关于温湿度检定箱校准参数的探讨

王文光，胡爱军

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

关于温湿度检定箱校准参数的探讨

王文光，胡爱军

（工业和信息化部电子第五研究所华东分所，江苏 苏州 215011）

通过对温湿度检定箱的温湿度波动度、温湿度均匀度、风速、分辨力、稳定度和温湿度稳定时间等几个主要参数进行研究，结合JJG 205-2005《机械式温湿度计检定规程》和JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》，对传感器的布点位置进行了试验分析，并对温度波动度的不确定度进行了评定，从而更一步地确认了对各种参数进行研究的必要性，为温湿度检定箱的校准提供了一定的参考。

温湿度检定箱；参数；校准方法；传感器；布点位置

0 引言

随着各个企事业单位、科研中心和高新科技公司对各自的研发实验室、存储仓库的生产流水线等温湿度环境条件的要求的不断提高，各类温湿度计的需求量和使用量越来越大，开展温湿度计检定和校准的机构也越来越多，温湿度检定箱作为温湿度计检定装置的主要配套设备之一，其使用量也越来越大。但是，由于温湿度检定箱没有明确的计量校准规范，因此，影响温湿度计检定校准结果的主要技术参数（例如：稳定时间、温湿度波动度、温湿度均匀度、风速和升降温速率等）没有明确的计量性能要求和评价方法，一方面，导致了温湿度检定箱的使用十分混乱，从而造成了在校准温湿度计时的复现性很差；另一方面，也造成了温湿度检定箱的计量性能评定无固定标准，进而使得计量校准人员在计量校准时常因没有统一的依据而无所适从，最终造成了温湿度的量值传递和溯源的混乱。基于上述情况，再根据JJG 205-2005《机械式温湿度计附录D：温湿度检定箱的温湿度均匀度、波动度测试方法》和JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校验规范》，本文对温湿度检定箱的校准参数和校准方法进行了一些探讨，并对温度波动度的不确定度进行了评定。

1 湿度箱的工作原理

湿度箱的工作原理，目前主要为双温法、调温调湿法两种类型。

1.1 双温法的工作原理

首先，通过采用较低温度的水对气流进行喷淋、鼓泡等方式产生该温度下的饱和湿空气 （即饱和过程）；然后，将该湿气加热至预定的温度 （即加热过程），从而得到所需的温度和相对湿度的湿气。箱内空气一般是封闭循环的，其饱和过程和加热过程周而复始，交替进行。

1.2 调温调湿法的工作原理

通过对箱内温湿度测量值的反馈控制，采用蒸汽或喷雾加湿、制冷或干燥剂去湿的方式来实现对箱内温湿度的控制。其温湿度测量的主要仪器有干湿球温湿度计、高分子电容湿度传感器或精密露点仪等。

2 计量特性分析

根据GB/T 5170 《电工电子产品环境试验设备检验方法》 和JJF 1101-2003 《环境试验设备温度、湿度校验规范》中对一般环境试验箱的检验项目的描述，温湿度检定箱的计量特性应主要包括温湿度偏差、温湿度波动度、温湿度均匀度、风速、温湿度的稳定时间与稳定度、升降温速率和传感器的布点位置等。

2.1 温湿度检定箱的偏差

通过对湿度箱原理的分析可知，温湿度检定箱提供的都是均匀性和波动度很小的温场，用于确定此温场的温湿度标准值的为精密露点仪或者电动通风干湿表所示的示值，所以温湿度检定箱本身的偏差并不是其主要参数。

2.2 温湿度检定箱的分辨力

温湿度检定箱的分辨力是指能够得到温湿度箱内有效工作区域内最小的有意义响应的激励，是控制温湿度检定箱的最小控制值。温湿度检定箱的温度分辨力最小应为0.1℃，湿度分辨力最小应为0.1%RH。

2.3 温湿度检定箱的稳定时间

温湿度检定箱的稳定时间是指温湿度检定箱内的温湿度值从设定值到达稳定状态的时间。在实际使用中，虽然大多数温湿度检定箱的温湿度最终都能达到稳定，但所需要的时间并不确定，所以对温湿度检定箱的稳定时间需要有一定的要求。根据JJG 205-2005《机械式温湿度计》里误差的检定要求，稳定时间应该在30 min以内。

2.4 温湿度检定箱的风速

一般恒温恒湿箱要求风速不得大于1 m/s，然而，对于箱内的温湿度计尤其是干湿表而言，风速越小越好；若风速太大，则会加速箱内流动气流与被校准仪器表面之间的热交换和湿球纱布水分的蒸发，造成温湿度值的不准确，这与环境条件的再现并不相符。根据对温湿度计的检定要求，采用精密露点仪的温湿度检定箱，箱内风速应不大于0.2 m/s[1]。

2.5 温湿度检定箱的稳定度

由于温湿度检定箱在进行温湿度计校准时，稳定性要求比较高，所以有必要对其稳定性进行评定。温湿度检定箱稳定度的评定方法可参考真空干燥箱的稳定性评定方法，在不改变温湿度检定箱温湿度值的条件下，考核6 h，每30 min记录一次，共记录12次。

2.6 温湿度检定箱校准时传感器的布点位置

以广五所生产的EW 0420型温湿度检定箱为例，分别将9只湿度传感器和9只A级热铂电阻传感器布置于温湿度检定箱工作室的上层与下层（上层位置取箱体工作室的中间水平面）。

2.6.1各个传感器距离箱体内壁的位置试验

根据GB/T 10592-2008《高低温试验箱技术条件》标准中规定的工作内壁和空间温度的测试方法，粗略可得一般温度箱4个角的传感器在距离内壁3～8 cm的位置处均满足校准时的布点要求。现分别将每只传感器置于4个角、距工作室内壁3、6、8 cm距离的位置，测量各个传感器的温湿度值，以确定最合适的布点位置与箱体内壁的距离。试验结果如表1-2所示。

表1 设定值为25℃、60%RH时各个温度点传感器的温度实例值t/℃

表2 设定值为25℃、60%RH时各个湿度点传感器的相对湿度实测值%RH

表3 左前位置温度传感器的实测值t/℃

综合表1-2中所测得的数据可知，当温湿度传感器所布的位置与工作室的内壁之间的距离在6～8 cm范围内时，其温湿度的变化要比将传感器置于距内室3～6 cm范围内时的小。考虑在实际校准使用中，温湿度计都是有一定尺寸大小的，所以将温湿度传感器布置在距离内壁8 cm处比较合适。

2.6.2下层传感器距离箱体底部的位置试验

分别将下层4只传感器置于距工作室下层3、6、8 cm距离的位置，测量各个传感器的温湿度值，从而确定最合适的下层传感器布点位置与箱体底面的距离。由于通过上文的讨论已经得知，传感器距内壁的最佳距离为8 cm，且各点的温湿度差异不大，所以讨论下层传感器距底面的最佳距离时，仅取其中一个位置的传感器为例。

综合上述试验结果可知，当温湿度检定箱的下层传感器与箱体底部距离为 3、6、8 cm时，温湿度值变化均比较小，为了使使用空间尽可能地大，将温湿度检定箱布置在距离箱体底部3 cm的位置处比较合适。

表4 在20℃下左前位置湿度传感器的实测值%RH

2.7 温湿度检定箱的均匀度

温湿度检定箱的均匀度的定义为：在设定的温（湿）度值到达稳定之后的30 min内，其有效工作区域内中心点的温 （湿）度与周围其余点的温（湿）度在任意时刻的温 （湿）度差值的绝对值的最大值。

温湿度检定箱的均匀度与一般环境试验箱的均匀度的计算方法不同，在稳定状态时，环境试验箱的均匀度取15次的平均值，而温湿度检定箱的均匀度则要求在任意时刻都要满足允差，所以温湿度检定箱的均匀性要求更高。尤其是在实际开展温湿度计校准时，温湿度校准箱内通常会放入不止一台温湿度计，所以在记录温湿度计的示值时，要求各个温湿度计所在区域的温湿度值均符合校准所需的要求，这便要求温湿度检定箱的均匀度在规定时间内的任意时刻均满足校准条件。

将温湿度检定箱的温度分别设定为15、20、30℃，当温度达到设定值后，再稳定30 min，然后开始记录温箱内1～9位置的温度，每隔2 min记录一组数据， 共记录15组数据， 即：Ti1～Ti9（i= 1，2…，15），Ti2～Ti9与Ti1之差的绝对值的最大值为△Ti。

所以，该温度点上的温度均匀度为[2]：

湿度均匀度的计算公式与温度均匀度的计算公式相同。

由于温湿度检定箱温湿度均匀度均以每次测量结果计算，所以其不确定的来源为主要标准器引入的不确定度。

2.8 温湿度检定箱的波动度

由于各种仪器对温湿度值的 “敏感度”不一样，标准器与被校仪器的响应速度也不一样，所以需要引入波动度的概念[3]。

温湿度检定箱的波动度是指在设定的温 （湿）度值到达稳定之后，其有效工作区域内中心点的温（湿）度在30 min内的最大值与最小值的差值的1/2。

2.9 升降温速率

升降温速率是控制温度从一个稳定状态到达下一个稳定状态的时间，在有些试验中，试验的产品特性要求升降温达到一定的要求以达到特定的试验目的。根据常用温湿度计的温湿度特性，温湿度检定箱的温度范围一般为5～50℃、湿度范围为10%RH～90%RH，且对其升降温速率并无特殊的要求。但根据使用经验可知，温度每改变10℃，其所需要的时间约为60 min；湿度每改变20%RH，其所需要的时间大约也为60 min。

3 温度波动度测量不确定度的评定

3.1 数学模型

本次温度波动度测量不确定度的评定所选用的数学模型为[4]：

式 （1）中：△Tf——温度波动度，℃；

tomax——中心点在n次测量中的最高温度，℃；

tomin——中心点在n次测量中的最低温度，℃。

3.2 灵敏度系数

3.3 不确定来源分析

输入量tomax和tomin引入的不确定分量来源于3个方面：1）由测量重复性引入的不确定分量u1（tomax） 和u1（tomin）， 并且这两个分量彼此独立； 2）由温度校准装置引入的不确定分量u2（tomax）和u2（tomin），tomax和tomin是由同一个铂热电阻在同一位置2次测得的，所以这两个量彼此正相关；3）由铂电阻本身的年稳定性 （使用范围-80～300℃）引入的标准不确定度u3。

3.3.1不确定分量u1（tomax）的评定

按波动度的测量方式读取温湿度检定箱中心点温度15次的示值， 分别记为to1， to2，……to15， 记其平均值为to，所得的结果如表5所示。

表5 温湿度检定箱中心点温度15次的示值

3.3.2不确定分量u2（tomax）的评定

u2（tomax）误差来源为四线制工业A级铂热电阻和数据采集器组成的测量校准装置。

u2（tomax） =0.03℃

3.3.3不确定分量u1（tomin）和u2（tomin）的评定

同理可得u1（tomin）=0.025℃，u2（tomin）=0.03℃

3.3.4不确定分量u3的评定

A级铂热电阻的年稳定性属于B类不确定度，根据其技术说明书可得其U=0.1℃，并且满足均匀分布，故可得

通过上述分析，已得到了温度波动不确定度的各个分量，如表6所示。

表6 温度波动度不确定度分量表

3.4 合成标准不确定度

由于测量重复性引入的两个不确定度分量彼此独立，所以

由于两个量传误差引入的不确定度分量为正相关 （相关系数为1），故采用代数加法合成的方法可得：

3.5 扩展不确定度

取包含因子为k=2，可得扩展不确定为U=0.07℃

4 结束语

本文对温湿度检定箱的温湿度偏差、温湿度波动度、温湿度均匀度、风速、温湿度的稳定时间与稳定度和升降温速率做了合理的理论上的分析，通过试验对检定箱校准时的布点位置进行了数据验证，并对检定箱的温度波动度做了不确定度评定。由分析可得，温湿度偏差、升降温速率和分辨力等参数不属于温湿度检定箱的主要校准参数，可作为首次校准或验收时的参考项目，后续和使用中可不校准；温湿度波动度、温湿度均匀、风速、温湿度稳定时间和稳定度则为温湿度检定箱的主要参数，需要在后续校准和周期校验中也要进行校准，同时，温湿度检定箱在校准时传感器的布点位置也需要特别注意，需在最大的有效工作区域进行温湿度采集[5]。

[1]李英干，范金鹏.湿度测量 [M].北京：气象出版社，1990.

[2]全国物理化学计量技术委员会.机械式温湿度计检是规程：JJG 205-2005[S].北京：中国计量出版社，2004.

[3]李吉林，汪开道，张锦霞，等.温度计量 [M].北京：中国计量出版社，2006.

[4]崔剑.试验箱温湿度校准装置研制 [D].青岛：山东科技大学，2005.

[5]周涵瀛.利用快速插头提高湿度箱的检定效率 [J].电子产品可靠性与环境试验，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，甘肃武威人，工业和信息化部电子第五研究所华东分所助理工程师，主要从事热工和振动校准和检测工作。