了解濕度測量：提高精度的關鍵見解

比較相對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濕度測量儀器時需要考慮的四個關鍵因素。

1.定義和區(qū)別

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

例如，交付前校準可以“聲明"儀器的引用規(guī)格或精度。

Rotronic技術規(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“真實值"預期所在的范圍。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。這意味著真實值預計在34.4%rh至35.2%rh的范圍內(nèi)。

公差在Rotronic技術規(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操作范圍內(nèi)，給定產(chǎn)品可以合理地預期什么樣的性能，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

相對濕度取決于溫度和壓力

Rotronic HygroClip探頭自動補償物理溫度依賴性。先進的電子元件包含基于WMO標準的類似飽和蒸汽壓表，以便進行精確校正。

在常見的相對濕度測量中通常不考慮總氣體壓力。一個例外是當存在較大的壓差時，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濕度測量將為腔室內(nèi)的實際相對濕度提供不同的讀數(shù)。

Rotronic HygroClip探頭可以設置為不同的壓力，以改善補償，特別是在輸出露點等計算值時。

溫度誤差

溫度會對濕度測量的幾個方面產(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隨溫度而變化。此外，溫度傳感器本身的精度（也用于補償）對濕度測量的精度有影響。

HygroClip – 濕度傳感器溫度補償

所有相對濕度傳感器都需要補償溫度對濕度輸出信號的影響，以在寬范圍的溫度條件下保持準確的測量。Rotronic Hycroclip探頭內(nèi)的AirChip 3000在存儲器中保存了一組31個表，對應-100°C至+200?C范圍內(nèi)的溫度值。每個表都持有以10%rh的步長0%rh和100%rh之間的補償數(shù)據(jù)。結合高精度溫度測量、低功耗、低自熱設計和先進的電子元件，Rotronic HygroClip可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的相對濕度和溫度測量。

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），但相對濕度傳感器（0…100%rh之間）的典型響應是非線性的。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結合使用的濕度傳感器的電容是相對濕度（%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)溫度對濕度傳感器的影響和每個探頭的獨特補償值對這些值進行補償。

HygroClip — 濕度傳感器線性化

每個HygroClip探頭都有一個名為AirChip3000的內(nèi)置微控制器，它在內(nèi)存中保存了一組兩個表（A1%和A2%），其中包括應用于濕度傳感器生成的原始濕度數(shù)據(jù)的校正（線性化）。每個表包含101個值（從0到100%rh，步長為10%rh），以實現(xiàn)濕度傳感器的非常精確的線性化。表A1%為出廠默認值。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表中的相應校正值加到原始濕度值上而獲得的。插值用于中間原始值。用戶可以隨時將AirChip3000重置為其原始出廠設置。

注意：誤選調(diào)整值可能會導致線性誤差的不同分布，并可能對儀器精度產(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確定的。調(diào)整這些值應能減少線性誤差。

Rotronic關于調(diào)整點的建議：

• 1.在23℃和35%rh下的第一個調(diào)整點：該標準調(diào)整點用于提高傳感器在典型環(huán)境條件下的基線精度。在這個點下的調(diào)整有助于確保在溫和環(huán)境中進行可靠的測量。

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

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

通過使用這三個不同的點，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

校準是將測量儀器的輸出與參考值進行比較，并報告結果。調(diào)整是改變儀器的輸出并校準它以匹配參考的輸出。

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

使用Rotronic濕度標準進行調(diào)整

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

遲滯

滯后是通過運行濕度條件的升序和降序獲得的相應數(shù)據(jù)對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。

對于任何給定的儀器，滯后值取決于幾個因素：

• 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準




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

注意：溫度會改變傳感器和電纜的電容。電子元件報告的濕度值必須補償溫度對探頭的影響。

只有說明傳感器的滯后值，同時提供有關如何執(zhí)行測試的詳細信息，才有意義。在實際測量實踐中，條件非常多樣化，滯后可能會也可能不會達到最大值。因此，將遲滯視為一個既不能預測也不能補償?shù)碾S機值是合理的。當規(guī)定了儀器的精度時，滯后最大值的一半應作為正負誤差平均分布。然而，不應將儀器再現(xiàn)性規(guī)定為小于滯后的全值。

3.了解濕度精度

精度，當提及測量儀器時，通常意味著測量的量值與真實量值之間的接近程度。然而，在實際中，重要的是要記住，沒有“真實"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，其精度可能會降低。這是因為相對濕度探頭對溫度敏感，其性能受到環(huán)境溫度變化的影響。









注意事項：


• 溫度靈敏度：隨著溫度偏離校準溫度，許多相對濕度探頭的精度會降低。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.校準測量不確定度：一個關鍵因素

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

6.長期漂移（穩(wěn)定性）：潛在的挑戰(zhàn)

所有相對濕度測量儀器都會經(jīng)歷一些長期漂移——由于電子元件老化、機械磨損和污染物積聚等因素，讀數(shù)會隨著時間的推移而變化。電容式相對濕度傳感器容易漂移，因為它們暴露在它們正在測量的環(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。

當漂移超過3%rh時，Rotronic建議更換傳感器，因為傳感器之后會漂移得越來越快。

漂移的常見原因：


• 電子元件老化

• 材料的機械退化

• 灰塵、顆粒或化學蒸汽等污染物




根據(jù)傳感器的設計和環(huán)境，長期漂移可以是可預測的或不可預測的。雖然溫度傳感器通常可以密封以避免接觸污染物，但相對濕度傳感器通常是“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的漂移為每年小于1%RH。

7.處理污染物：顆粒物和蒸汽

相對濕度傳感器對環(huán)境中的污染物特別敏感。這些污染物可能會暫時或地影響讀數(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，顆粒物會減緩響應時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)性有機化合物（VOC），會導致傳感器讀數(shù)漂移，特別是在環(huán)境室等封閉系統(tǒng)中。這種污染通常會導致讀數(shù)降低，因為VOC會阻止水分子進入傳感器。












• 選擇合適的保護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，預計會有更高的年漂移。縮短校準和調(diào)整周期可以幫助保持精度。









結論：精度規(guī)格以外的探究

選擇正確的相對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、校準不確定性、長期漂移和環(huán)境污染物等因素在決定設備真正的長期性能方面都起著至關重要的作用。為了避免超公差情況，請深入了解產(chǎn)品數(shù)據(jù)，與廠商溝通，并將規(guī)格與特定應用相適配，確保在儀器安裝、維護和校準中運用良好實踐。