溫濕度檢定箱的濕度均勻度與波動度的測試方法

沈淘淘 崔體運 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

溫濕度檢定箱的作用是產(chǎn)生恒定且均勻的溫濕度場，它是檢定校準(zhǔn)機械式溫濕度計和傳感器內(nèi)置式溫濕度儀器的必備設(shè)備。作為其重要性能指標(biāo)，相對濕度均勻度和波動度對溫濕度計檢定校準(zhǔn)結(jié)果有顯著影響。

根據(jù)JJG 205-2005附錄D溫濕度檢定箱均勻度和波動度的測試方法，濕度均勻度不超過1.0%RH，波動度不超過±0.8%RH/30 min。濕度均勻度和波動度實質(zhì)上均為兩個測量值的差值，而該差值的測量不確定度必須小于0.5%RH才能基本滿足要求。

目前濕度傳感器的最高準(zhǔn)確度僅為±1.0%RH左右，直接使用顯然無法滿足上述要求。如果采用加修正值使用的方法，由于單支濕度傳感器修正值本身引入的不確定度已達1.0%RH左右，不考慮測量結(jié)果相關(guān)性的話，兩支傳感器的差值的不確定度為兩者不確定度的疊加，其值遠大于0.5%RH，導(dǎo)致測量結(jié)果毫無意義。

為此，本文提出一種新的測量方法，即將同種型號規(guī)格的濕度傳感器在同一套濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置上同時進行校準(zhǔn)，以抵消修正值引入的不確定度，從而大幅度減小均勻度和波動度的測量不確定度。

1 測試方法

相對濕度均勻度為溫濕度箱達到穩(wěn)定后，箱內(nèi)中心點與四周各點之間在任一瞬間的濕度差值。相對濕度波動度為溫濕度箱達到穩(wěn)定后，箱內(nèi)濕度在30 min內(nèi)的極差（采用“±”表示時，取極差的二分之一）。

本文采用的濕度測量設(shè)備為多通道溫濕度儀（rotronic, HL-NT2-D/HC2-S），測量范圍/準(zhǔn)確度：(10～95)%RH/ ±1.5%RH，每路濕度傳感器都在同一套濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置上、同時進行校準(zhǔn)，得到各自的修正值；被測對象為XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱。

本次測試中濕度布點位置按照JJG 205-2005附錄D的要求，在溫濕度箱中取兩個水平面，其中一個為箱體工作室的中間水平面（中層），另一個水平面距工作室底面3 cm處（下層）；各水平面上溫濕度布點見圖1，各布點位置距溫濕度箱工作室內(nèi)壁的距離為8 cm。濕度測量點為20 ℃時40%RH、60%RH、80%RH。

圖1 濕度布點

相對濕度均勻度的數(shù)學(xué)模型為：

式中：ΔHu— 相對濕度均勻度的測量結(jié)果，%RH；

hi— 未經(jīng)修正的四周任一點的相對濕度記錄值，%RH；

Hi— 修正后四周任一點的相對濕度值，%RH；

h1— 未經(jīng)修正的中心點的相對濕度記錄值，%RH；

H1— 修正后中心點的相對濕度值，%RH；

Δ — 濕度傳感器自熱效應(yīng)和短期穩(wěn)定性等引入的誤差，%RH；

δhi和 δh1— 濕度修正值，%RH。

上述模型中，u（hi），u（h1）為濕度傳感器的重復(fù)性引入的不確定度，由多次重復(fù)測試得到標(biāo)準(zhǔn)偏差：s（hi）= s（hi）= 0.1%RH。于是，u（hi）=s（hi）= 0.1%RH，u（h1）= u（h1）= 0.1%RH。

u(Δ)為濕度傳感器自熱效應(yīng)和短期穩(wěn)定性等引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，根據(jù)經(jīng)驗HC2-S傳感器的自熱效應(yīng)值估計為±0.2%RH，采用B類不確定度評定方法，并服從均勻分布。

u（δhi）和u（δh1）為修正值引入的不確定度。如果采用常規(guī)的溯源校準(zhǔn)方法，兩路傳感器的修正值引入的不確定度分別為1.0%RH左右（目前尚屬比較小的），在合成計算時需要逐項疊加，最終不確定度評定結(jié)果將大于溫濕度檢定箱的均勻度值，導(dǎo)致測量結(jié)果無實用意義。

針對以上問題，本文將同種型號規(guī)格的多路濕度傳感器同時在同一套濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置上進行校準(zhǔn)，于是各路濕度探頭的修正值之間存在強相關(guān)性，即相關(guān)性系數(shù) r =1。因此：

另外，對于同一濕度點、同種型號規(guī)格的濕度探頭，修正值的不確定度大致相同，即 u（δhi）= u（δh1），于是u（δhi- δh1）= 0。因此由修正值引入的不確定度可以抵消。

由表1可以看出，采用本文提出的測試方法得到的最終擴展不確定度為0.4%RH，與均勻度1.0%RH之比為40%，基本可以滿足溫濕度檢定箱濕度均勻度的測量要求。

表1 相對濕度均勻度的不確定度匯總表

相對濕度波動度的數(shù)學(xué)模型為

式中：hmax— 未經(jīng)修正的中心點16次濕度記錄值的最大值，%RH；

Hmax— 修正后的中心點16次濕度測量值的最大值，%RH；

hmin— 未經(jīng)修正的中心點16次濕度記錄值的最小值，%RH；

Hmin— 修正后的中心點16次濕度測量值的最小值，%RH；

Δ2— 濕度傳感器的短期穩(wěn)定性引入的誤差，%RH。

δh — 濕度修正值，%RH。

相對濕度波動度的測量不確定度評定過程與均勻度類似，不再贅述，最終不確定度計算結(jié)果為0.1%RH，遠小于波動度：±1.0%RH/30 min，可以滿足濕度波動度的測試要求。

2 測試方法驗證

選取濕度計量標(biāo)準(zhǔn)的精密露點儀，用傳遞比較法對本測試方法的測量結(jié)果進行驗證。試驗選用兩臺精密露點儀（型號分別為OPTIDEW VISION和M3/1211H）和一臺FLUKE四通道標(biāo)準(zhǔn)溫度儀（配兩支二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計），露點儀探頭和標(biāo)準(zhǔn)溫度儀探頭與濕度傳感器探頭放置在同一位置，將精密露點儀的測量結(jié)果與濕度傳感器的測量結(jié)果進行比較，從而驗證濕度傳感器的測量結(jié)果的有效性。

首先將OPV露點儀探頭、一個標(biāo)準(zhǔn)溫度探頭和多通道溫濕度儀的一路濕度傳感器放置在溫濕度檢定箱的①位置，將M3露點儀探頭、另一個標(biāo)準(zhǔn)溫度探頭和多通道溫濕度儀的另一路濕度傳感器放置在④位置，同時進行濕度測量點為40%RH、60%RH、80%RH的試驗。每個測點穩(wěn)定足夠長的時間后，分別記錄①位置的OPV露點值、溫度值和濕度傳感器濕度值和④位置的M3露點值、溫度值和濕度傳感器濕度值。通過露點值和溫度值的換算得到相對濕度值。試驗結(jié)果見表2（表中的濕度值為修正后的結(jié)果）。

表2 精密露點儀驗證試驗

被考核濕度傳感器和作為計量標(biāo)準(zhǔn)的精密露點儀進行測量時的擴展不確定度分別為U2和U1，測量結(jié)果分別為ΔH2和ΔH1，根據(jù)傳遞比較法，兩者應(yīng)滿足

由于精密露點儀的擴展不確定度比較小，滿足U1≤U2/ 3，此時只需滿足 ≤U2即可。從表2可以看出， = 0.3%RH≤U2= 0.4%RH，說明采用本方法得到的測量結(jié)果的不確定度是可靠的。

3 結(jié)語

本文對溫濕度檢定箱的濕度均勻度和波動度測量方法進行探討，得到以下結(jié)論：

1）通過將同種型號的溫濕度傳感器在同一臺濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置上同時進行校準(zhǔn)并配以修正值使用的測試方法，將濕度均勻度和波動度的測量不確定度分別減小至0.4%RH和0.1%RH，滿足了溫濕度檢定箱的測試要求。

2）采用精密露點儀驗證了本文提出的測試方法的有效性。

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