数字温湿度表的校准方法探讨及测量不确定度的评定

叶依林 胡 超

(中国工程物理研究院计量测试中心，绵阳 621900)



数字温湿度表的校准方法探讨及测量不确定度的评定

叶依林 胡 超

(中国工程物理研究院计量测试中心，绵阳 621900)

数字温湿度表广泛地应用于实验室、工业生产、仓库等环境温湿度测量。目前，数字温湿度表尚无国家和地方的校准规范。基于数字温湿度表实际使用情况，介绍了一种校准方法，即采用精密露点仪和温湿度检定箱组成校准系统，对数字温湿度表进行校准，并对该校准方法的不确定度进行了分析。

数字温湿度表；校准方法；不确定度

0 引言

随着科学技术发展，对温湿度的检测和控制越来越受到人们的重视。数字温湿度表是由温度部分和湿度部分构成的温湿度测量仪器，在工业、农业、气象、医疗以及日常生活的环境温湿度测量方面得到了广泛的应用。目前，数字温湿度表尚无国家和地方的校准规程。根据数字温湿度表的实际使用情况及长期校准累积经验，对数字温湿度表的校准方法进行研究，并给出了不确定度评定。

1 数字温湿度表的结构和工作原理

数字温湿度表的温度传感器一般为工业铂电阻、热敏电阻等，湿度传感器一般为湿敏电容或湿敏电阻等，当温湿度发生变化时，感温元件或湿敏元件的输出电信号随之变化，经过一系列电路处理，以数字形式指示出被测量对象的温湿度值。其结构框图如图1所示。

图1 数字温湿度表结构框图

2 校准方法

2.1 校准设备

1)精密露点仪。

2)温湿度检定箱，技术指标如下：

温度均匀度≤0.3℃；

温度波动度为±0.2℃；

湿度均匀度≤1.0%RH；

湿度波动度为±0.8%RH。

2.2 校准项目和校准方法

2.2.1 校准点的选择

根据温湿度表使用范围、标准设备条件及通行做法等，工业上温湿度表实际环境温度范围一般在18～25℃，15℃以下的点使用温湿度表的较少，因此选取15℃、20℃、30℃作为校准温度点，需要时也可在此基础上增加校准点。

选取40%、60%、80%作为校准相对湿度点，原因如下：

1)工业上实际环境相对湿度在40%～70%范围内对温湿度要求较高；

2)绝大多数湿度仪器使用在相对湿度40%～70%，80%以上很少用到；

3)全国主要城市的平均相对湿度大多在40%～80%之间；

4)若有特定湿度点要求，也可按用户指定点在此基础上增加校准点。

2.2.2 温度示值误差校准

将精密露点仪的温度传感器置于温湿度检定箱工作室的几何中心位置，数字温湿度表置于温湿度检定箱工作室的有效空间内。

按从低温到高温依次设定校准点，温度达到设定值后，稳定30min开始读数，先读精密露点仪，后读数字温湿度表，隔2min后再次记录，取两次读数的算术平均值分别为精密露点仪和被检仪器的温度示值，计算被测仪表的温度示值误差：

Δt=t-tb-td

(1)

式中：Δt为温度示值误差，℃；t为被校准数字温湿度表的温度示值，℃；tb为精密露点仪的温度示值，℃；td为精密露点仪的温度修正值，℃。

2.2.3 相对湿度示值误差校准

把被测件放入温湿度检定箱中，在20℃时，从低湿到高湿依次设定湿度校准点。

当校准箱内的湿度达到设定值后，稳定30min后开始读数，先读精密露点仪，后读数字温湿度表，隔2min后再次记录，取两次读数的算术平均值分别为精密露点仪和被检仪器的相对湿度示值，计算被测仪表的相对湿度示值误差：

ΔH=H-Hb-Hd

(2)

式中：ΔH为相对湿度示值误差，%；H为被校准数字温湿度表相对湿度示值，%；Hb为精密露点仪的相对湿度示值，%；Hd为精密露点仪的相对湿度示值修正值，%。

3 数字温湿度表测量结果的不确定度评定

以型号为608-H1的数字温湿度表为例，进行不确定度的分析。

3.1 温度示值误差不确定度评定

3.1.1 标准不确定度u(t)的评定

输入量u(t)的标准不确定度来源主要由被校温湿度表示值重复性引入。

对数字温湿度表在温度为15℃、20℃、30℃分别进行10次测量，详见表1。

得到u(t)分别为0.042℃、0.032℃、0.052℃。

3.1.2 标准不确定度u(tb)的评定

3.1.2.1 精密露点仪重复性引入的标准不确定度u1(tb)

得到u1(tb)分别为0.022℃、0.028℃和0.020℃。

3.1.2.2 温湿度检定箱温度场的均匀度带来的标准不确定度u2(tb)

表1 被校数字温湿度表在15℃、20℃、30℃的重复性实验数据 ℃

3.1.2.3 温湿度检定箱温度场的波动度带来的标准不确定度u3(tb)

3.1.2.4 标准不确定度分量u(tb)的合成

u1(tb)、u2(tb) 、u3(tb)互不相关，u(tb)的合成不确定度为：

则数字温湿度表在温度为15℃、20℃、30℃时的标准不确定度分量u(tb)均为0.15℃。

3.1.3 标准不确定度u(td)的评定

精密露点仪温度修正值引入的标准不确定度u(td)。上一级标准铂电阻温度计的扩展不确定度为U=0.004℃，k=2。其引入的不确定度为：

u(td)=0.004/2=0.002℃

3.1.4 合成测量不确定度

灵敏系数分别为：

c1=∂Δt/∂t=1

c2=∂Δt/∂tb=-1

c3=∂Δt/∂td=-1

上述所分析的各项标准不确定度分量互不相关，其合成标准不确定度为：

经计算，数字温湿度表在温度为15℃、20℃、30℃时的合成不确定度分别为0.16℃、0.15℃、0.16℃。

3.1.5 扩展不确定度

取k=2。因此扩展不确定度为：

U=k×uc=0.3℃

数字式温湿度表在15℃、20℃、30℃时示值误差的扩展不确定度为0.3℃。

3.2 相对湿度示值误差不确定度评定

3.2.1 标准不确定度u(H)的评定

输入量u(H)的标准不确定度来源主要由被校温湿度表的重复性引入。

温湿度表在温度为20℃，相对湿度为40%、60%、80%时进行10次测量，得到u(H)分别为0.19%、0.20% 和0.21%，详见表2。

3.2.2 标准不确定度u(Hb)的评定

标准相对湿度值的计算公式：

(3)

式中：Hb为气体的相对湿度，%；td为露点温度，℃；e(td)为露点温度td下的饱和水汽压力，Pa；t为环境气体温度，℃；e(t)为环境气体温度t下的饱和水汽压力，Pa。

表2 被校数字温湿度表分别在相对湿度40% 、60%、80%的重复性实验数据(20℃时) %

进行不确定度分析时，灵敏系数的推导计算可采用饱和水气压的简化公式：

logew=(10.286T-2148.4909)/(T-35.85)

=(10.286t-661.13)/(t+273.3)

其中，T=t+273.15，单位：K；

整理得：

logHb=loge(td)-loge(t)

灵敏系数分别为：

td、t互相独立无关，则：

3.2.2.1 标准露点仪引入的不确定度u(td)

上一级精密露点仪的露点测量不确定度为U=0.15℃，k=2，其标准不确定度为：

3.2.2.2 上一级精密铂电阻温度计引入的不确定度u(t)

温度计量值不准引入的不确定度u1(t)，上一级标准铂电阻温度计的扩展不确定度为0.004℃，k=2，正态分布，其标准不确定度为：

温湿度检定箱温场均匀度引入的不确定度分量u2(t)为：

温湿度检定箱温场波动度引入的不确定度分量u3(t)引入的标准不确定度：

上述各分量互不相关，则：

经计算，相对湿度为40%、60%、80%时，标准不确定度u(Hb)分别为0.45%、0.65%、0.86%。

3.2.3 标准不确定度u(ΔH1)的评定

3.2.3.1 温湿度检定箱湿度的均匀度带来的标准不确定度u1(ΔH1)

温湿度检定箱湿度的最大湿度均匀度为1.0%，其引入的不确定度为：

3.2.3.2 温湿度检定箱湿度的波动度带来的标准不确定度u2(ΔH1)

温湿度检定箱湿度的最大湿度波动度为±0.8%，其引入的不确定度为：

3.2.3.3 标准不确定度u(ΔH1)的合成

由于u1(ΔH1)、u2(ΔH1)互不相关，u(ΔH1)的合成不确定度为：

相对湿度为40%、60%、80%时，标准不确定度u(ΔH1)均为0.55%。

3.2.4 合成测量不确定度

灵敏系数分别为：

c1=∂ΔH/∂H=1

c2=∂ΔH/∂Hb=-1

c3=∂ΔH/∂ΔH1=1

上述所分析的各项标准不确定度分量均互不相关，其合成标准不确定度为：

则数字温湿度表在相对湿度为40%、60%、80%(20℃时)的合成不确定度分别为0.7%、0.9%、1.0%。

3.2.5 扩展不确定度

取k=2，扩展不确定度为：

U=k×uc

则温湿度表在相对湿度为40%、60%、80%(20℃时)的扩展不确定度分别为1.4%、1.8%、2.0%。

4 结束语

根据数字温湿度表的使用情况，对温湿度表进行校准，并对其温度示值误差、相对湿度示值误差进行了不确定度分析，经验证，校准方法合理可行，其结果真实可靠。

[1] JJG 1076—2001湿度传感器校准规范[S].北京：中国计量出版社，2002

[2] JJG 205—2005机械式温湿度定规程[S].北京：中国计量出版社,2006

[3] JJF 1059—1999测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出版社,1999

[4] 廖理.热学计量[M].北京：原子能出版社，2002

[5] 王维峰.数字式温湿度计的校准及测量不确定度评定[J].计量学报，2007(9)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.19