湿度测量标准的现状及发展趋势

1. 湿度测量标准的现状及发展趋势 易洪 中国计量科学研究院 2010年9月18日

2. 内容概要 一、2010年ISHM简介 二、湿度测量标准的研究新进展 三、湿度计的研究进展 四、湿度发生器的研究进展 五、湿度领域的国际交流与合作 六、展望

3. 湿度测量标准的现状及发展趋势 一、2010年ISHM简介 2010国际温度Tempemco与湿度和水分 ISHM联合大会于2010年5月31日至 6月3日赴斯洛文尼亚波尔托罗日。 第11届世界温度大会，第6届世界湿度 大会。 本次会议接受论文400篇，参加会议的 代表308名。Tempemco会议是每三年举 办一次，ISHM是每四年举办一次，这是 两会第一次联合举办。

4. 湿度测量标准的现状及发展趋势 会议内容涉及：湿度与水分标准；水蒸气 压测量；湿度计和水分传感器；水分分 布和传送；校准过程及设备；工业应用 ；实验室比对测量。 固定点，热力学温度，波尔兹曼常数。 会议还辟有墙报栏和国际知名厂商仪器 交流展示区。 展示了国际温度与湿度和水分领域研究 发展的最新成果。也向国际同行展示了 中国的研究水平和实力。

5. 湿度测量标准的现状及发展趋势 6月4日CCT第六工作组举行了湿度工作 组会议，会议由湿度工作组主席英国 NPL的Bell博士主持，全体湿度工作组 成员讨论了将要进行的高露点湿度标准 比对协议，时间安排。湿度定义、术语 和符号任务组，湿度发展战略任务组， 湿度测量不确定度评估任务组各自的工 作任务，计划安排。下一届国际湿度与 水分会议的规划。

6. 湿度测量标准的现状及发展趋势 二、湿度测量标准的研究新进展 湿度是一个生产过程中的关键参数， 是气候模型中的主要指标，决定着执行 全球气候变化行动。 平流层中的水蒸气是一个最主要的温室 气体，同流层中的水蒸气量主要由地球 气候所决定。

7. 湿度测量标准的现状及发展趋势 二、湿度测量标准的研究新进展 大气中由自然或人为产生的能够吸收长波辐射的气体 成分。如水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)和氯氟烃(CFC)是地球 大气中的主要温室气体。 气候转暖的主要原因就是温室气体效应，目前，科学 家列举出构成温室气体的10种最主要气体成份，其中 水汽位居榜首，人们所熟知的二氧化碳排列第二，来 自天然气中的甲烷居第三。 依据跨政府气候变化评估小组称，36~70%的温室效应 是由水蒸气造成的。

8. 湿度测量标准的现状及发展趋势 二、湿度测量标准的研究新进展 全球平流层水蒸气的出入平衡人们不甚 了解，将来的变化趋势也不清楚。需要 测量更多的数据进行分析研究。 目前卫星探测数据的准确度差。难于满 足全球平流层水蒸气压测量的要求。 政府和公众需要知道全球气候变化的原 因和结果。这是对湿度界一个重大的挑 战。

9. 湿度测量标准的现状及发展趋势 二、湿度测量标准的研究新进展 我被邀请在湿度和水分分会作了基于水 蒸气压实现建立更高湿度基准的报告。 在报告中我提出了实现更高湿度基准的 方法和途径。 大家知道，一般来说，国家湿度标准是 由基准重量法湿度计，标准湿度发生器 和精密露点仪组成。

10. 湿度测量标准的现状及发展趋势 目前的湿度基准是重量法湿度计。 其测量范围是-60~+30 ℃ ，测量不确定度 0.01 ℃ 。

11. 湿度测量标准的现状及发展趋势 当前，湿度测量中最准确的量值是什么？ 答案是水三相点的压力值，其不确定度为0.010Pa 。 对应的温度不确定度为0.1mk。水三相点不仅是温度 测量的基准点，也将是湿度测量的基准点。 我提出的基于测量水蒸气压实现的湿度基准的测量 不确定度为0.001C，在水三相点的测量不确定度为 0.0001C。 实现途径是采用压控热管技术保证 温度稳定准确测量水蒸气压力。

12. 湿度测量标准的现状及发展趋势 在湿度测量中，饱和水蒸气压是基 础数据。因此，我们自然会想到如 何更准确地直接测量饱和水蒸气压。 基于水蒸气压测量，我提出了建立 更高湿度基准的设想。

13. 湿度测量标准的现状及发展趋势气控热管技术可用于测量水蒸气压曲线。在+1°C to+100°C, 温度的稳定性达到mk水平。

14. 湿度测量标准的现状及发展趋势 Jeremy博士分析了Wexler公式的不确定 度，在0°C ~+100°C，对于水蒸气压 的露点不确定度大约为1mk。因此， 基于水蒸气压的测量可以实现更高的湿 度基准。

15. 湿度测量标准的现状及发展趋势Courtesy Dr. Jeremy

16. 湿度测量标准的现状及发展趋势 结论： 水三相点的蒸气压对于湿度测量具有最高的准 确度。 水三相点的蒸气压可以成为湿度测量的基准点。 基于水蒸气压的测量可以实现更高的湿度基准。 更准确的测量水蒸气压的方法应该发展。 更准确的测量空气中饱和水蒸气压的方法应该发展。 评估空气中饱和水蒸气压公式需要进行更多的理论 和实验工作。 湿度基准的定义和溯源途径需要发展。

17. 湿度测量标准的现状及发展趋势 三、湿度计的研究进展 气体湿度的基本测量量是混合比，用重 量法实现，在重量法湿度计中，气流中 的水蒸气被分离，并且被分别收集和称 量（或间接测量干气的体积和密度）， 其中范围NPL的重量法湿度计是真正的 同时测量水蒸气质量和干气质量，它是 目前测量范围最大，测量不确定度最小 的重要法湿度计。

18. 湿度测量标准的现状及发展趋势 混合比对于湿度基准测量是最直接最基 本的量，但用重量法复现混合比困难、 繁琐。 如果把混合此对湿度的关系比喻为热力 学温标对温度的关系，则露点对湿度的 关系，类似于实用温标（ITS-90）对温 度的关系。 实际复现湿度量值大多数采 用露点，尽管露点不是最基本的湿度单 位量。

19. 湿度测量标准的现状及发展趋势 标准湿度计的研究进展： ①冷镜式精密露点仪是指热电冷却镜面， 自动检测露层的平衡式精密露点仪，这 种露点仪是根据露点温度的定义设计制 成的，由于制作原理可靠，技术成熟， 该仪器被作为湿度传道标准，广泛运用 于国家湿度标准实验室，

20. 湿度测量标准的现状及发展趋势 目前先进的冷镜式精密露点仪的测量范 围可达-95℃~+95℃，测量准确度为 0.1℃，在管路吹扫好的情况下，使用快 速响应功能测量露点-75℃只需要20分钟。 新型冷镜式精密露点仪还有清除镜面 过冷水的功能，也可以用配备的内窥镜 观察镜面结露结霜情况。还配备有加热 气管附件用于露点高于室温时的露点测 量。

21. 湿度测量标准的现状及发展趋势 ②大气压离子质谱仪： 是通过测量分子离子的质荷比丰度来检 测水蒸气浓度。对于ppb量级的湿度测量， 大气压离子质谱法可能是最好的分析方 法，该方法既可以测量水也可测量其它 组份，缺点是成本高，操作复杂。

22. 湿度测量标准的现状及发展趋势 ③光腔衰荡光谱（Cavity Ring Down Spectroscopy） 光强在空腔中的指数衰减和物种吸收的 衰荡时间有关，而衰荡时间与物种吸收 截面，分子密度（浓度），空腔尺寸， 吸收波长，镜面反射性有关。

23. 湿度测量标准的现状及发展趋势 通过测量衰荡时间即可测量分子密度， CRDS测量ppb量级的水蒸气浓度是一个 新型的方法，据报导从700ppb切换到0或 0切换到700ppb，仪器响应时间只需几分 钟。可以检测多个组分浓度，美国NIST 希望将这种方法发展成检测极低含量水 蒸气浓度的标准方法。

24. 湿度测量标准的现状及发展趋势 四、湿度发生器的研究进展 标准湿度发生器是建立在坚实的理论基 础上，反映新的测量技术进展，标准器 的量值可溯源到SI单位。 在大多数国家湿度标准实验室中，湿度 的复现是以露点来进行的，露点是饱和 水蒸气的函数，露点发生器是在一定的 温度，压力下产生饱和气体，然后被用 来校准湿度计。

25. 湿度测量标准的现状及发展趋势 单压法湿度发生器是在一定的温度，压 力下产生饱和气体。双压法湿度发生器 中气体在较高压力下饱和，然后膨胀减 压，用以调节气体湿度量值。 单压法和双压法湿度发生器各自有不同 的优点，单压法湿度发生器更基础、更 准确，双压法湿度发生器则变换露点更 快捷，但测量不确定度更大。

26. 湿度测量标准的现状及发展趋势 ①低霜点湿度发生器 为了满足溯源性校准的需要，很多国家 实验室已经建立或正在建立低霜点湿度 发生器，其水蒸气浓度低于1ppm。低霜 点湿度发生器的工作原理有：单压法、 双压法、分流法、扩散渗透法等。

27. 湿度测量标准的现状及发展趋势 单压法可直接实现霜点，几乎不依赖于 已有的水蒸气压数据和气体的非理想性。 重要的是，该法不取决于气源的干燥程 度，而这可能是其它类型湿度发生器的 主要误差来源。美国的LEPG饱和器和控 温装置都有新设计，从-20℃到-80℃霜 点范围，LFPG和双压法湿度发生器比时， 只有很小的系统误差（0.1 ℃）。

28. 湿度测量标准的现状及发展趋势 ②库仑法湿度发生器 PTB建立一套新的库仑法湿度发生器， 在该发生器中，由电解水产生的氢和氧 在催化剂作用下重新形成水。通过电解 电流和载气流速决定发生器的最终湿度。

29. 湿度测量标准的现状及发展趋势 该发生器有一个基本的优点，即产生的 水蒸气压不限于水面或冰面，而是由电 解法产生，因此可直接溯源到物质的量 这个基本单位。因此，该方法对于低霜 点是非常有价值，它避免了霜点和摩尔 分数之间的转换，而且也避免了由于冰 有不同形态，可能造成的霜点误差。

30. 湿度测量标准的现状及发展趋势 ③扩散、渗透法湿度发生器 扩散渗透法湿度发生器是一种主要湿度 发生器，它是通过水在扩散管，渗透管 中经扩散和渗透后载带水蒸气进入气流 中而产生一定湿度。

31. 湿度测量标准的现状及发展趋势 目前，扩散渗透法湿度发生器可用磁力 天平在现测量扩散管和湿度管中水的重 量变化，从而得到准确的湿度量值。 该方法要求载带气源干燥，流量稳定控 制。适合产生ppm到ppb量级水蒸气浓度。

32. 湿度测量标准的现状及发展趋势 在世界范围内对湿度测量和校准的需求 日益增加，这来自于对越来越好产品的 需要和遵守ISO9000质量体系的要求，对 检测实验室认可的质量要求，也促进新 湿度标准的发展。 全球气候变化对湿度测量提出更高要求。

33. 湿度测量标准的现状及发展趋势 五、湿度领域的国际交流与合作 湿度领域国际合作和国际比对日益频繁， 1994年CCT/BIPM组成了湿度测量工作 组，其目的是促进湿度标准的国际比对， 讨论修改湿度测量名词术语和定义，低 水蒸气浓度湿度测量标准，高温高湿测 量标准等问题。

34. 湿度测量标准的现状及发展趋势 1997年欧洲国家完成了露点标准比对， 参加国有芬兰、法国、德国、意大利、 荷兰、西班牙和英国。在-50℃~0℃的露 点范围，有些国家的测量结果超差。 2001年亚洲国家完成了露点标准比对。 中国参加了这次湿度标准比对，并取得 了很好的成绩。

35. APMP湿度比对

36. APMP湿度比对

37. APMP湿度比对

38. 湿度测量标准的现状及发展趋势 今年，国际湿度专家工作组，完成起 草有关湿度测量不确定度评定文件，文 件针对多种不同的发生器和露点仪等检 测条件，进行了测量不确定度分析评定。 湿度测量量值质量的提高不仅来源于技 术和实验装置改进，也来源于在实验室 评定中，更严格的不确定度分析和实验 过程评估。

39. 湿度测量标准的现状及发展趋势 国际湿度专家工作组正在对湿度名词术 语和定义进行修改，其中指出相对湿度 的定义在100℃以上，一个大气压下显然 不适用，并进行了新定义的尝试。绝对 湿度的术语也倾向改为水蒸气体积浓度 表示。以避免将一些表示绝对湿度的量 和绝对湿度概念本身相混淆

40. 湿度测量标准的现状及发展趋势 饱和水蒸气压是湿度测量的基础数据， 它的协调一致也是人们关注的课题。对 饱和水蒸气压数据的确认必然加强湿度 标准和湿度测量工作，湿度单位的转换， 饱和水蒸气压计算公式及气体的非理想 性修正，都必须加以协调和确认。有关 极低水蒸气压的测量方法也值得关注。

41. 湿度测量标准的现状及发展趋势 湿度计算软件的协调 很多湿度仪器公司提供有关湿度计算和转换 软件，这大大方便了人们的使用。 但是使用的人，对于这些计算中作了哪些假 设，计算的基础知识和结果在什么情况下是 有效的，并不清楚，要解决这些问题，软件 编写者首先要使编程尽可能透明，要说明公 式的来源，测量结果的不确定度。更好的解 决方法是所有编程者使用同样的数据库，英 国、美国已有标准化的湿度计算软件。

42. 湿度测量标准的现状及发展趋势 六、展望 湿度计量已发展成为一个重要的计量领 域，它有自己的检定系统，基标准，检 定规程、测试规范。然而湿度测量还有 很多未解决的问题和挑战。预计在以下 几方面是发展重点：

43. 湿度测量标准的现状及发展趋势 1.在高温高湿80 ℃ ~200 ℃ 、低露点-100 ℃方向发展。 2.解决污染腐蚀性环境下的湿度测量问题。 3.采用新原理、新技术的湿度计将不断涌 现。 4.构建新的湿度发生器。 5.饱和水蒸气压数据测量。 6.国际交流与合作不断扩大。

44. Thank you!