的输出电压值，Ｖ；Ｖｍ为湿度传感器输出量程，Ｖ；Ｈ　为湿度传感器输入湿度值，％ＲＨ；　为湿度传感器输入　量程，％ＲＨ；Ｖｏ为湿度传感器输出起始值，Ｖ。　输入湿度对湿度传感器输出误差的灵敏系数为　Ｖｍｃ　＝　一ａ　＝一　＝一而５－＿０一　一　ｌＯＯ一　。．　０５　Ｖ／％ＲＨ　输出电压对湿度传感器输出误差的灵敏系数为　ｃ　＝　＝・　ｄ　ｙ　４．４不确定度来源分析和标准不确定度分量的评定　从数学模型可以看出，不确定度主要来源于输入　量日和输入量　；湿度发生器管路中的湿度差异、腔　体内的风速、压力等也对测量结果的不确定度有贡献，　由于很小，忽略不计；被测湿度传感器的估读误差已　包含于重复性测量之中不再另行评定。　现以上述被测湿度传感器的８Ｏ％ＲＨ点为例进行　分析。使用５１２１湿度发生器和５０１热工信号校验仪的　直流电压档，在重复性条件下对８０％ＲＨ点进行连续　独立测量１０次，测量结果为别为：３．９２９，３．９３５，　３．９３５，３．９３９，３．９２８，３．９２６，３．９３３，３．９３４，３．９２５，　３．９２６　Ｖ。实验标准差为　√　厂　———　×　０・００５　Ｖ　各标准不确定度评定结果见表。　４．５合成标准不确定度和扩展不确定度　合成标准不确定度为　。１（△　）＝￣／ｃ　（日）＋ｃ２“　（Ｖ）＝０．ｏ１５　Ｖ（１０％ＲＨ）　△　＝Ｊｄｕ１２（　）＋ｃ；ｕ　（　）＝０．０２１　Ｖ（９５％ＲＨ）　扩展不确定度为　・６０・　《计测技术》２００８年第２８卷增刊　表２不确定度汇总　序号　标准不确定　度来源　标准不确定度分量　灵敏系数ｃ　Ｉ　Ｃ　Ｉ　ｕ（ｘ　）　ｕｌ（日）＝　ｕ　（／４１）＋ｕ　（／ｔ２）＋ｕ　（Ｈ３１）＋“　（／４４１）＋“　（Ｈ５１）　一０．Ｏ５Ｖ／％ＲＨ　０．０１４Ｖ　１　输入量Ⅳ的标准不　确定度　＝０．２９０％ＲＨ　“２（日）＝　（１Ｏ％ＲＨ）　一（／４Ｉ）＋　（Ｈ２）＋Ⅱ。（Ｈ３２）＋ｕ　（ｔ／４２）＋ｕ　（／４５２）　０．０５Ｖ／％ＲＨ　０．０２０Ｖ　＝０．４１０％ＲＨ　（９５％ＲＨ）　１１　．湿度发生器相对湿度　ｕ（Ｈｉ）＝０万．５：０．２８９％ＲＨ　的误差　１２　．湿度发生器相对湿度　ｕ（　）＝０　．０２＝。ｏ０６％ＲＨ　．的分辨力　湿度发生器腔体内温　“（Ｈ３．）：　‘１．３　０．１×４３　：０．０２１％ＲＨ（１０％ＲＨ）　（９５％ＲＨ）　度的误差　“（月　ｚ）＝　＝。－２。８％ＲＨ湿度发生器腔体内温　ｕ（Ｈ４，）：　‘：０．００３％ＲＨ０．１×２４３　１．４　（１０％ＲＨ）　（９５％ＲＨ）　度的分辨力　“（ｔ／４：）＝　＝。．。３５％ＲＨ湿度发生器腔体内温　“（　１．５　＝　）＝Ｑ　＿ｏ．０２０％ＲＨ＿０＿２００％ＲＨ（１０％ＲＨ）　（９５％ＲＨ）　度均匀性　２２　输入量　的标准不确　定度　ｕ（　）＝　Ｍ　（Ｖ１）＋Ｍ。（　）＝ｏ．００３　Ｖ　５０１热工信号校验仪　的误差　１　０．０ｏ３Ｖ　２１　．ｕ（ＶＩ）＝０百．００４＝。・００２　Ｖ　“（　）　Ｓ＝。－。。　Ｖ　２．２　测量重复性　Ｕ，：ｋｕ　（△　）：０．０３０　Ｖ（　＝２，１０％ＲＨ）　，方法，可以确定５１２１湿度发生器校准其他湿度计的级　Ｕ２：ｋｕ　（ＡＶ）＝０．０４２　Ｖ（　＝２，９５％ＲＨ）　别和不确度。总之，利用５１２１湿度传感器校准湿度计　的最大优点是操作简单，结果准确，工作效率高，是　开展湿度校准或建立湿度校准装置的首选仪器。　表３比对结果及其差值　校准点　５１２１湿度发生器结果　／％ＲＨ　２０　４０　６０　，　１．０１Ｏ　２．０２０　２．９４４　／％ＲＨ　２０．２　４０．４　５８．９　换算成相对湿度，有　Ｕ１＝０．６０％ＲＨ　Ｕ２＝０．８４％ＲＨ　（１０％ＲＨ）　（９５％ＲＨ）　本试验中湿度传感器的允许误差为±３％ＲＨ，福禄　克５１２１湿度发生器作为校准标准器校准湿度传感器时，　省气象局结果　，　１．Ｏ１５　２．０２６　２．９５０　／％ＲＨ　２０．３　４０．５　５９．Ｏ　差值　／％ＲＨ　０．１　０．１　Ｏ．１　其测量不确定度与被测器具允许误差的绝对值之比在　１０％ＲＨ～９５％ＲＨ范围内均小于１／３，符合要求。　４．６测量结果及标准不确定度的验证　将本试验中的湿度传感器的校准结果与同等级其他　标准装置的校准结果比对，比对结果及其差值见表３。　８０　３．９３１　７８．６　３．９４１　７８．８　０．２　从表３比对结果分析，最大差值０．２％ＲＨ＜　Ｕ，　满足要求。　参考文献　［１］国防科工委科技与质量司．化学计量（上册）［Ｍ］　北京：原子能出版社，２００２．　５　结束语　综上所述，福禄克５１２１湿度发生器作为世界级标　准仪器，在１０％ＲＨ～９５％ＲＨ的范围内，可用于校准　［２］ＪＪＦ　１０７６—２００１，湿度传感器校准规范［ｓ］．　３．０级以下的可输出电压信号的湿度传感器。用同样的