陳雪霞，陳觀金，伍偉雄，周裕華，陳再舉，黃柳超

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

我們都知道，檢定或校準(zhǔn)溫濕度計(jì)，需要使用溫濕度箱，由溫濕度箱提供一個(gè)穩(wěn)定和均勻的溫濕度場(chǎng)，溫濕度標(biāo)準(zhǔn)器、被檢溫濕度計(jì)同時(shí)放置在溫濕度箱中，待溫濕度箱的溫濕度穩(wěn)定后，溫濕度標(biāo)準(zhǔn)器和被檢溫濕度計(jì)同時(shí)測(cè)量溫濕度箱的溫濕度，比較溫濕度標(biāo)準(zhǔn)器和被檢溫濕度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，從而得到被檢溫濕度計(jì)的測(cè)量誤差。

由于熱交換和風(fēng)速不均勻等各種因素的影響，溫濕度箱各個(gè)位置的溫度和濕度不可能一致，存在一定的溫度差和濕度差。按照檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的要求，溫濕度計(jì)檢定或校準(zhǔn)時(shí)，濕度參數(shù)需要在某個(gè)溫度下檢定或校準(zhǔn)，溫度參數(shù)則沒(méi)有規(guī)定在某個(gè)濕度下檢定或校準(zhǔn)。事實(shí)上，溫濕度箱設(shè)定相同的溫度，在設(shè)定不同的濕度時(shí)，在兩個(gè)不同位置上的溫差并不相同。也就是說(shuō)，溫濕度計(jì)溫度參數(shù)的檢定或校準(zhǔn)，如果在不同的濕度條件下進(jìn)行，則會(huì)因?yàn)闇夭畹淖兓斐蓽囟鹊臋z定或校準(zhǔn)結(jié)果不相同。

溫濕度箱設(shè)定溫度相同，為何在設(shè)定不同濕度的條件下，兩個(gè)不同位置的溫差不相同，溫差的大小與濕度大小的關(guān)系又如何，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究溫濕度箱在不同濕度條件下，空間溫度分布的變化情況，在溫濕度計(jì)檢定或校準(zhǔn)溫度參數(shù)時(shí)，為減小測(cè)量結(jié)果不確定度提供有益的建議。

1 溫濕度箱的工作原理

常見(jiàn)的溫濕度箱的工作原理，通常是在箱體內(nèi)部設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)風(fēng)道，調(diào)節(jié)風(fēng)道內(nèi)安裝有循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷凝器、加熱器、加濕器。加濕器對(duì)空氣進(jìn)行加濕，加熱器對(duì)空氣進(jìn)行加熱，冷凝器對(duì)空氣進(jìn)行冷卻，同時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行冷凝除濕，循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣在工作空間和風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，通過(guò)控制器對(duì)加濕、加熱、制冷的控制調(diào)節(jié)，從而在工作空間獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定和均勻的溫濕度場(chǎng)。

溫濕度箱的工作原理示意圖如圖1。

圖1 溫濕度箱的工作原理示意圖

2 溫濕度箱的溫度分布分析

從溫濕度箱的工作原理看，調(diào)節(jié)風(fēng)道內(nèi)的熱量和冷量，需要通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)攪合并吹送至工作空間，風(fēng)速在熱傳遞中起到關(guān)鍵作用，風(fēng)速越大，熱傳遞越快，風(fēng)速越小，熱傳遞越慢。溫濕度箱這種結(jié)構(gòu)和工作原理，顯然不可能使空氣在工作空間內(nèi)各個(gè)位置上均勻流動(dòng)，甚至在較小的風(fēng)道內(nèi)，各個(gè)位置的風(fēng)速也不太可能十分均勻，這就導(dǎo)致了工作空間內(nèi)各個(gè)位置的溫度不相同。

風(fēng)道內(nèi)冷量、熱量攪合不均勻，導(dǎo)致出風(fēng)口的溫度也不均勻，也是導(dǎo)致了工作空間內(nèi)溫度不均勻的一個(gè)重要原因。

空氣的熱導(dǎo)性差是它的固有特性，因此，即使經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的熱平衡，溫濕度箱工作空間內(nèi)各個(gè)位置依然存在一定的溫差。

3 溫度分布實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

溫濕度箱的工作原理，決定了其工作空間內(nèi)的溫度分布，并沒(méi)有固定的規(guī)律，不存在在某個(gè)方向上溫度逐漸增大或逐漸減小的情況，GB/T 5170.5-2016《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法 第5 部分：濕熱試驗(yàn)設(shè)備》[1]、JJF 1101-2019《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》[2]、JJF 1564-2016《溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱校準(zhǔn)規(guī)范》[3]等標(biāo)準(zhǔn)，均采用溫度均勻度來(lái)反映工作空間內(nèi)的溫度分布情況，溫度均勻度是指工作空間內(nèi)的最大溫差。GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度，是指工作空間內(nèi)任意兩點(diǎn)之間的最大溫差。JJF 1564 所定義的溫度均勻度，是指工作空間內(nèi)任意點(diǎn)與幾何中心點(diǎn)的最大溫差。

一般來(lái)說(shuō)，JJF 1564 所定義的均勻度，會(huì)存在比GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度要小的情況，即GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度，要嚴(yán)于JJF 1564 所定義的均勻度。所以，本實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的溫度均勻度，采用GB/T 5170.5、JJF 1101所定義的溫度均勻度，溫度測(cè)量點(diǎn)按JJF 1101 所規(guī)定的位置布放。

實(shí)驗(yàn)選用兩臺(tái)不同工作原理的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱為被測(cè)對(duì)象，一臺(tái)溫度范圍（-20 ～95）℃，濕度范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱，另一臺(tái)溫度范圍（-40 ～150）℃，濕度范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱。

溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用AA 級(jí)鉑電阻溫度計(jì)和34970A數(shù)據(jù)采集器，并整體校準(zhǔn)修正使用。濕度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用MBW373 精密露點(diǎn)儀。

JJG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程》[4]，溫度檢定范圍為（15 ～30）℃，分別檢定15 ℃、20 ℃、30 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)。濕度檢定范圍為（40 ～80）%RH，在溫度20 ℃時(shí)分別檢定40 %RH 、60 %RH 、80 %RH三個(gè)濕度點(diǎn)。因此，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱溫度15 ℃、20 ℃、30 ℃，濕度不工作時(shí)的溫度均勻度。作為比較，測(cè)量溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱20 ℃/40 %RH 、20 ℃/60 %RH、20 ℃ /80 %RH 三個(gè)濕度點(diǎn)時(shí)的溫度均勻度。

因?yàn)镴JF 1076-2020《數(shù)字式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》[5]的濕度校準(zhǔn)范圍為（10 ～90）%RH，所以本實(shí)驗(yàn)再測(cè)量20 ℃/10 %RH 、 20 ℃/90 %RH 的溫度均勻度。

JJG 205 檢定的溫度只有15 ℃、20 ℃、30 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)，屬于常用的室溫溫度，溫度的均勻性可能差異不算很大。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度90 ℃濕度不開啟、90 ℃/10 %RH、90 ℃/60 %RH 、90 ℃/90 %RH 時(shí)的溫度均勻度，與室溫的溫度均勻度相比，看看溫度均勻度的差異有多大。

4 溫度分布實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按照上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依照J(rèn)JF 1101-2019 的方法，對(duì)一臺(tái)溫度范圍（-20 ～95）℃、濕度測(cè)量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱進(jìn)行溫度均勻度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1 ～3。

表1 濕度測(cè)量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱濕度不工作時(shí)溫度均勻度測(cè)量結(jié)果

表2 濕度測(cè)量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱溫度20 ℃時(shí)設(shè)定不同濕度條件下溫度均勻度測(cè)量結(jié)果

表3 濕度測(cè)量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱溫度90 ℃時(shí)設(shè)定不同濕度條件下溫度均勻度測(cè)量結(jié)果

對(duì)另一臺(tái)工作原理不同于上一臺(tái)，溫度范圍（-40 ～150）℃、濕度測(cè)量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱進(jìn)行溫度均勻度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4、5。

表4 濕度測(cè)量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱溫度20 ℃時(shí)設(shè)定不同濕度條件下溫度均勻度測(cè)量結(jié)果

表5 濕度測(cè)量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱溫度40 ℃時(shí)設(shè)定不同濕度條件下溫度均勻度測(cè)量結(jié)果

5 溫度分布實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

從表1 ～5 的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，在溫度為20 ℃時(shí)，濕度越低，溫度均勻性越差，濕度越高，溫度均勻性越好，說(shuō)明濕度的高低，對(duì)溫度均勻性有影響。在溫度為90 ℃時(shí)，這個(gè)結(jié)果更加明顯。

從熱傳導(dǎo)的角度來(lái)看，空氣熱傳導(dǎo)性能較差，而水則與空氣相反，熱傳導(dǎo)性能非常好，所以空氣中水含量的大小，會(huì)影響它的熱傳導(dǎo)性能，即空氣中的水含量越小熱傳導(dǎo)性能越差，水含量越大，熱傳導(dǎo)性能越好?？諝庵械乃吭黾訒r(shí)，會(huì)加快空氣的熱傳導(dǎo)，進(jìn)而減小工作空間內(nèi)的溫差。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)表明，在設(shè)定相同的溫度時(shí)，濕度由10 %RH 逐漸增大至90 %RH，溫度均勻性也是逐漸變好。

實(shí)驗(yàn)中為什么溫濕度箱在溫度20 ℃，濕度不啟動(dòng)工作時(shí)的溫度均勻性最好，這主要有以下幾方面原因。一是20 ℃與室溫比較接近，箱內(nèi)與箱外的熱交換少。二是沒(méi)有加濕器工作時(shí)對(duì)溫度控制和恒溫的干擾。三是平衡需要的熱量較少。

與之相反，溫濕度箱在溫度90 ℃，濕度不啟動(dòng)工作時(shí)的溫度均勻性并不是最好，這主要有以下幾方面原因。一是空調(diào)室溫環(huán)境下，溫濕度箱室溫時(shí)濕度約為50 %RH 左右，當(dāng)溫濕度箱溫度升至90 ℃，這時(shí)的濕度約只有3 %RH 左右，含水量較小，熱傳導(dǎo)性能差。二是溫度與室溫相差較大，箱內(nèi)與箱外的熱交增加。三是平衡需要的熱量較大，在熱傳導(dǎo)性能較差的情況下，增大了箱內(nèi)的溫差。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，溫濕度箱在室溫或室溫附近時(shí)的溫度，濕度不工作的溫度均勻性，比濕度工作時(shí)的溫度均勻性要好。所以，當(dāng)我們依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，檢定或校準(zhǔn)溫濕度計(jì)室溫或室溫附近的溫度時(shí)，溫濕度箱不需要啟動(dòng)濕度，只需要啟動(dòng)溫度即可。建議不要在檢定或校準(zhǔn)濕度參數(shù)時(shí)，同時(shí)檢定或校準(zhǔn)溫度參數(shù)，特別是不要在10 %RH 的濕度條件下檢定或校準(zhǔn)溫度，以免增加溫濕度箱溫度不均勻引入的不確定度。

與之相反，溫濕度箱在偏離室溫較高時(shí)的溫度，濕度不工作的溫度均勻性，比濕度工作時(shí)的溫度均勻性要差。所以，當(dāng)我們檢定或校準(zhǔn)高溫的溫濕度計(jì)（或溫濕度傳感器）的溫度參數(shù)時(shí)，則需要開啟溫濕度箱的濕度，并盡可能在較高的濕度條件下進(jìn)行，減小溫濕度箱溫度不均勻引入的不確定度。

7 結(jié)束語(yǔ)

溫濕度箱的溫度均勻性，除了與濕度有關(guān)外，還與它的工作原理有關(guān)，特別是與加除濕原理有關(guān)。因此，建議使用者自己親自對(duì)溫濕度箱進(jìn)行測(cè)試，了解溫濕度箱在不開啟濕度控制和不同濕度條件下的溫度分布情況，在實(shí)際使用時(shí)采用均勻度最優(yōu)的方式使用，這樣可以有效提升檢定或校準(zhǔn)的質(zhì)量，減少溫差對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的不確定度。

我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了溫濕度箱的溫度均勻性，與濕度大小、工作原理有關(guān)的事實(shí)，期望能提示從事溫濕度計(jì)檢定或校準(zhǔn)的工作者注意這個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，溫濕度箱濕度的大小，不僅僅影響了溫度的均勻性，還引起了溫度值的變化。