關(guān)于溫濕度檢定箱校準(zhǔn)參數(shù)的探討

王文光，胡愛(ài)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(zhǔn)參數(shù)的探討

王文光，胡愛(ài)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(guò)對(duì)溫濕度檢定箱的溫濕度波動(dòng)度、溫濕度均勻度、風(fēng)速、分辨力、穩(wěn)定度和溫濕度穩(wěn)定時(shí)間等幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合JJG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程》和JJF 1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》，對(duì)傳感器的布點(diǎn)位置進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并對(duì)溫度波動(dòng)度的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，從而更一步地確認(rèn)了對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行研究的必要性，為溫濕度檢定箱的校準(zhǔn)提供了一定的參考。

溫濕度檢定箱；參數(shù)；校準(zhǔn)方法；傳感器；布點(diǎn)位置

0 引言

隨著各個(gè)企事業(yè)單位、科研中心和高新科技公司對(duì)各自的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室、存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)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(lèi)溫濕度計(jì)的需求量和使用量越來(lái)越大，開(kāi)展溫濕度計(jì)檢定和校準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)也越來(lái)越多，溫濕度檢定箱作為溫濕度計(jì)檢定裝置的主要配套設(shè)備之一，其使用量也越來(lái)越大。但是，由于溫濕度檢定箱沒(méi)有明確的計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范，因此，影響溫濕度計(jì)檢定校準(zhǔn)結(jié)果的主要技術(shù)參數(shù)（例如：穩(wěn)定時(shí)間、溫濕度波動(dòng)度、溫濕度均勻度、風(fēng)速和升降溫速率等）沒(méi)有明確的計(jì)量性能要求和評(píng)價(jià)方法，一方面，導(dǎo)致了溫濕度檢定箱的使用十分混亂，從而造成了在校準(zhǔn)溫濕度計(jì)時(shí)的復(fù)現(xiàn)性很差；另一方面，也造成了溫濕度檢定箱的計(jì)量性能評(píng)定無(wú)固定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使得計(jì)量校準(zhǔn)人員在計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)常因沒(méi)有統(tǒng)一的依據(jù)而無(wú)所適從，最終造成了溫濕度的量值傳遞和溯源的混亂?；谏鲜銮闆r，再根據(jù)JJG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)附錄D：溫濕度檢定箱的溫濕度均勻度、波動(dòng)度測(cè)試方法》和JJF 1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校驗(yàn)規(guī)范》，本文對(duì)溫濕度檢定箱的校準(zhǔn)參數(shù)和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了一些探討，并對(duì)溫度波動(dòng)度的不確定度進(jìn)行了評(píng)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(lèi)型。

1.1 雙溫法的工作原理

首先，通過(guò)采用較低溫度的水對(duì)氣流進(jìn)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(guò)程）；然后，將該濕氣加熱至預(yù)定的溫度 （即加熱過(guò)程），從而得到所需的溫度和相對(duì)濕度的濕氣。箱內(nèi)空氣一般是封閉循環(huán)的，其飽和過(guò)程和加熱過(guò)程周而復(fù)始，交替進(jìn)行。

1.2 調(diào)溫調(diào)濕法的工作原理

通過(guò)對(duì)箱內(nèi)溫濕度測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)溫濕度的控制。其溫濕度測(cè)量的主要儀器有干濕球溫濕度計(jì)、高分子電容濕度傳感器或精密露點(diǎn)儀等。

2 計(jì)量特性分析

根據(jù)GB/T 5170 《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法》 和JJF 1101-2003 《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校驗(yàn)規(guī)范》中對(duì)一般環(huán)境試驗(yàn)箱的檢驗(yàn)項(xiàng)目的描述，溫濕度檢定箱的計(jì)量特性應(yīng)主要包括溫濕度偏差、溫濕度波動(dòng)度、溫濕度均勻度、風(fēng)速、溫濕度的穩(wěn)定時(shí)間與穩(wěn)定度、升降溫速率和傳感器的布點(diǎn)位置等。

2.1 溫濕度檢定箱的偏差

通過(guò)對(duì)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(dòng)度很小的溫場(chǎng)，用于確定此溫場(chǎng)的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值的為精密露點(diǎn)儀或者電動(dòng)通風(fēng)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(yīng)的激勵(lì)，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(yīng)為0.1℃，濕度分辨力最小應(yīng)為0.1%RH。

2.3 溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時(shí)間

溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時(shí)間是指溫濕度檢定箱內(nèi)的溫濕度值從設(shè)定值到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。在實(shí)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(dá)到穩(wěn)定，但所需要的時(shí)間并不確定，所以對(duì)溫濕度檢定箱的穩(wěn)定時(shí)間需要有一定的要求。根據(jù)JJG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)》里誤差的檢定要求，穩(wěn)定時(shí)間應(yīng)該在30 min以?xún)?nèi)。

2.4 溫濕度檢定箱的風(fēng)速

一般恒溫恒濕箱要求風(fēng)速不得大于1 m/s，然而，對(duì)于箱內(nèi)的溫濕度計(jì)尤其是干濕表而言，風(fēng)速越小越好；若風(fēng)速太大，則會(huì)加速箱內(nèi)流動(dòng)氣流與被校準(zhǔn)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(zhǔn)確，這與環(huán)境條件的再現(xiàn)并不相符。根據(jù)對(duì)溫濕度計(jì)的檢定要求，采用精密露點(diǎn)儀的溫濕度檢定箱，箱內(nèi)風(fēng)速應(yīng)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(jìn)行溫濕度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，穩(wěn)定性要求比較高，所以有必要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定。溫濕度檢定箱穩(wěn)定度的評(píng)定方法可參考真空干燥箱的穩(wěn)定性評(píng)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(zhǔn)時(shí)傳感器的布點(diǎn)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(jí)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(gè)傳感器距離箱體內(nèi)壁的位置試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 10592-2008《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工作內(nèi)壁和空間溫度的測(cè)試方法，粗略可得一般溫度箱4個(gè)角的傳感器在距離內(nèi)壁3～8 cm的位置處均滿(mǎn)足校準(zhǔn)時(shí)的布點(diǎn)要求?，F(xiàn)分別將每只傳感器置于4個(gè)角、距工作室內(nèi)壁3、6、8 cm距離的位置，測(cè)量各個(gè)傳感器的溫濕度值，以確定最合適的布點(diǎn)位置與箱體內(nèi)壁的距離。試驗(yàn)結(jié)果如表1-2所示。

表1 設(shè)定值為25℃、60%RH時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)傳感器的溫度實(shí)例值t/℃

表2 設(shè)定值為25℃、60%RH時(shí)各個(gè)濕度點(diǎn)傳感器的相對(duì)濕度實(shí)測(cè)值%RH

表3 左前位置溫度傳感器的實(shí)測(cè)值t/℃

綜合表1-2中所測(cè)得的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)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(shí)，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(shí)的小?？紤]在實(shí)際校準(zhǔn)使用中，溫濕度計(jì)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(yàn)

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(cè)量各個(gè)傳感器的溫濕度值，從而確定最合適的下層傳感器布點(diǎn)位置與箱體底面的距離。由于通過(guò)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(diǎn)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(shí)，僅取其中一個(gè)位置的傳感器為例。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)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(shí)，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(shí)測(cè)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(shè)定的溫（濕）度值到達(dá)穩(wěn)定之后的30 min內(nèi)，其有效工作區(qū)域內(nèi)中心點(diǎn)的溫 （濕）度與周?chē)溆帱c(diǎn)的溫（濕）度在任意時(shí)刻的溫 （濕）度差值的絕對(duì)值的最大值。

溫濕度檢定箱的均勻度與一般環(huán)境試驗(yàn)箱的均勻度的計(jì)算方法不同，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)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(shí)刻都要滿(mǎn)足允差，所以溫濕度檢定箱的均勻性要求更高。尤其是在實(shí)際開(kāi)展溫濕度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，溫濕度校準(zhǔn)箱內(nèi)通常會(huì)放入不止一臺(tái)溫濕度計(jì)，所以在記錄溫濕度計(jì)的示值時(shí)，要求各個(gè)溫濕度計(jì)所在區(qū)域的溫濕度值均符合校準(zhǔn)所需的要求，這便要求溫濕度檢定箱的均勻度在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的任意時(shí)刻均滿(mǎn)足校準(zhǔn)條件。

將溫濕度檢定箱的溫度分別設(shè)定為15、20、30℃，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，再穩(wěn)定30 min，然后開(kāi)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(duì)值的最大值為△Ti。

所以，該溫度點(diǎn)上的溫度均勻度為[2]：

濕度均勻度的計(jì)算公式與溫度均勻度的計(jì)算公式相同。

由于溫濕度檢定箱溫濕度均勻度均以每次測(cè)量結(jié)果計(jì)算，所以其不確定的來(lái)源為主要標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度。

2.8 溫濕度檢定箱的波動(dòng)度

由于各種儀器對(duì)溫濕度值的 “敏感度”不一樣，標(biāo)準(zhǔn)器與被校儀器的響應(yīng)速度也不一樣，所以需要引入波動(dòng)度的概念[3]。

溫濕度檢定箱的波動(dòng)度是指在設(shè)定的溫 （濕）度值到達(dá)穩(wěn)定之后，其有效工作區(qū)域內(nèi)中心點(diǎn)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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，在有些試驗(yàn)中，試驗(yàn)的產(chǎn)品特性要求升降溫達(dá)到一定的要求以達(dá)到特定的試驗(yàn)?zāi)康?。根?jù)常用溫濕度計(jì)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(duì)其升降溫速率并無(wú)特殊的要求。但根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)可知，溫度每改變10℃，其所需要的時(shí)間約為60 min；濕度每改變20%RH，其所需要的時(shí)間大約也為60 min。

3 溫度波動(dòng)度測(cè)量不確定度的評(píng)定

3.1 數(shù)學(xué)模型

本次溫度波動(dòng)度測(cè)量不確定度的評(píng)定所選用的數(shù)學(xué)模型為[4]：

式 （1）中：△Tf——溫度波動(dòng)度，℃；

tomax——中心點(diǎn)在n次測(cè)量中的最高溫度，℃；

tomin——中心點(diǎn)在n次測(cè)量中的最低溫度，℃。

3.2 靈敏度系數(shù)

3.3 不確定來(lái)源分析

輸入量tomax和tomin引入的不確定分量來(lái)源于3個(gè)方面：1）由測(cè)量重復(fù)性引入的不確定分量u1（tomax） 和u1（tomin）， 并且這兩個(gè)分量彼此獨(dú)立； 2）由溫度校準(zhǔn)裝置引入的不確定分量u2（tomax）和u2（tomin），tomax和tomin是由同一個(gè)鉑熱電阻在同一位置2次測(cè)得的，所以這兩個(gè)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(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。

3.3.1不確定分量u1（tomax）的評(píng)定

按波動(dòng)度的測(cè)量方式讀取溫濕度檢定箱中心點(diǎn)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(diǎn)溫度15次的示值

3.3.2不確定分量u2（tomax）的評(píng)定

u2（tomax）誤差來(lái)源為四線制工業(yè)A級(jí)鉑熱電阻和數(shù)據(jù)采集器組成的測(cè)量校準(zhǔn)裝置。

u2（tomax） =0.03℃

3.3.3不確定分量u1（tomin）和u2（tomin）的評(píng)定

同理可得u1（tomin）=0.025℃，u2（tomin）=0.03℃

3.3.4不確定分量u3的評(píng)定

A級(jí)鉑熱電阻的年穩(wěn)定性屬于B類(lèi)不確定度，根據(jù)其技術(shù)說(shuō)明書(shū)可得其U=0.1℃，并且滿(mǎn)足均勻分布，故可得

通過(guò)上述分析，已得到了溫度波動(dòng)不確定度的各個(gè)分量，如表6所示。

表6 溫度波動(dòng)度不確定度分量表

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于測(cè)量重復(fù)性引入的兩個(gè)不確定度分量彼此獨(dú)立，所以

由于兩個(gè)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(kuò)展不確定度

取包含因子為k=2，可得擴(kuò)展不確定為U=0.07℃

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)溫濕度檢定箱的溫濕度偏差、溫濕度波動(dòng)度、溫濕度均勻度、風(fēng)速、溫濕度的穩(wěn)定時(shí)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(guò)試驗(yàn)對(duì)檢定箱校準(zhǔn)時(shí)的布點(diǎn)位置進(jìn)行了數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并對(duì)檢定箱的溫度波動(dòng)度做了不確定度評(píng)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(zhǔn)參數(shù)，可作為首次校準(zhǔn)或驗(yàn)收時(shí)的參考項(xiàng)目，后續(xù)和使用中可不校準(zhǔn)；溫濕度波動(dòng)度、溫濕度均勻、風(fēng)速、溫濕度穩(wěn)定時(shí)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(zhǔn)和周期校驗(yàn)中也要進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)，溫濕度檢定箱在校準(zhǔn)時(shí)傳感器的布點(diǎn)位置也需要特別注意，需在最大的有效工作區(qū)域進(jìn)行溫濕度采集[5]。

[1]李英干，范金鵬.濕度測(cè)量 [M].北京：氣象出版社，1990.

[2]全國(guó)物理化學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).機(jī)械式溫濕度計(jì)檢是規(guī)程：JJG 205-2005[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2004.

[3]李吉林，汪開(kāi)道，張錦霞，等.溫度計(jì)量 [M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

[4]崔劍.試驗(yàn)箱溫濕度校準(zhǔn)裝置研制 [D].青島：山東科技大學(xué)，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(yàn)，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(dòng)校準(zhǔn)和檢測(cè)工作。