温湿度检定箱的湿度均匀度与波动度的测试方法

沈淘淘 崔体运 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

温湿度检定箱的作用是产生恒定且均匀的温湿度场，它是检定校准机械式温湿度计和传感器内置式温湿度仪器的必备设备。作为其重要性能指标，相对湿度均匀度和波动度对温湿度计检定校准结果有显著影响。

根据JJG 205-2005附录D温湿度检定箱均匀度和波动度的测试方法，湿度均匀度不超过1.0%RH，波动度不超过±0.8%RH/30 min。湿度均匀度和波动度实质上均为两个测量值的差值，而该差值的测量不确定度必须小于0.5%RH才能基本满足要求。

目前湿度传感器的最高准确度仅为±1.0%RH左右，直接使用显然无法满足上述要求。如果采用加修正值使用的方法，由于单支湿度传感器修正值本身引入的不确定度已达1.0%RH左右，不考虑测量结果相关性的话，两支传感器的差值的不确定度为两者不确定度的叠加，其值远大于0.5%RH，导致测量结果毫无意义。

为此，本文提出一种新的测量方法，即将同种型号规格的湿度传感器在同一套湿度标准装置上同时进行校准，以抵消修正值引入的不确定度，从而大幅度减小均匀度和波动度的测量不确定度。

1 测试方法

相对湿度均匀度为温湿度箱达到稳定后，箱内中心点与四周各点之间在任一瞬间的湿度差值。相对湿度波动度为温湿度箱达到稳定后，箱内湿度在30 min内的极差（采用“±”表示时，取极差的二分之一）。

本文采用的湿度测量设备为多通道温湿度仪（rotronic, HL-NT2-D/HC2-S），测量范围/准确度：(10～95)%RH/ ±1.5%RH，每路湿度传感器都在同一套湿度标准装置上、同时进行校准，得到各自的修正值；被测对象为XLS-Ⅲ型温湿度检定箱。

本次测试中湿度布点位置按照JJG 205-2005附录D的要求，在温湿度箱中取两个水平面，其中一个为箱体工作室的中间水平面（中层），另一个水平面距工作室底面3 cm处（下层）；各水平面上温湿度布点见图1，各布点位置距温湿度箱工作室内壁的距离为8 cm。湿度测量点为20 ℃时40%RH、60%RH、80%RH。

图1 湿度布点

相对湿度均匀度的数学模型为：

式中：ΔHu— 相对湿度均匀度的测量结果，%RH；

hi— 未经修正的四周任一点的相对湿度记录值，%RH；

Hi— 修正后四周任一点的相对湿度值，%RH；

h1— 未经修正的中心点的相对湿度记录值，%RH；

H1— 修正后中心点的相对湿度值，%RH；

Δ — 湿度传感器自热效应和短期稳定性等引入的误差，%RH；

δhi和 δh1— 湿度修正值，%RH。

上述模型中，u（hi），u（h1）为湿度传感器的重复性引入的不确定度，由多次重复测试得到标准偏差：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)为湿度传感器自热效应和短期稳定性等引入的标准不确定度，根据经验HC2-S传感器的自热效应值估计为±0.2%RH，采用B类不确定度评定方法，并服从均匀分布。

u（δhi）和u（δh1）为修正值引入的不确定度。如果采用常规的溯源校准方法，两路传感器的修正值引入的不确定度分别为1.0%RH左右（目前尚属比较小的），在合成计算时需要逐项叠加，最终不确定度评定结果将大于温湿度检定箱的均匀度值，导致测量结果无实用意义。

针对以上问题，本文将同种型号规格的多路湿度传感器同时在同一套湿度标准装置上进行校准，于是各路湿度探头的修正值之间存在强相关性，即相关性系数 r =1。因此：

另外，对于同一湿度点、同种型号规格的湿度探头，修正值的不确定度大致相同，即 u（δhi）= u（δh1），于是u（δhi- δh1）= 0。因此由修正值引入的不确定度可以抵消。

由表1可以看出，采用本文提出的测试方法得到的最终扩展不确定度为0.4%RH，与均匀度1.0%RH之比为40%，基本可以满足温湿度检定箱湿度均匀度的测量要求。

表1 相对湿度均匀度的不确定度汇总表

相对湿度波动度的数学模型为

式中：hmax— 未经修正的中心点16次湿度记录值的最大值，%RH；

Hmax— 修正后的中心点16次湿度测量值的最大值，%RH；

hmin— 未经修正的中心点16次湿度记录值的最小值，%RH；

Hmin— 修正后的中心点16次湿度测量值的最小值，%RH；

Δ2— 湿度传感器的短期稳定性引入的误差，%RH。

δh — 湿度修正值，%RH。

相对湿度波动度的测量不确定度评定过程与均匀度类似，不再赘述，最终不确定度计算结果为0.1%RH，远小于波动度：±1.0%RH/30 min，可以满足湿度波动度的测试要求。

2 测试方法验证

选取湿度计量标准的精密露点仪，用传递比较法对本测试方法的测量结果进行验证。试验选用两台精密露点仪（型号分别为OPTIDEW VISION和M3/1211H）和一台FLUKE四通道标准温度仪（配两支二等标准铂电阻温度计），露点仪探头和标准温度仪探头与湿度传感器探头放置在同一位置，将精密露点仪的测量结果与湿度传感器的测量结果进行比较，从而验证湿度传感器的测量结果的有效性。

首先将OPV露点仪探头、一个标准温度探头和多通道温湿度仪的一路湿度传感器放置在温湿度检定箱的①位置，将M3露点仪探头、另一个标准温度探头和多通道温湿度仪的另一路湿度传感器放置在④位置，同时进行湿度测量点为40%RH、60%RH、80%RH的试验。每个测点稳定足够长的时间后，分别记录①位置的OPV露点值、温度值和湿度传感器湿度值和④位置的M3露点值、温度值和湿度传感器湿度值。通过露点值和温度值的换算得到相对湿度值。试验结果见表2（表中的湿度值为修正后的结果）。

表2 精密露点仪验证试验

被考核湿度传感器和作为计量标准的精密露点仪进行测量时的扩展不确定度分别为U2和U1，测量结果分别为ΔH2和ΔH1，根据传递比较法，两者应满足

由于精密露点仪的扩展不确定度比较小，满足U1≤U2/ 3，此时只需满足 ≤U2即可。从表2可以看出， = 0.3%RH≤U2= 0.4%RH，说明采用本方法得到的测量结果的不确定度是可靠的。

3 结语

本文对温湿度检定箱的湿度均匀度和波动度测量方法进行探讨，得到以下结论：

1）通过将同种型号的温湿度传感器在同一台湿度标准装置上同时进行校准并配以修正值使用的测试方法，将湿度均匀度和波动度的测量不确定度分别减小至0.4%RH和0.1%RH，满足了温湿度检定箱的测试要求。

2）采用精密露点仪验证了本文提出的测试方法的有效性。

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