數(shù)字式溫濕度計(jì)溫度參數(shù)校準(zhǔn)方法的分析

及 毅

（滄州市計(jì)量測試所，河北 滄州 061000）

溫濕度是環(huán)境參數(shù)中最基本的參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人們生活水平的提升，溫濕度對于人們的日常生活具有越來越關(guān)鍵的影響。數(shù)字溫濕度計(jì)因具有攜帶方便、容易讀數(shù)以及維護(hù)簡單等特點(diǎn)，在藥店、檢測實(shí)驗(yàn)室等對于溫濕度較為敏感的場所，有著逐漸取代機(jī)械式溫濕度計(jì)的趨勢。由于我國對于溫濕度計(jì)的檢定校準(zhǔn)缺乏規(guī)范，使得數(shù)字溫濕度計(jì)的使用精確度受到一定程度的影響。

1 數(shù)字溫濕度計(jì)工作原理

數(shù)字溫濕度計(jì)通過溫度和濕度的感應(yīng)元件隨著溫濕度的變化產(chǎn)生不同的電信號的特性制成的測量儀器，其主要構(gòu)成由感應(yīng)元件、電路部分和顯示系統(tǒng)三大主要組成部分。

感溫元件主要包含了工業(yè)鉑電阻、半導(dǎo)體元件、熱敏電阻等，其通過溫度和電信號的變化，經(jīng)由信號處理后，在儀表上以數(shù)字形式顯示被測量的溫度值；感濕元件包含了濕敏電容、濕敏電阻或濕敏諧振器等，在濕度發(fā)生變化時(shí)，感濕元件的輸出電信號也隨之變化，經(jīng)過電路處理后，通過數(shù)字輸出相對濕度。

另一種工作原理，是數(shù)字式溫濕度計(jì)由溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存貯、譯碼現(xiàn)實(shí)和時(shí)序電路構(gòu)成，當(dāng)測量濕度時(shí)，干濕溫度表分別測出各自溫度值，再經(jīng)由放大器將溫度信號轉(zhuǎn)換為模數(shù)電路所能夠接受的模擬電信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后溫度信號變?yōu)閿?shù)字信號。在其中，干濕溫度的數(shù)字信號被送入溫度顯示電路直接顯示，之后干濕溫度的數(shù)字信號再組成查閱數(shù)據(jù)存貯所需的地址碼，在其選中的存貯單元中，就是與此同時(shí)的干濕溫度相對于的濕度值，最后被選中的濕度值在經(jīng)由譯碼后輸出顯示，整個(gè)過程中都是由電路負(fù)責(zé)控制，能夠自動進(jìn)行。在這一種溫濕度計(jì)中，其自動工作的關(guān)鍵在于使用了由EPROM構(gòu)成的數(shù)據(jù)存貯電路與干濕溫度合成的地址碼，其被用于存貯濕度表的濕度值。

無論是絕對濕度還是相對濕度，都會受到飽和水汽壓的影響?，F(xiàn)階段的一般電子線路無法對飽和水汽壓這樣的非線性函數(shù)進(jìn)行描述，但可以通過微處理器進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，如今國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)許多實(shí)用微處理器的溫濕度計(jì)，其具有較高的精度，誤差通常低于3%的相對濕度，因?yàn)閮r(jià)格較高，其推廣使用存在一定的困難。隨著電路設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化與技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)的成本也得到了有效控制，在線路簡化的同時(shí)性能也愈發(fā)可靠。

2 溫濕度計(jì)校準(zhǔn)相關(guān)要求

在對數(shù)字溫濕度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中，需要遵循計(jì)量性能和通用技術(shù)兩方面的相關(guān)要求。

在計(jì)量性能上，溫濕度計(jì)的溫度修正值的范圍需要控制在±0.5 ℃的范圍內(nèi)，在20 ℃以及（40～70）%RH的條件下，相對濕度的修正值也不得超過±3 %RH。通用技術(shù)方面，需要確保外形結(jié)構(gòu)的完整性，例如儀表名稱、型號規(guī)格、測量范圍、制造廠名或上班、出廠編號等，都需要進(jìn)行明確標(biāo)記；在外露部件方面，不得出現(xiàn)松動與破損，數(shù)字顯示面板不可出現(xiàn)對讀數(shù)產(chǎn)生影響的缺陷；外界傳感器必須確保其良好接觸；儀表顯示值應(yīng)清晰可讀，亮度均勻且沒有疊字，數(shù)字顯示不能出現(xiàn)缺少筆畫等問題，不得出現(xiàn)間隔跳動，小數(shù)點(diǎn)、極性和過載狀態(tài)應(yīng)正確顯示，確保其準(zhǔn)確性。

3 數(shù)字溫濕度計(jì)的具體校準(zhǔn)方法

數(shù)字溫濕度計(jì)的準(zhǔn)確性對于日常的生產(chǎn)生活具有至關(guān)重要的影響，尤其是在諸如藥店、檢測實(shí)驗(yàn)室等對于溫濕度有著較為嚴(yán)格要求的場所，如果數(shù)字溫濕度計(jì)的準(zhǔn)確性出現(xiàn)問題，則會使得環(huán)境內(nèi)的溫度和濕度無法得到準(zhǔn)確控制。為了保障數(shù)字溫濕度計(jì)的準(zhǔn)確性，需要對數(shù)字溫濕度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，需要通過合適的方法，對數(shù)字溫濕度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而對環(huán)境溫濕度進(jìn)行有效監(jiān)控。

（1）明確測量標(biāo)準(zhǔn)。在校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度計(jì)時(shí)，需要對測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確，為校準(zhǔn)工作提供可供參考的標(biāo)準(zhǔn)。精密露點(diǎn)儀方面，選用配鉑電阻溫度計(jì)的冷鏡式露點(diǎn)儀，其能夠同時(shí)顯示露點(diǎn)溫度、相對濕度和溫度，技術(shù)指標(biāo)方面，在露點(diǎn)的測量范圍是(-20～+40）℃，最大允許誤差在±0.2 ℃。溫濕度試驗(yàn)箱方面，其需要具備自動溫濕度調(diào)節(jié)功能，應(yīng)搭配開門和大面積透明觀察窗。在溫度范圍內(nèi)，在（5～50）℃，均勻度為0.3 ℃，波動度在±0.2 ℃范圍內(nèi)。在相對濕度上，在20 ℃的條件下其范圍在（10～95）%RH，均勻度是1.0 %RH，波動度為±1.0 %RH。

（2）制定校準(zhǔn)方案。在校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度計(jì)的過程中，需要制定完善的校準(zhǔn)方案。將標(biāo)準(zhǔn)器的探頭放入溫濕度校準(zhǔn)箱的有效工作區(qū)域的中心位置，并將溫濕度計(jì)置于有效工作區(qū)域，從由低到高的順序進(jìn)行排列，在設(shè)定的溫度和濕度充分穩(wěn)定后，用露點(diǎn)儀通過比較法對數(shù)字溫濕度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

在校準(zhǔn)溫度示值誤差的過程中，其校準(zhǔn)點(diǎn)為15 ℃、20 ℃和30 ℃，在溫濕度試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值之后穩(wěn)定10 min，然后每隔2 min記錄露點(diǎn)儀的相對濕度值、溫度值和被校準(zhǔn)溫濕度計(jì)的溫度、相對濕度值，共記錄三組數(shù)據(jù)。取三次讀數(shù)的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)器的溫度示值TB和被校準(zhǔn)儀器的溫度示值T。在計(jì)算溫度示值誤差的過程中，按照下列公式計(jì)算。

△T=T-TB

△T：被校準(zhǔn)儀器的溫度示值的誤差值；T：是被校準(zhǔn)儀器的溫度示值；TB：是標(biāo)準(zhǔn)器的溫度示值。單位均為℃。

（3）選擇工作區(qū)域。數(shù)字溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)對于環(huán)境具有一定的要求，因此有效工作區(qū)域的選取至關(guān)重要。在溫濕度場有效工作區(qū)域內(nèi)的濕度參數(shù)的準(zhǔn)確度，對數(shù)字溫濕度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性具有直接影響，故對于溫濕度箱的選擇提出了更高的要求。參考機(jī)械式溫濕度計(jì)的檢定規(guī)程中的方法，取距工作室內(nèi)壁距離50 mm的工作空間作為數(shù)字溫濕度計(jì)的有效工作區(qū)域，并使用技術(shù)指標(biāo)為溫度允許誤差為±0.1 ℃、露點(diǎn)允許誤差±0.1 ℃的精密露點(diǎn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，組成數(shù)字溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)裝置。

在有效工作區(qū)域內(nèi)，可得到的溫濕度參數(shù)如下：溫度均勻度為0.1 ℃，每30 min的波動度為±0.1 ℃；相對濕度的均勻度為0.5 %RH，每30 min的波動度為±0.2 %RH。

（4）評定不確定度。校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度計(jì)的過程中，還需要對不確定度進(jìn)行評定。文章中將以溫度20 ℃、相對濕度60 %RH點(diǎn)為例進(jìn)行校準(zhǔn)，對溫度測量的不確定度進(jìn)行評定。

在評定溫度測量的不確定度時(shí)，將校準(zhǔn)溫濕度計(jì)溫度部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的類型、分量和來源等列入溫度測量不確定度概算表中，則可得到溫度合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度和有效自由度，并取置信概率95%和有效自由度100，查詢t分布表可得到所需數(shù)值，即可得到溫度校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度。

對于濕度測量的不確定度評定，需要將校準(zhǔn)溫濕度計(jì)濕度部分的標(biāo)準(zhǔn)不確定度類型、分量和來源等數(shù)據(jù)填入濕度測量不確定度概算表，通過相應(yīng)公式得到露點(diǎn)儀傳感器處的實(shí)際相對濕度，其中公式中包含了在一定壓力下露點(diǎn)儀露點(diǎn)和溫度讀數(shù)相關(guān)的增強(qiáng)因子以及露點(diǎn)儀露點(diǎn)讀數(shù)和溫度讀數(shù)所對應(yīng)的飽和蒸氣壓力。經(jīng)過計(jì)算后，可以得出露點(diǎn)儀的相對濕度標(biāo)準(zhǔn)不確定度，隨之得出濕度合成標(biāo)準(zhǔn)的不確定度和有效自由度。取95%的置信概率和有效自由度100，根據(jù)t分布表得到對應(yīng)數(shù)值，最后得出濕度校準(zhǔn)結(jié)果擴(kuò)展不確定度。

以30 ℃校準(zhǔn)點(diǎn)為例，首先進(jìn)行多次測量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1；其次，將標(biāo)準(zhǔn)露點(diǎn)儀的最大允許誤差引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2；第三，由溫濕度試驗(yàn)箱的溫場不均勻性，得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3；第四，根據(jù)溫濕度試驗(yàn)箱的溫度波動度，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4；最后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度u，并合成擴(kuò)展不確定度U。

（5）遵循相應(yīng)規(guī)范。在對數(shù)字溫濕度進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中，其關(guān)鍵在于遵循相應(yīng)規(guī)范。規(guī)范中，包含了相應(yīng)的規(guī)程、定義、術(shù)語和各類表格等，對于校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性具有非常大的幫助，進(jìn)而更好地對溫濕度進(jìn)行校準(zhǔn)。

在進(jìn)行溫濕度計(jì)校準(zhǔn)的過程中，還應(yīng)遵循相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行。雖然JJG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)檢定規(guī)程》在溫濕度計(jì)的檢定工作中起到了非常關(guān)鍵的作用，但隨著時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，數(shù)字溫濕度計(jì)的發(fā)展與需求也在不斷擴(kuò)大，其中包括了存儲記錄功能的數(shù)字溫濕度計(jì)更是得到了廣泛應(yīng)用。隨著2020年11月JJF 1076-2020《數(shù)字式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》的頒布，其更符合數(shù)字溫濕度計(jì)的技術(shù)要求，例如新規(guī)范增加了引言和不確定度評定，并微調(diào)了章節(jié)順序，內(nèi)容更為嚴(yán)謹(jǐn)。

過去的舊規(guī)范所適用的范圍較小，而新規(guī)范能夠適用于更多的溫濕度計(jì)，且其他原理的溫濕度計(jì)也能夠參考這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，廣泛的應(yīng)用范圍也更加貼合實(shí)際，考慮到目前市面上的許多濕度計(jì)帶有溫度參數(shù)，新校準(zhǔn)規(guī)范也收錄了與溫度參數(shù)校準(zhǔn)的內(nèi)容。

在計(jì)量特性上，新規(guī)范只保留了溫濕度計(jì)的修正值和濕度穩(wěn)定性，刪除了舊規(guī)范中的準(zhǔn)確度等級、溫度系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間等計(jì)算特性，增加了溫度修正值的特性，使得標(biāo)準(zhǔn)更加簡潔實(shí)用。

在校準(zhǔn)環(huán)境條件上，舊規(guī)范是18～28 ℃，濕度環(huán)境要求<85 %RH；新校準(zhǔn)規(guī)范的溫度環(huán)境要求是20～30 ℃，濕度環(huán)境要求是<85 %RH，在溫度校準(zhǔn)范圍上做出了調(diào)整。

此外，新標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)器上也作出了規(guī)定。新標(biāo)準(zhǔn)明確了溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱可作為濕度發(fā)生器，用于校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度計(jì)，且對于溫濕度計(jì)提出了更為嚴(yán)格的要求，其范圍是10～95 %RH，均勻度不大于1.0 %RH，波動度不超過±1.0 %RH，溫度范圍是5～50 ℃，均勻度不大于0.3 ℃，波動度不超過±0.2 ℃，比舊規(guī)范增加了濕度發(fā)生器的溫濕度均勻度和波動度等具體要求。

在新規(guī)范中，其對精密露點(diǎn)儀的要求也存在變化，表述上也更為準(zhǔn)確，其最大允許誤差為±0.2 ℃，在舊規(guī)范中的表述為擴(kuò)展不確定度0.2 ℃。在新規(guī)范中，對于溫度具有更為嚴(yán)格的要求，新規(guī)范中對于數(shù)字溫濕度計(jì)的測溫范圍擴(kuò)大至-20～+100 ℃，最大允許誤差為±0.05 ℃，舊規(guī)范中溫度計(jì)的測溫范圍是0～50 ℃，擴(kuò)展不確定度為0.2 ℃。

在校準(zhǔn)項(xiàng)目與方法上，新規(guī)范能夠根據(jù)客戶需要對溫濕度計(jì)的溫度量值進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大新規(guī)范的適用范圍，更符合市場需求。在對溫濕度計(jì)的穩(wěn)定性進(jìn)行評估的過程中，新規(guī)范刪除了校準(zhǔn)間隔期間對濕度傳感器保存環(huán)境上的要求，只需要在室內(nèi)的自然條件之下即可。此外，新規(guī)范在評估溫濕度計(jì)的短期與長期的穩(wěn)定性的過程中，其對校準(zhǔn)溫度進(jìn)行調(diào)整，將25 ℃調(diào)整為20 ℃，并刪除了濕度傳感器的準(zhǔn)確度等級、溫度系數(shù)、響應(yīng)時(shí)間和濕滯校準(zhǔn)等項(xiàng)目，使得校準(zhǔn)工作更為簡潔。

（6）嘗試在線校準(zhǔn)。溫濕度設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，貫穿于整個(gè)生命周期，在各個(gè)階段的各個(gè)環(huán)節(jié)都有所滲透，具有數(shù)據(jù)跨度范圍廣、傳輸量大和應(yīng)用場景豐富的特點(diǎn)。例如在航天航空領(lǐng)域，其在溫濕度測量方面的要求就高于其他領(lǐng)域，因此對于工藝規(guī)范也有著更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，如果溫濕度的監(jiān)控精準(zhǔn)度無法得到保障，則會使得產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。

但是，在某些領(lǐng)域中，其工況的復(fù)雜使得各種自動化系統(tǒng)的參數(shù)和接口無法做到統(tǒng)一，幾乎不具備通用性，從而降低了各個(gè)系統(tǒng)之間的自由度以及功能的完善性和可計(jì)量性，需要重新設(shè)計(jì)甚至是二次開發(fā)相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備；由于溫濕度測量所使用的校準(zhǔn)方法上的限制，使得大部分的設(shè)備所使用的傳感器拆卸后送到實(shí)驗(yàn)室，并放入溫濕度檢定箱中，通過將測量值和設(shè)定值之間的誤差進(jìn)行對比，以檢驗(yàn)設(shè)備是否滿足相應(yīng)要求，但這樣的操作增加了時(shí)間與經(jīng)濟(jì)上的成本；盡管溫濕度測量設(shè)備的品牌與型號五花八門，但從本質(zhì)上看，其數(shù)據(jù)能夠通過相關(guān)的接口輸入到電腦或者非易失性記憶體中，在系統(tǒng)斷電后也不會丟失數(shù)據(jù)，但在電腦端需要配套的驅(qū)動程序，且編寫時(shí)的任務(wù)量較大，且電腦系統(tǒng)的升級讓驅(qū)動程序也需要隨之更新，而系統(tǒng)卻存在易用性和通用性的問題，因此如今的大部分?jǐn)?shù)字溫濕度計(jì)已經(jīng)將驅(qū)動程序作為標(biāo)配。

根據(jù)JJF 1076-2020《數(shù)字式溫濕度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》對數(shù)字式溫濕度計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)之后，將編程平臺和語言進(jìn)行確定，通過軟件編程為校準(zhǔn)過程編寫自動化程序并對相應(yīng)步驟進(jìn)行測試，從而讓溫濕度箱和溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)自動化，并設(shè)計(jì)軟件界面，構(gòu)建可視化窗體，添加相應(yīng)控件，便于校準(zhǔn)人員操作。為了能夠?qū)⒏鞣N型號的溫濕度計(jì)進(jìn)行統(tǒng)一管理與相關(guān)軟件的集成開發(fā)，可對各個(gè)型號溫濕度計(jì)的指令清冊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，之后對于新型號溫濕度計(jì)僅需要將其錄入即可。

自動化方案能夠在提升工作效率的同時(shí)，也能夠降低人工分析所帶來的誤差，從而保障校準(zhǔn)工作的質(zhì)量。

4 結(jié)論

溫濕度計(jì)主要原理是通過溫濕度敏感元件對環(huán)境的溫濕度的變化產(chǎn)生不同的電量特性，經(jīng)由信號處理器，通過數(shù)字顯示輸出溫濕度數(shù)值。為了校準(zhǔn)數(shù)字溫濕度計(jì)，需要對測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確，制定一套完善的校準(zhǔn)方案，選擇合適的工作區(qū)域，對不確定度進(jìn)行評定，并對其分量進(jìn)行確定。此外，在進(jìn)行溫濕度計(jì)的校準(zhǔn)時(shí)，還要遵循相應(yīng)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步保障數(shù)字溫濕度計(jì)的準(zhǔn)確度，使得在一些對溫濕度具有一定要求的場合下對其進(jìn)行更為有效的監(jiān)控。