温湿度计的工作原理&检定

温湿度计的工作原理
2011年03月02日09:10 生意社
生意社03月02日讯
用来测定环境的温度及湿度，以确定产品生产或仓储的环境条件。

也应用于人们日常生活。

应用较为广泛。

当空气中有很多水气时，我们说空气是潮湿的。

湿度的概念：
科学家经常使用相对湿度来形容空气中水气的多少。

简单的说即是想象空气是一条毛巾。

如果你倒泻了一杯水，你能用一条毛巾吸收水。

但其实毛巾其实可以吸收比一杯更多的水。

或许他可以吸收五至十杯的水。

水中有的水气的数量只是空气中能够拥有的水气的一部分，因此相对湿度是一百分比。

当相对湿度是百分之一百时，空气是饱和的。

好像一条尽湿的毛巾一样，空气能不再拿水分。

当相对湿度是百分之一百并且空气是饱和的时，蒸发和沉积处在平衡状态。

到达平衡再次说明的蒸发增加的数量，作为水分沉淀物。

在空中水蒸汽被叫为湿度。

因为水蒸汽的分子这样细小所以他们不能被看出，研究湿度的人们已经发展有创造性的方法来测量水蒸汽的数量。

湿度计量分类：按测量方法分类
*干湿球湿度计
*露点湿度计
*毛发湿度计
*库伦湿度计
*电化学湿度计
*光学型湿度计
原理及使用方法：
一、温湿度计湿度定义
在计量法中规定,湿度定义为"物象状态的量"。

日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。

总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。

湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。

对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。

二、湿度测量方法
温湿度计湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。

但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。

一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理-化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。

常见的湿度测量方法有：动态法(双压法、分流法)，静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，电子式传感器法和干湿球法。

①双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。

由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。

②静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。

但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。

用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。

特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。

③露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。

计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。

但用现代光-电原理冷镜式的露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。

④干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。

历史悠久，使用最普遍。

干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。

普通用干湿球温度计的将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。

⑤电子式湿度传感器法
电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将测量技术的湿度提高到新的水平。

三、湿度测量方案的选择
现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。

下面对这两种方案进行比较，以便客户选择适合自己的湿度测量方法。

干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。

与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。

所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。

电子式湿度传感器的特点：
而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。

湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2%一3%RH。

在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。

一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。

电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。

湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。

所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。

传感器的选择及注意事项：
选择测量范围
和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。

除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。

选择测量精度
测量精度是湿度传感器最重要的指标，每提高-个百分点，对湿度传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。

因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。

所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求"高、精、尖"。

如在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑的温度漂移影响。

众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。

温度每变化0.1℃。

将产生0.5%RH的湿度变化(误差)。

使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。

多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，±5%RH的精度就足够了。

对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用±3%RH以上精度的湿度传感器。

而精度高于±2%RH的要求恐怕连校准传感器的标准湿度发生器也难以做到，更何况传感器自身了。

相对湿度测量仪表，即使在20-25℃下，要达到2%RH的准确度仍是很困难的。

通常产品资料中给出的特性是在常温(20℃±10℃)和洁净的气体中测量的。

考虑时漂和温漂
在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，电子式湿度传器会产生老化，精度下降，电子式湿度传器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。

一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。

其它注意事项
湿度传感器是非密封性的，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。

为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。

如果被测的房间太大，就应放置多个传感器。

有的湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度。

或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。

使用时应按照技术要求提供合适的、符合精度要求的供电电源。

传感器需要进行远距离信号传输时，要注意信号的衰减问题。

当传输距离超过200m以上时，建议选频率输出信号的湿度传感器。

温湿度计检定规程
1引言
原毛发湿度计检定规程(代号JJG205-80)为气象专用仪器检定规程，于1980年实施。

经过二十多年的发展，湿度测量的领域发生了很大的变化，目前绝大多数湿度计(包括毛发湿度计)用于工农业各个领域，超出了气象专用仪器的范围;同时对仪器测量范围、准确度、稳定性、使用温度范围等方面的要求都发生了很大的变化;而且随着技术的发展，原来的感湿材料为单一的发毛，现逐渐扩展到尼龙、聚酰亚胺等高分子材料，仪器的特性也随之发生了很大的改变。

对于上述变化，原毛发湿度计检定规程已无法适用，必须进行修订。

2修订要点
2.1.关于规程名称及适用范围
根据目前实际情况，将原规程名称“气象用毛发湿度计、毛发湿度表检定规程”更改为“机械式温湿度计检定规程”。

其中主要包含三点修改：
a、将规程的适用范围由气象领域扩展到其它各领域
原规程是20多年前制订气象仪器的专用规程，几十年来，随着工业技术的发展，湿度计的使用场合已从气象领域逐渐扩展到工业领域，因此，继续将规程局限于气象专用已不合适。

b、将规程的适用范围由毛发湿度计扩展到其它各类机械式湿度计
毛发湿度计的感湿材料原为人头发。

随着技术的进步，出现了大量的以尼龙、聚酰亚胺等高分子材料作感湿材料的湿度计，它们的工作原理与毛发湿度计类似，通常称为机械式湿度计。

目前这类仪器的数量已大大超过原毛发湿度计。

另外，玻璃液体温度计构成的自然通风式干湿表目前在我国的使用也非常最广泛，它们价格很低，使用场合和精度要求都与毛发湿度计相同。

因此，将以上两类仪器纳入本规程的适用范围是必要的。

c、将规程的适用范围由湿度计扩展到温湿度计
目前实际生产和使用的湿度计均为温湿度一体式仪器，单独的湿度计、湿度表则很少。

因此，将温、湿度两部分都包括进来无论是对用户，还是对计量机构和计量管理机构都是十分有利的。

2.2关于计量性能要求
2.2.1示值误差
根据温湿度计生产和使用的实际情况，确定温度最大允许误差为：±2℃。

湿度示值误差定为：±5%RH(40%RH～70%RH，20℃)、±7%RH(40%RH以下或70%RH以上，20℃)。

这是考虑到以下原因：
a、目前国内厂家生产的工业用机械式温湿度计的出厂指标一般都为：±5%RH、±1℃～±2℃。

b、工业上实际环境湿度范围一般在40%RH～70%RH之间，温度一般在18℃～25℃左右，这一范围对温湿度要求较高。

c、毛发等机械式湿度计均为低档仪器，一般不适用于低湿、高温高湿等特殊场合。

d、相对湿度这一参数对温度有依赖性，因此相对湿度的技术指标应在一定温度下给出。

f、原规程未对仪器的湿示值误差作任何规定，这对用户的使用带来很大的不便。

2.2.2湿滞误差/温度回差
温度回差定为：0.5℃;湿滞误差定为：3%RH。

原规程中称为湿度变差，为5%RH。

根据实验结果，机械式湿度计的湿滞误差仅为1%RH。

2.2.3重复性
定为温度0.5℃、湿度2%RH。

由实验结果得到。

2.3关于计量器具控制
2.3.1标准器
标准器一般为精密露点仪，最大允许误差为：露点±0.2℃DP，温度±0.1℃。

考虑到各地气象部门以往都用通风干湿表作标准器，且经济条件不允许，因此保留采用数字通风干湿表的选项，最大允许误差为：为1.0%RH～1.7%RH。

3.3.1配套设备
主要指温湿度检定箱，为保证检定结果不确定度满足要求，对其主要技术指标作了详细规定。

考虑到相对湿度检定必须在恒定温度下进行，箱子必须具有调温功能。

标准器和配套设备的技术指标是十分关键的，它必须定得恰到好处，既能满足机械式温湿度计的检定要求，又符合实际国情。

我们在规程制定过程中，以不确定度评定结果为依据，结合目前市场所能提供设备的实际情况，适当地调整标准器和配套设备各部分的不确定度分量，再依据该分量值确定技术指标。

3.3环境条件
环境温湿度的要求主要是考虑到标准器和配套设备的最佳工作状况。

3.4检定方法
删除了原规程中对仪器的放大倍率和示值进行调整的内容，因为这属于仪器维修的范畴。

对仪器的湿度检定点进行了改进，增加了30%RH～70%RH之间的检定点，删除了90%RH、100%RH的检定点。

这是据于以下原因：
a、绝大多数湿度仪器使用在40%RH～70%RH。

b、实验结果显示，毛发湿度计具有非线性，在30%RH、70%RH点满足示值误差的情况下，不能保证40%RH、50%RH、60%RH也满足要求。

c、80%RH的以上湿度点很少使用。

2.4关于检定周期
温湿度表温和湿度记录仪均采用相同的测量原理，因此，检定周期均定为1年。

2.5关于温湿度均匀度和波动度测试方法
温湿度检定箱的均匀度和波动度指标关系到检定结果的不确定度。

由于目前现有的各种测试方法都是针对环境试验箱的，不仅测量精度要求低，而且结果都是取一段时间平均值，而我们检定时是读取瞬时读数的，因此不能直接采用这些方法，故制订了专用的测试方法，作为附录列入。

2.6检定结果的不确定度
参照JJF 1059–1999的要求，对按本规程的方法进行检定的结果进行了不确定度评定，评定结果：温湿度的扩展不确定度均小于仪器示值误差的1/3，表明本规程的方法是合理的。

3结论
本规程的制订充分考虑了国内机械式温湿度计的实际情况，方便和规范了仪器的生产和使用，保证了量值的统一
1 湿敏元件的特性
湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。

1.1 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，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

1.2 湿敏电容
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，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。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。

以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是(1%～99%)RH，在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。

当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF～202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿
度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

2 集成湿度传感器的性能特点及产品分类
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型)，Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型)，Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。

这些产品可分成以下三种类型：
2.1 线性电压输出式集成湿度传感器
典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

2.2 线性频率输出集成湿度传感器
典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值)，当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

2.3 频率/温度输出式集成湿度传感器
典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

3 单片智能化温度/温度传感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm)，体积与火柴头相近。

出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。

它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。

测量相对温度的范围是0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。

测量温度的范围是-40℃～+123.8℃，分辨力为0.01℃。

测量露点的精度<±1℃。

在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。

利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。

SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度/湿度调节系统中。

芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器(E2PROM)、易失存储器(RAM)是、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。

其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。

鉴于SHT11/15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系，为获得相对湿度的准确数据，必须利用μC对读数值进行非线性补偿。

此外当环境温度TA≠+25℃时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。

芯片内部有一个加热器。

将状态寄存器的第2位置“1”时该加热器接通电源，可使传感器的温度大约升高5℃，电源电流亦增加8mA(采用+5V
电源)。

使用加热器可实现以下三种功能：①通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值，可确定传感器是否正常工作;②在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露;③测量露点时也需要使用加热器。

露点也是湿度测量中的一个重要参数，它表示在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。

为了计算露点，Sensirion公司还向用户提供一个测量露点的程序“SHTxdp.bsx”。

利用该程序可以控制内部加热器的通、断，再根据所测得的温度值及相对湿度值计算出露点。

在命令响应界面上运行此程序时，计算机屏幕上就显示提示符“>”。

用户首先从键盘上输入字母“S”，然后输入相应的数字，即可获得下述结果：
输入数字“1”时，测量并显示出摄氏温度dgC=xx.x;
输入数字“2”时，测量并显示出相对湿度%RH=xx.x;
输入数字“3”时，打开加热器，使传感器温度升高5℃;
输入数字“4”时，关闭加热器，使传感器降温;
输入数字“5”时，显示露点温度dpC=xx.x。

4 集成湿度传感器典型产品的技术指标
集成湿度传感器的测量范围一般可达到0～100%。

但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。

设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用CKY11、CKY15传感器。

这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA，平均工作电流为28μA(12位)或2μA(8位)。

上电时默认为休眠模式(SleepMode)，电源电流仅为0.3μA(典型值)。

测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。

此外，它们还具有低电压检测功能。

当电源电压低于+2.45V±0.1V
时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。