王文光，胡愛軍

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

關(guān)于溫濕度檢定箱校準參數(shù)的探討

王文光，胡愛軍

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

通過對溫濕度檢定箱的溫濕度波動度、溫濕度均勻度、風速、分辨力、穩(wěn)定度和溫濕度穩(wěn)定時間等幾個主要參數(shù)進行研究，結(jié)合JJG 205-2005《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》和JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校準規(guī)范》，對傳感器的布點位置進行了試驗分析，并對溫度波動度的不確定度進行了評定，從而更一步地確認了對各種參數(shù)進行研究的必要性，為溫濕度檢定箱的校準提供了一定的參考。

溫濕度檢定箱；參數(shù)；校準方法；傳感器；布點位置

0 引言

隨著各個企事業(yè)單位、科研中心和高新科技公司對各自的研發(fā)實驗室、存儲倉庫的生產(chǎn)流水線等溫濕度環(huán)境條件的要求的不斷提高，各類溫濕度計的需求量和使用量越來越大，開展溫濕度計檢定和校準的機構(gòu)也越來越多，溫濕度檢定箱作為溫濕度計檢定裝置的主要配套設備之一，其使用量也越來越大。但是，由于溫濕度檢定箱沒有明確的計量校準規(guī)范，因此，影響溫濕度計檢定校準結(jié)果的主要技術(shù)參數(shù)（例如：穩(wěn)定時間、溫濕度波動度、溫濕度均勻度、風速和升降溫速率等）沒有明確的計量性能要求和評價方法，一方面，導致了溫濕度檢定箱的使用十分混亂，從而造成了在校準溫濕度計時的復現(xiàn)性很差；另一方面，也造成了溫濕度檢定箱的計量性能評定無固定標準，進而使得計量校準人員在計量校準時常因沒有統(tǒng)一的依據(jù)而無所適從，最終造成了溫濕度的量值傳遞和溯源的混亂。基于上述情況，再根據(jù)JJG 205-2005《機械式溫濕度計附錄D：溫濕度檢定箱的溫濕度均勻度、波動度測試方法》和JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校驗規(guī)范》，本文對溫濕度檢定箱的校準參數(shù)和校準方法進行了一些探討，并對溫度波動度的不確定度進行了評定。

1 濕度箱的工作原理

濕度箱的工作原理，目前主要為雙溫法、調(diào)溫調(diào)濕法兩種類型。

1.1 雙溫法的工作原理

首先，通過采用較低溫度的水對氣流進行噴淋、鼓泡等方式產(chǎn)生該溫度下的飽和濕空氣 （即飽和過程）；然后，將該濕氣加熱至預定的溫度 （即加熱過程），從而得到所需的溫度和相對濕度的濕氣。箱內(nèi)空氣一般是封閉循環(huán)的，其飽和過程和加熱過程周而復始，交替進行。

1.2 調(diào)溫調(diào)濕法的工作原理

通過對箱內(nèi)溫濕度測量值的反饋控制，采用蒸汽或噴霧加濕、制冷或干燥劑去濕的方式來實現(xiàn)對箱內(nèi)溫濕度的控制。其溫濕度測量的主要儀器有干濕球溫濕度計、高分子電容濕度傳感器或精密露點儀等。

2 計量特性分析

根據(jù)GB/T 5170 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設備檢驗方法》 和JJF 1101-2003 《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校驗規(guī)范》中對一般環(huán)境試驗箱的檢驗項目的描述，溫濕度檢定箱的計量特性應主要包括溫濕度偏差、溫濕度波動度、溫濕度均勻度、風速、溫濕度的穩(wěn)定時間與穩(wěn)定度、升降溫速率和傳感器的布點位置等。

2.1 溫濕度檢定箱的偏差

通過對濕度箱原理的分析可知，溫濕度檢定箱提供的都是均勻性和波動度很小的溫場，用于確定此溫場的溫濕度標準值的為精密露點儀或者電動通風干濕表所示的示值，所以溫濕度檢定箱本身的偏差并不是其主要參數(shù)。

2.2 溫濕度檢定箱的分辨力

溫濕度檢定箱的分辨力是指能夠得到溫濕度箱內(nèi)有效工作區(qū)域內(nèi)最小的有意義響應的激勵，是控制溫濕度檢定箱的最小控制值。溫濕度檢定箱的溫度分辨力最小應為0.1℃，濕度分辨力最小應為0.1%RH。

2.3 溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時間

溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時間是指溫濕度檢定箱內(nèi)的溫濕度值從設定值到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間。在實際使用中，雖然大多數(shù)溫濕度檢定箱的溫濕度最終都能達到穩(wěn)定，但所需要的時間并不確定，所以對溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時間需要有一定的要求。根據(jù)JJG 205-2005《機械式溫濕度計》里誤差的檢定要求，穩(wěn)定時間應該在30 min以內(nèi)。

2.4 溫濕度檢定箱的風速

一般恒溫恒濕箱要求風速不得大于1 m/s，然而，對于箱內(nèi)的溫濕度計尤其是干濕表而言，風速越小越好；若風速太大，則會加速箱內(nèi)流動氣流與被校準儀器表面之間的熱交換和濕球紗布水分的蒸發(fā)，造成溫濕度值的不準確，這與環(huán)境條件的再現(xiàn)并不相符。根據(jù)對溫濕度計的檢定要求，采用精密露點儀的溫濕度檢定箱，箱內(nèi)風速應不大于0.2 m/s[1]。

2.5 溫濕度檢定箱的穩(wěn)定度

由于溫濕度檢定箱在進行溫濕度計校準時，穩(wěn)定性要求比較高，所以有必要對其穩(wěn)定性進行評定。溫濕度檢定箱穩(wěn)定度的評定方法可參考真空干燥箱的穩(wěn)定性評定方法，在不改變溫濕度檢定箱溫濕度值的條件下，考核6 h，每30 min記錄一次，共記錄12次。

2.6 溫濕度檢定箱校準時傳感器的布點位置

以廣五所生產(chǎn)的EW 0420型溫濕度檢定箱為例，分別將9只濕度傳感器和9只A級熱鉑電阻傳感器布置于溫濕度檢定箱工作室的上層與下層（上層位置取箱體工作室的中間水平面）。

2.6.1各個傳感器距離箱體內(nèi)壁的位置試驗

根據(jù)GB/T 10592-2008《高低溫試驗箱技術(shù)條件》標準中規(guī)定的工作內(nèi)壁和空間溫度的測試方法，粗略可得一般溫度箱4個角的傳感器在距離內(nèi)壁3～8 cm的位置處均滿足校準時的布點要求。現(xiàn)分別將每只傳感器置于4個角、距工作室內(nèi)壁3、6、8 cm距離的位置，測量各個傳感器的溫濕度值，以確定最合適的布點位置與箱體內(nèi)壁的距離。試驗結(jié)果如表1-2所示。

表1 設定值為25℃、60%RH時各個溫度點傳感器的溫度實例值t/℃

表2 設定值為25℃、60%RH時各個濕度點傳感器的相對濕度實測值%RH

表3 左前位置溫度傳感器的實測值t/℃

綜合表1-2中所測得的數(shù)據(jù)可知，當溫濕度傳感器所布的位置與工作室的內(nèi)壁之間的距離在6～8 cm范圍內(nèi)時，其溫濕度的變化要比將傳感器置于距內(nèi)室3～6 cm范圍內(nèi)時的小?？紤]在實際校準使用中，溫濕度計都是有一定尺寸大小的，所以將溫濕度傳感器布置在距離內(nèi)壁8 cm處比較合適。

2.6.2下層傳感器距離箱體底部的位置試驗

分別將下層4只傳感器置于距工作室下層3、6、8 cm距離的位置，測量各個傳感器的溫濕度值，從而確定最合適的下層傳感器布點位置與箱體底面的距離。由于通過上文的討論已經(jīng)得知，傳感器距內(nèi)壁的最佳距離為8 cm，且各點的溫濕度差異不大，所以討論下層傳感器距底面的最佳距離時，僅取其中一個位置的傳感器為例。

綜合上述試驗結(jié)果可知，當溫濕度檢定箱的下層傳感器與箱體底部距離為 3、6、8 cm時，溫濕度值變化均比較小，為了使使用空間盡可能地大，將溫濕度檢定箱布置在距離箱體底部3 cm的位置處比較合適。

表4 在20℃下左前位置濕度傳感器的實測值%RH

2.7 溫濕度檢定箱的均勻度

溫濕度檢定箱的均勻度的定義為：在設定的溫（濕）度值到達穩(wěn)定之后的30 min內(nèi)，其有效工作區(qū)域內(nèi)中心點的溫 （濕）度與周圍其余點的溫（濕）度在任意時刻的溫 （濕）度差值的絕對值的最大值。

溫濕度檢定箱的均勻度與一般環(huán)境試驗箱的均勻度的計算方法不同，在穩(wěn)定狀態(tài)時，環(huán)境試驗箱的均勻度取15次的平均值，而溫濕度檢定箱的均勻度則要求在任意時刻都要滿足允差，所以溫濕度檢定箱的均勻性要求更高。尤其是在實際開展溫濕度計校準時，溫濕度校準箱內(nèi)通常會放入不止一臺溫濕度計，所以在記錄溫濕度計的示值時，要求各個溫濕度計所在區(qū)域的溫濕度值均符合校準所需的要求，這便要求溫濕度檢定箱的均勻度在規(guī)定時間內(nèi)的任意時刻均滿足校準條件。

將溫濕度檢定箱的溫度分別設定為15、20、30℃，當溫度達到設定值后，再穩(wěn)定30 min，然后開始記錄溫箱內(nèi)1～9位置的溫度，每隔2 min記錄一組數(shù)據(jù)， 共記錄15組數(shù)據(jù)， 即：Ti1～Ti9（i= 1，2…，15），Ti2～Ti9與Ti1之差的絕對值的最大值為△Ti。

所以，該溫度點上的溫度均勻度為[2]：

濕度均勻度的計算公式與溫度均勻度的計算公式相同。

由于溫濕度檢定箱溫濕度均勻度均以每次測量結(jié)果計算，所以其不確定的來源為主要標準器引入的不確定度。

2.8 溫濕度檢定箱的波動度

由于各種儀器對溫濕度值的 “敏感度”不一樣，標準器與被校儀器的響應速度也不一樣，所以需要引入波動度的概念[3]。

溫濕度檢定箱的波動度是指在設定的溫 （濕）度值到達穩(wěn)定之后，其有效工作區(qū)域內(nèi)中心點的溫（濕）度在30 min內(nèi)的最大值與最小值的差值的1/2。

2.9 升降溫速率

升降溫速率是控制溫度從一個穩(wěn)定狀態(tài)到達下一個穩(wěn)定狀態(tài)的時間，在有些試驗中，試驗的產(chǎn)品特性要求升降溫達到一定的要求以達到特定的試驗目的。根據(jù)常用溫濕度計的溫濕度特性，溫濕度檢定箱的溫度范圍一般為5～50℃、濕度范圍為10%RH～90%RH，且對其升降溫速率并無特殊的要求。但根據(jù)使用經(jīng)驗可知，溫度每改變10℃，其所需要的時間約為60 min；濕度每改變20%RH，其所需要的時間大約也為60 min。

3 溫度波動度測量不確定度的評定

3.1 數(shù)學模型

本次溫度波動度測量不確定度的評定所選用的數(shù)學模型為[4]：

式 （1）中：△Tf——溫度波動度，℃；

tomax——中心點在n次測量中的最高溫度，℃；

tomin——中心點在n次測量中的最低溫度，℃。

3.2 靈敏度系數(shù)

3.3 不確定來源分析

輸入量tomax和tomin引入的不確定分量來源于3個方面：1）由測量重復性引入的不確定分量u1（tomax） 和u1（tomin）， 并且這兩個分量彼此獨立； 2）由溫度校準裝置引入的不確定分量u2（tomax）和u2（tomin），tomax和tomin是由同一個鉑熱電阻在同一位置2次測得的，所以這兩個量彼此正相關(guān)；3）由鉑電阻本身的年穩(wěn)定性 （使用范圍-80～300℃）引入的標準不確定度u3。

3.3.1不確定分量u1（tomax）的評定

按波動度的測量方式讀取溫濕度檢定箱中心點溫度15次的示值， 分別記為to1， to2，……to15， 記其平均值為to，所得的結(jié)果如表5所示。

表5 溫濕度檢定箱中心點溫度15次的示值

3.3.2不確定分量u2（tomax）的評定

u2（tomax）誤差來源為四線制工業(yè)A級鉑熱電阻和數(shù)據(jù)采集器組成的測量校準裝置。

u2（tomax） =0.03℃

3.3.3不確定分量u1（tomin）和u2（tomin）的評定

同理可得u1（tomin）=0.025℃，u2（tomin）=0.03℃

3.3.4不確定分量u3的評定

A級鉑熱電阻的年穩(wěn)定性屬于B類不確定度，根據(jù)其技術(shù)說明書可得其U=0.1℃，并且滿足均勻分布，故可得

通過上述分析，已得到了溫度波動不確定度的各個分量，如表6所示。

表6 溫度波動度不確定度分量表

3.4 合成標準不確定度

由于測量重復性引入的兩個不確定度分量彼此獨立，所以

由于兩個量傳誤差引入的不確定度分量為正相關(guān) （相關(guān)系數(shù)為1），故采用代數(shù)加法合成的方法可得：

3.5 擴展不確定度

取包含因子為k=2，可得擴展不確定為U=0.07℃

4 結(jié)束語

本文對溫濕度檢定箱的溫濕度偏差、溫濕度波動度、溫濕度均勻度、風速、溫濕度的穩(wěn)定時間與穩(wěn)定度和升降溫速率做了合理的理論上的分析，通過試驗對檢定箱校準時的布點位置進行了數(shù)據(jù)驗證，并對檢定箱的溫度波動度做了不確定度評定。由分析可得，溫濕度偏差、升降溫速率和分辨力等參數(shù)不屬于溫濕度檢定箱的主要校準參數(shù)，可作為首次校準或驗收時的參考項目，后續(xù)和使用中可不校準；溫濕度波動度、溫濕度均勻、風速、溫濕度穩(wěn)定時間和穩(wěn)定度則為溫濕度檢定箱的主要參數(shù)，需要在后續(xù)校準和周期校驗中也要進行校準，同時，溫濕度檢定箱在校準時傳感器的布點位置也需要特別注意，需在最大的有效工作區(qū)域進行溫濕度采集[5]。

[1]李英干，范金鵬.濕度測量 [M].北京：氣象出版社，1990.

[2]全國物理化學計量技術(shù)委員會.機械式溫濕度計檢是規(guī)程：JJG 205-2005[S].北京：中國計量出版社，2004.

[3]李吉林，汪開道，張錦霞，等.溫度計量 [M].北京：中國計量出版社，2006.

[4]崔劍.試驗箱溫濕度校準裝置研制 [D].青島：山東科技大學，2005.

[5]周涵瀛.利用快速插頭提高濕度箱的檢定效率 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2015，33（5）：59-61.

Discussion on the Calibration Parameters of Temperature and Humidity Test Chamber

WANG Wenguang，HU Aijun
（CEPREI-EAST，Suzhou 215011，China）

Through the research on the main parameters of temperature and humidity test chamber，such as temperature and humidity fluctuation，temperature and humidity uniformity，wind speed，resolution，stability，temperature and humidity stability time，and combining with JJG-2005“Verfication Regulation of Mechanical Thermo-hygrometers” and JJF 1101-2003“Calibraton Specification for the Equipment of the Environmental Testing for Temperature and Humidity”，the location of sensor is tested and analyzed，and the uncertainty of temperature fluctuation is evaluated，and the necessity of the study of the parameters is confirmed，which provides a reference for the calibration of the temperature and humidity test chamber.

temperature and humidity test chamber；parameter；calibration method；sensor；point location

TB 94

：A

：1672-5468（2017）01-0062-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.01.013

2016-06-20

王文光 （1989-），男，甘肅武威人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所助理工程師，主要從事熱工和振動校準和檢測工作。