了解濕度測量：提高精度的關(guān)鍵見解

比較相對(duì)濕度測量儀器的長期性能涉及的不僅僅是比較它們的精度規(guī)格。雖然精度規(guī)格提供了一個(gè)很好的開始，但它們并不能說明儀器整體性能的全貌，尤其是在現(xiàn)實(shí)世界條件下。在本博客中，除了精度規(guī)格，我們將提供在選擇相對(duì)濕度測量儀器時(shí)需要考慮的四個(gè)關(guān)鍵因素。

1.定義和區(qū)別

精度與不確定度不同，但可作為技術(shù)規(guī)格的一部分。精度是一個(gè)定性術(shù)語，但可以使用測量不確定性的表達(dá)式來定義它。

例如，交付前校準(zhǔn)可以“聲明"儀器的引用規(guī)格或精度。

Rotronic技術(shù)規(guī)格中所陳述的精度是指參考儀器的測量值和被測儀器的測量值之間的最大差值，被稱為測量誤差。

測量不確定度被定義為“真實(shí)值"預(yù)期所在的范圍。例如，參考值為35.0%rh的被測儀器讀數(shù)可能是34.8%rh，不確定度為±0.4%rh。這意味著真實(shí)值預(yù)計(jì)在34.4%rh至35.2%rh的范圍內(nèi)。

公差在Rotronic技術(shù)規(guī)格中被作為極限允許的測量誤差使用，它與測量不確定度不同。因此，需要額外的測量不確定度來決定是否符合應(yīng)用規(guī)格。

規(guī)格與不確定度不同。規(guī)格讓客戶知道在每個(gè)操作范圍內(nèi)，給定產(chǎn)品可以合理地預(yù)期什么樣的性能，可以考慮的最大允許測量誤差和測量不確定度。

2.電容式濕度測量誤差的分類

溫度和壓力依賴性

相對(duì)濕度取決于溫度和壓力

Rotronic HygroClip探頭自動(dòng)補(bǔ)償物理溫度依賴性。先進(jìn)的電子元件包含基于WMO標(biāo)準(zhǔn)的類似飽和蒸汽壓表，以便進(jìn)行精確校正。

在常見的相對(duì)濕度測量中通常不考慮總氣體壓力。一個(gè)例外是當(dāng)存在較大的壓差時(shí)，比如。例如，由于壓力變化的影響，壓力腔室或真空腔室出氣口的相對(duì)濕度測量將為腔室內(nèi)的實(shí)際相對(duì)濕度提供不同的讀數(shù)。

Rotronic HygroClip探頭可以設(shè)置為不同的壓力，以改善補(bǔ)償，特別是在輸出露點(diǎn)等計(jì)算值時(shí)。

溫度誤差

溫度會(huì)對(duì)濕度測量的幾個(gè)方面產(chǎn)生重大影響。所有電子元件的組件都可能受到溫度變化的影響。此外，電容式濕度傳感器的吸濕性會(huì)隨溫度而變化。此外，溫度傳感器本身的精度（也用于補(bǔ)償）對(duì)濕度測量的精度有影響。

HygroClip – 濕度傳感器溫度補(bǔ)償

所有相對(duì)濕度傳感器都需要補(bǔ)償溫度對(duì)濕度輸出信號(hào)的影響，以在寬范圍的溫度條件下保持準(zhǔn)確的測量。Rotronic Hycroclip探頭內(nèi)的AirChip 3000在存儲(chǔ)器中保存了一組31個(gè)表，對(duì)應(yīng)-100°C至+200?C范圍內(nèi)的溫度值。每個(gè)表都持有以10%rh的步長0%rh和100%rh之間的補(bǔ)償數(shù)據(jù)。結(jié)合高精度溫度測量、低功耗、低自熱設(shè)計(jì)和先進(jìn)的電子元件，Rotronic HygroClip可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的相對(duì)濕度和溫度測量。

線性誤差

理想的傳感器在濕度與其輸出方面是線性的（見上圖），但相對(duì)濕度傳感器（0…100%rh之間）的典型響應(yīng)是非線性的。根據(jù)電子電路校正的有效性，儀器可能存在線性誤差。如果傳感器和相關(guān)電子元件都具有可再現(xiàn)的特性，則線性誤差是系統(tǒng)誤差。

與AirChip3000結(jié)合使用的濕度傳感器的電容是相對(duì)濕度（%rh）的非線性函數(shù)。AirChip3000將從濕度傳感器讀取的原始值更改為線性值，并根據(jù)溫度對(duì)濕度傳感器的影響和每個(gè)探頭的獨(dú)特補(bǔ)償值對(duì)這些值進(jìn)行補(bǔ)償。

HygroClip — 濕度傳感器線性化

每個(gè)HygroClip探頭都有一個(gè)名為AirChip3000的內(nèi)置微控制器，它在內(nèi)存中保存了一組兩個(gè)表（A1%和A2%），其中包括應(yīng)用于濕度傳感器生成的原始濕度數(shù)據(jù)的校正（線性化）。每個(gè)表包含101個(gè)值（從0到100%rh，步長為10%rh），以實(shí)現(xiàn)濕度傳感器的非常精確的線性化。表A1%為出廠默認(rèn)值。表A2%保存了用戶在調(diào)整過程中產(chǎn)生的額外校正。線性化濕度值是通過將兩個(gè)表中的相應(yīng)校正值加到原始濕度值上而獲得的。插值用于中間原始值。用戶可以隨時(shí)將AirChip3000重置為其原始出廠設(shè)置。

注意：誤選調(diào)整值可能會(huì)導(dǎo)致線性誤差的不同分布，并可能對(duì)儀器精度產(chǎn)生不利影響。

通常，儀器制造商推薦的調(diào)整值是以最小化線性誤差為目標(biāo)確定的。調(diào)整這些值應(yīng)能減少線性誤差。

Rotronic關(guān)于調(diào)整點(diǎn)的建議：

• 1.在23℃和35%rh下的第一個(gè)調(diào)整點(diǎn)：該標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)用于提高傳感器在典型環(huán)境條件下的基線精度。在這個(gè)點(diǎn)下的調(diào)整有助于確保在溫和環(huán)境中進(jìn)行可靠的測量。

• 2.在23℃和35%rh以上如50%rh-80%rh下的第二個(gè)調(diào)整點(diǎn)：在較高濕度水平下的調(diào)整點(diǎn)，如80%rh，可以提高傳感器在較高濕度條件下準(zhǔn)確測量的能力。這一步對(duì)于驗(yàn)證濕度水平升高時(shí)的性能至關(guān)重要，可確保傳感器在其工作范圍內(nèi)保持準(zhǔn)確。

• 3.在23℃和35%rh以下如10%rh-20%rh的第三個(gè)調(diào)整點(diǎn)：這個(gè)低濕度調(diào)整點(diǎn)提高了傳感器在干燥條件下的性能。低于20%rh的調(diào)整對(duì)于確認(rèn)傳感器即使在濕度很小的環(huán)境中也能檢測并報(bào)告精確的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

通過使用這三個(gè)不同的點(diǎn)，調(diào)整可確保傳感器的整體精度得到優(yōu)化，并在寬濕度范圍內(nèi)保持公差水平

調(diào)整誤差

校準(zhǔn)是將測量儀器的輸出與參考值進(jìn)行比較，并報(bào)告結(jié)果。調(diào)整是改變儀器的輸出并校準(zhǔn)它以匹配參考的輸出。

用于提供已知濕度和溫度值進(jìn)行校準(zhǔn)的參考儀器有其自身的不確定度，由精度、重復(fù)性、再現(xiàn)性和滯后值組成，在指定最終儀器不確定度時(shí)必須考慮這些不確定度。此外，如果在校準(zhǔn)服務(wù)期間沒有進(jìn)行調(diào)整，則必須考慮測量誤差，并將其納入儀器結(jié)果的計(jì)算中，或?qū)⑵渥鳛槲葱Ｕ恼`差添加到精度中。

使用Rotronic濕度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整

溫度對(duì)Rotronic濕度標(biāo)準(zhǔn)的平衡濕度有影響，證書中23°C的校準(zhǔn)值與表中實(shí)際溫度的濕度值之間的差值必須手動(dòng)添加到調(diào)整參考值的輸入中。

遲滯

滯后是通過運(yùn)行濕度條件的升序和降序獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)之間可以測量的最大差值。滯后決定了濕度儀器的再現(xiàn)性。

對(duì)于任何給定的儀器，滯后值取決于幾個(gè)因素：

• 用于測量滯后的濕度循環(huán)的總跨度

• 傳感器在每種濕度條件下的暴露時(shí)間

• 測量期間的溫度穩(wěn)定性

• 用于確定傳感器平衡和之前傳感器歷史的標(biāo)準(zhǔn)




通常，隨著傳感器長時(shí)間暴露在高濕度和高溫下，傳感器滯后現(xiàn)象會(huì)增加。

注意：溫度會(huì)改變傳感器和電纜的電容。電子元件報(bào)告的濕度值必須補(bǔ)償溫度對(duì)探頭的影響。

只有說明傳感器的滯后值，同時(shí)提供有關(guān)如何執(zhí)行測試的詳細(xì)信息，才有意義。在實(shí)際測量實(shí)踐中，條件非常多樣化，滯后可能會(huì)也可能不會(huì)達(dá)到最大值。因此，將遲滯視為一個(gè)既不能預(yù)測也不能補(bǔ)償?shù)碾S機(jī)值是合理的。當(dāng)規(guī)定了儀器的精度時(shí)，滯后最大值的一半應(yīng)作為正負(fù)誤差平均分布。然而，不應(yīng)將儀器再現(xiàn)性規(guī)定為小于滯后的全值。

3.了解濕度精度

精度，當(dāng)提及測量儀器時(shí)，通常意味著測量的量值與真實(shí)量值之間的接近程度。然而，在實(shí)際中，重要的是要記住，沒有“真實(shí)"值——每次測量都有一定程度的測量不確定性和測量誤差。Rotronic數(shù)據(jù)表上的精度規(guī)格僅描述了儀器讀數(shù)與參考設(shè)備讀數(shù)之間的允許差異（測量誤差）。









在許多情況下，精度規(guī)格本身不足以評(píng)估濕度傳感器的長期可靠性，特別是如果在條件多變的環(huán)境中工作。原因如下：


• Rotronic精度規(guī)格不包括滯后、重復(fù)性、線性、長期穩(wěn)定性和測量不確定度等因素。




4.溫度范圍內(nèi)的精度變化

• 大多數(shù)精度規(guī)格僅在特定溫度或較窄的溫度范圍內(nèi)有效，例如23°C或20°C±5°C范圍內(nèi)的±0.8%rh。如果您在這些參數(shù)之外使用儀器，其精度可能會(huì)降低。這是因?yàn)橄鄬?duì)濕度探頭對(duì)溫度敏感，其性能受到環(huán)境溫度變化的影響。









注意事項(xiàng)：


• 溫度靈敏度：隨著溫度偏離校準(zhǔn)溫度，許多相對(duì)濕度探頭的精度會(huì)降低。這在環(huán)境室或過程控制系統(tǒng)等溫度變化很大的行業(yè)尤為重要。

5.校準(zhǔn)測量不確定度：一個(gè)關(guān)鍵因素

每一次測量，無論多么精確，都帶有一些不確定性。校準(zhǔn)不確定度是指校準(zhǔn)程序的精確性，是了解濕度儀器總精度的關(guān)鍵信息。

6.長期漂移（穩(wěn)定性）：潛在的挑戰(zhàn)

所有相對(duì)濕度測量儀器都會(huì)經(jīng)歷一些長期漂移——由于電子元件老化、機(jī)械磨損和污染物積聚等因素，讀數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化。電容式相對(duì)濕度傳感器容易漂移，因?yàn)樗鼈儽┞对谒鼈冋跍y量的環(huán)境中。濕度傳感器中聚合物的老化是一種正常行為，濕度條件越高，通常顯示的值就越高。

當(dāng)漂移超過3%rh時(shí)，Rotronic建議更換傳感器，因?yàn)閭鞲衅髦髸?huì)漂移得越來越快。

漂移的常見原因：


• 電子元件老化

• 材料的機(jī)械退化

• 灰塵、顆?；蚧瘜W(xué)蒸汽等污染物




根據(jù)傳感器的設(shè)計(jì)和環(huán)境，長期漂移可以是可預(yù)測的或不可預(yù)測的。雖然溫度傳感器通?？梢悦芊庖员苊饨佑|污染物，但相對(duì)濕度傳感器通常是“空氣呼吸器"，使其更容易受到環(huán)境影響。









Rotronic濕度和溫度探頭在清潔空氣中使用時(shí)的漂移為每年小于1%RH。

7.處理污染物：顆粒物和蒸汽

相對(duì)濕度傳感器對(duì)環(huán)境中的污染物特別敏感。這些污染物可能會(huì)暫時(shí)或地影響讀數(shù)，具體取決于其類型和濃度。兩種常見的污染物是：


• 顆粒污染物，如灰塵或鹽，會(huì)積聚在傳感器上并影響其讀數(shù)。在大多數(shù)情況下，由于傳感器上的小氣候，顆粒物會(huì)減緩響應(yīng)時(shí)間或在特定濕度下產(chǎn)生測量偏差（取決于鹽的類型）。

• 蒸汽污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），會(huì)導(dǎo)致傳感器讀數(shù)漂移，特別是在環(huán)境室等封閉系統(tǒng)中。這種污染通常會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)降低，因?yàn)閂OC會(huì)阻止水分子進(jìn)入傳感器。












• 選擇合適的保護(hù)過濾器和定期清潔可以幫助減少顆粒污染物的影響，但蒸汽污染物比較難過濾。 在惡劣的環(huán)境中，預(yù)計(jì)會(huì)有更高的年漂移?？s短校準(zhǔn)和調(diào)整周期可以幫助保持精度。









結(jié)論：精度規(guī)格以外的探究

選擇正確的相對(duì)濕度測量儀器需要的不僅僅是查看數(shù)據(jù)表上的精度規(guī)格。溫度范圍、校準(zhǔn)不確定性、長期漂移和環(huán)境污染物等因素在決定設(shè)備真正的長期性能方面都起著至關(guān)重要的作用。為了避免超公差情況，請(qǐng)深入了解產(chǎn)品數(shù)據(jù)，與廠商溝通，并將規(guī)格與特定應(yīng)用相適配，確保在儀器安裝、維護(hù)和校準(zhǔn)中運(yùn)用良好實(shí)踐。