肖定生

(廣州中廣測(cè)計(jì)量檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510380)

溫濕度計(jì)是化學(xué)類測(cè)量?jī)x器，按顯示方式分為機(jī)械式溫濕度計(jì)和數(shù)字式溫濕度計(jì)兩種。機(jī)械式溫濕度計(jì)由濕度部分(機(jī)械式濕度計(jì)或干濕表)和溫度部分(雙金屬溫度計(jì)或玻璃液體溫度計(jì))組成的一體式溫濕度兩用儀器[1]，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、準(zhǔn)確度較低的特點(diǎn)。數(shù)字式溫濕度計(jì)是指由測(cè)溫元件、濕敏元件及電路組成的，能直接顯示溫度和相對(duì)濕度量值的溫濕度計(jì)[2]，它具有顯示直觀、準(zhǔn)確度高、維護(hù)較難的特點(diǎn)。溫濕度記錄儀是一種能將溫濕度存儲(chǔ)在儀器內(nèi)部的數(shù)字式溫濕度計(jì)。其通過(guò)內(nèi)置或外接的溫濕度傳感器來(lái)測(cè)量溫度和濕度。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云存貯技術(shù)發(fā)展，陸續(xù)推出GPRS型實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)的溫度記錄儀，用戶可通過(guò)電腦瀏覽器或手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)，部分記錄儀還有短信提醒和定位功能，不但能記錄溫濕度數(shù)據(jù)，還能指示設(shè)備的位置坐標(biāo)、提示儀器的使用狀況，這些功能配備使溫濕度記錄儀廣泛用于化學(xué)和冷鏈物品的生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、物流的各個(gè)環(huán)節(jié)，如化學(xué)危險(xiǎn)品生產(chǎn)車(chē)間、冷藏集裝箱、冷藏車(chē)、冷藏包、冷庫(kù)、實(shí)驗(yàn)室等。

2011年浙江省發(fā)布了JJF(浙)1049-2010《溫濕度記錄儀校準(zhǔn)規(guī)范》。規(guī)定了溫濕度記錄儀的計(jì)量特性、校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)結(jié)果的表達(dá)，適用于溫度范圍(-30～70 ℃)，濕度范圍(0～100%RH)的溫濕度記錄儀的校準(zhǔn)[3]。對(duì)近年來(lái)規(guī)范溫濕度記錄儀的量值溯源起到積極促進(jìn)作用，但作為一個(gè)地方性校準(zhǔn)規(guī)范，有一定的局限性，無(wú)法在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛推廣。2020年11月26日國(guó)家新發(fā)布了JJF11076-2020《數(shù)字式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》，明確此校準(zhǔn)規(guī)范適用于溫濕度記錄儀的校準(zhǔn)，新規(guī)范將于2021年5月26日開(kāi)始實(shí)施，從此，溫濕度記錄儀校準(zhǔn)有了國(guó)家層面的標(biāo)準(zhǔn)。

1 校準(zhǔn)方法

將被校準(zhǔn)的溫濕度記錄儀放入濕度發(fā)生器的測(cè)試室內(nèi)或溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱的中心位置，同時(shí)，在被校準(zhǔn)的溫濕度記錄儀旁邊放置標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和精密露點(diǎn)儀的露點(diǎn)傳感器。先設(shè)定濕度發(fā)生器的溫度值，當(dāng)溫度平衡后，設(shè)定濕度發(fā)生器的濕度值，一般由低濕到高濕，通常間隔10% RH做一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)在溫濕度達(dá)到設(shè)定值后穩(wěn)定10 min，然后每隔2 min左右記錄精密露點(diǎn)儀的相對(duì)濕度值、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的溫度值和被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀的溫度、相對(duì)濕度顯示值，共記錄3組數(shù)據(jù)，然后做下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，至所有的校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試結(jié)束。按式(1)和(2)計(jì)算測(cè)量誤差[2]。

2 校準(zhǔn)條件

2.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：20～30 ℃，相對(duì)濕度不大于85%[2]。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

(1)精密露點(diǎn)儀

測(cè)量范圍：(-20～40) ℃(露點(diǎn))；最大允許誤差：±0.2 ℃(露點(diǎn))[2]。

(2)數(shù)字式溫度計(jì)

測(cè)量范圍：(-20～100) ℃；最大允許誤差：±0.05 ℃[2]。

(3)溫濕度檢定箱

濕度范圍：10%RH～90%RH，均勻度不大于1.0%RH，波動(dòng)度不超過(guò)±0.8% RH[4]。

(4)溫度標(biāo)準(zhǔn)箱

溫度范圍：(-30～100) ℃，均勻度不大于0.2 ℃，波動(dòng)度不超過(guò)±0.1 ℃。

3 測(cè)量模型

被校溫濕記錄儀溫度測(cè)量誤差ΔT及濕度測(cè)量誤差ΔH的計(jì)算見(jiàn)式(1)和式(2):

ΔT=T示-T標(biāo)

(1)

ΔH==H示-H標(biāo)

(2)

式中：ΔT——被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀溫度測(cè)量誤差，℃

T示——被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀溫度示值，℃

T標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)器溫度示值，℃

ΔH——被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀濕度測(cè)量誤差，%RH

H示——被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀濕度示值，%RH

H標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)器濕度示值，%RH

4 不確定度來(lái)源的確定和分析

我們以一款DL-WS20型內(nèi)置傳感器的溫濕度記錄儀作為被測(cè)對(duì)象，該儀器的溫度測(cè)量范圍為-20～70 ℃，分辨力為0.1 ℃，濕度的測(cè)量范圍為0～100%RH，分辨力為0.1%RH。不確定度分量主要考慮被校準(zhǔn)溫濕度記錄儀示值、溫度及濕度的標(biāo)準(zhǔn)值、溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱的溫度、濕度均勻度及波動(dòng)度對(duì)它的影響。

下面選擇20 ℃，60%RH作為溫濕度記錄儀校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的不確定分析。

5 溫度測(cè)量誤差不確定度的評(píng)定

5.1 不確定度計(jì)算公式

對(duì)式(1)各分量求偏導(dǎo)，各分量的靈敏系數(shù)如下：

式中：uc(ΔT)——溫度測(cè)量誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，℃

u(T標(biāo))——溫度標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度，℃

u(T示)——儀器溫度示值的不確定度，℃

5.2 儀器溫度示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(T示)

由于溫濕度記錄儀的溫度示值重復(fù)性很好，因此用分辨力引入的不確定度分量作為儀器示值引入的不確定度。被校準(zhǔn)溫濕度計(jì)的溫度分辨力為0.1 ℃,不確定度區(qū)間半寬為 0.05 ℃，服從均勻分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

5.3 溫度標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T標(biāo))

溫度標(biāo)準(zhǔn)u(T標(biāo))主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)u1(T標(biāo))、溫度標(biāo)準(zhǔn)箱均勻度u2(T標(biāo))、溫度標(biāo)準(zhǔn)箱的波動(dòng)度u3(T標(biāo))。

5.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(T標(biāo))

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的最大的允許誤差±0.05 ℃，所以其引入的不確定度為：

5.3.2 溫度標(biāo)準(zhǔn)箱均勻度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(T標(biāo))

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度箱的出廠技術(shù)指標(biāo)，溫度箱溫度均勻度為不大于0.2 ℃，按均勻分布計(jì)算，則：

5.3.3 溫度標(biāo)準(zhǔn)箱波動(dòng)度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(T標(biāo))

根據(jù)溫度標(biāo)準(zhǔn)箱出廠技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溫度箱溫度波動(dòng)度為不超過(guò)±0.10 ℃，按均勻分布計(jì)算，則：

溫度標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(T標(biāo))是u1(T標(biāo))、u2(T標(biāo))、u3(T標(biāo))的合成，則

5.4 溫度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5.4.1 溫度標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表(見(jiàn)表1)

表1 溫度標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表Table 1 Summary of temperature standard uncertainty

5.4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

輸入量c(T標(biāo))與u(T示)彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以ΔT的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

5.5 溫度擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

取置信因子k=2，擴(kuò)展不確定度為：

U=k·uc(ΔT)=2×0.10 ℃=0.2 ℃

6 濕度測(cè)量誤差不確定度的評(píng)定

6.1 不確定度計(jì)算公式

對(duì)式(2)各分量求偏導(dǎo)，各分量的靈敏系數(shù)如下：

式中：uc(ΔH)——濕度測(cè)量誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，%RH

u(H標(biāo))——濕度標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度，%RH

u(H示)——儀器濕度示值的不確定度，%RH

6.2 儀器濕度示值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(H示)

溫濕度記錄儀濕度示值不確定度主要由重復(fù)性測(cè)量引入，用A類方法進(jìn)行不確定度評(píng)定，在相同測(cè)量條件下，在20 ℃時(shí)，對(duì)60%濕度校準(zhǔn)點(diǎn)的示值進(jìn)行10次重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 濕度示值重復(fù)性測(cè)量結(jié)果Table 2 Humidity indicator repeatability measurements

實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差:

實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)在相同條件下以重復(fù)測(cè)量3次結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果，則：

6.3 濕度標(biāo)準(zhǔn)值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(H標(biāo))

濕度標(biāo)準(zhǔn)值u(H標(biāo))主要來(lái)源于精密露點(diǎn)儀u1(H標(biāo))、溫濕度檢定箱濕度均勻度u2(H標(biāo))、溫濕度檢定箱濕度的波動(dòng)度u3(H標(biāo))。

6.3.1 精密露點(diǎn)儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(H標(biāo))

根據(jù)校準(zhǔn)證書(shū)，精密露點(diǎn)儀的濕度示值的擴(kuò)展不確定度為U=1.3%RH，k=2，所以：

6.3.2 溫濕度檢定箱均勻度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2(H標(biāo))

用B類方法進(jìn)行不確定度評(píng)定，校準(zhǔn)規(guī)范要求溫濕度檢定箱均勻度不大于1%，按均勻分布計(jì)算，則：

6.3.3 溫濕度檢定箱波動(dòng)度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(H標(biāo))

用B類方法進(jìn)行不確定度評(píng)定，JJF 1564-2016 溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱校準(zhǔn)規(guī)范要求溫濕度檢定箱波動(dòng)度不超過(guò)±0.8%，按均勻分布計(jì)算，則：

濕度標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(H標(biāo))是u1(H標(biāo))、u2(H標(biāo))、u3(H標(biāo))的合成，則

6.4 濕度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6.4.1 濕度標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表(見(jiàn)表3)

表3 濕度標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表Table 3 Summary of uncertainty of humidity standards

6.4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

輸入量u(H標(biāo))與u(H示)彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以ΔH的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

6.5 濕度擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

取置信因子k=2，擴(kuò)展不確定度為：

U=k·uc(ΔH)=2×0.87%RH≈1.8%RH

7 不確定度報(bào)告

當(dāng)采用溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱為溫濕度源對(duì)溫濕度記錄儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)，20 ℃時(shí)溫度測(cè)量誤差的擴(kuò)展不確定度：U=0.2 ℃，k=2；60%RH濕度測(cè)量誤差的擴(kuò)展不確定度：U=1.8%RH，k=2。

8 結(jié) 論

測(cè)量不確定度是對(duì)應(yīng)每個(gè)測(cè)量結(jié)果的，因此對(duì)不同參數(shù)、不同測(cè)量范圍的不同量值，應(yīng)分別給出相應(yīng)的測(cè)量不確定度[5]。本文根據(jù)測(cè)量不確定度評(píng)定的要求，對(duì)溫濕度記錄儀測(cè)量誤差測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定分析，研究了溫度、濕度兩個(gè)參數(shù)的不確定分量來(lái)源，并按照所選用的溫濕度源進(jìn)行了常用溫濕度校準(zhǔn)點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，使用者要根據(jù)自己選用的標(biāo)準(zhǔn)器具、校準(zhǔn)點(diǎn)、環(huán)境溫濕度等測(cè)量條件，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，才能保證評(píng)出的測(cè)量不確定度結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。