温湿度箱不同湿度条件下温度分布实验研究

陈雪霞，陈观金，伍伟雄，周裕华，陈再举，黄柳超

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

引言

我们都知道，检定或校准温湿度计，需要使用温湿度箱，由温湿度箱提供一个稳定和均匀的温湿度场，温湿度标准器、被检温湿度计同时放置在温湿度箱中，待温湿度箱的温湿度稳定后，温湿度标准器和被检温湿度计同时测量温湿度箱的温湿度，比较温湿度标准器和被检温湿度计的测量结果，从而得到被检温湿度计的测量误差。

由于热交换和风速不均匀等各种因素的影响，温湿度箱各个位置的温度和湿度不可能一致，存在一定的温度差和湿度差。按照检定规程或校准规范的要求，温湿度计检定或校准时，湿度参数需要在某个温度下检定或校准，温度参数则没有规定在某个湿度下检定或校准。事实上，温湿度箱设定相同的温度，在设定不同的湿度时，在两个不同位置上的温差并不相同。也就是说，温湿度计温度参数的检定或校准，如果在不同的湿度条件下进行，则会因为温差的变化，造成温度的检定或校准结果不相同。

温湿度箱设定温度相同，为何在设定不同湿度的条件下，两个不同位置的温差不相同，温差的大小与湿度大小的关系又如何，本文通过实验探究温湿度箱在不同湿度条件下，空间温度分布的变化情况，在温湿度计检定或校准温度参数时，为减小测量结果不确定度提供有益的建议。

1 温湿度箱的工作原理

常见的温湿度箱的工作原理，通常是在箱体内部设置一个调节风道，调节风道内安装有循环风机、冷凝器、加热器、加湿器。加湿器对空气进行加湿，加热器对空气进行加热，冷凝器对空气进行冷却，同时对空气进行冷凝除湿，循环风机驱动空气在工作空间和风道内循环，通过控制器对加湿、加热、制冷的控制调节，从而在工作空间获得一个相对稳定和均匀的温湿度场。

温湿度箱的工作原理示意图如图1。

图1 温湿度箱的工作原理示意图

2 温湿度箱的温度分布分析

从温湿度箱的工作原理看，调节风道内的热量和冷量，需要通过循环风机搅合并吹送至工作空间，风速在热传递中起到关键作用，风速越大，热传递越快，风速越小，热传递越慢。温湿度箱这种结构和工作原理，显然不可能使空气在工作空间内各个位置上均匀流动，甚至在较小的风道内，各个位置的风速也不太可能十分均匀，这就导致了工作空间内各个位置的温度不相同。

风道内冷量、热量搅合不均匀，导致出风口的温度也不均匀，也是导致了工作空间内温度不均匀的一个重要原因。

空气的热导性差是它的固有特性，因此，即使经过较长时间的热平衡，温湿度箱工作空间内各个位置依然存在一定的温差。

3 温度分布实验设计

温湿度箱的工作原理，决定了其工作空间内的温度分布，并没有固定的规律，不存在在某个方向上温度逐渐增大或逐渐减小的情况，GB/T 5170.5-2016《电工电子产品环境试验设备检验方法 第5 部分：湿热试验设备》[1]、JJF 1101-2019《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》[2]、JJF 1564-2016《温湿度标准箱校准规范》[3]等标准，均采用温度均匀度来反映工作空间内的温度分布情况，温度均匀度是指工作空间内的最大温差。GB/T 5170.5、JJF 1101 所定义的温度均匀度，是指工作空间内任意两点之间的最大温差。JJF 1564 所定义的温度均匀度，是指工作空间内任意点与几何中心点的最大温差。

一般来说，JJF 1564 所定义的均匀度，会存在比GB/T 5170.5、JJF 1101 所定义的温度均匀度要小的情况，即GB/T 5170.5、JJF 1101 所定义的温度均匀度，要严于JJF 1564 所定义的均匀度。所以，本实验所测量的温度均匀度，采用GB/T 5170.5、JJF 1101所定义的温度均匀度，温度测量点按JJF 1101 所规定的位置布放。

实验选用两台不同工作原理的温湿度标准箱为被测对象，一台温度范围（-20 ～95）℃，湿度范围（5 ～95）%RH 的温湿度标准箱，另一台温度范围（-40 ～150）℃，湿度范围（30 ～95）%RH 的温湿度标准箱。

温度测量标准采用AA 级铂电阻温度计和34970A数据采集器，并整体校准修正使用。湿度测量标准采用MBW373 精密露点仪。

JJG 205-2005《机械式温湿度计检定规程》[4]，温度检定范围为（15 ～30）℃，分别检定15 ℃、20 ℃、30 ℃三个温度点。湿度检定范围为（40 ～80）%RH，在温度20 ℃时分别检定40 %RH 、60 %RH 、80 %RH三个湿度点。因此，本实验测量温湿度标准箱温度15 ℃、20 ℃、30 ℃，湿度不工作时的温度均匀度。作为比较，测量温湿度标准箱20 ℃/40 %RH 、20 ℃/60 %RH、20 ℃ /80 %RH 三个湿度点时的温度均匀度。

因为JJF 1076-2020《数字式温湿度计校准规范》[5]的湿度校准范围为（10 ～90）%RH，所以本实验再测量20 ℃/10 %RH 、 20 ℃/90 %RH 的温度均匀度。

JJG 205 检定的温度只有15 ℃、20 ℃、30 ℃三个温度点，属于常用的室温温度，温度的均匀性可能差异不算很大。本实验测量温度90 ℃湿度不开启、90 ℃/10 %RH、90 ℃/60 %RH 、90 ℃/90 %RH 时的温度均匀度，与室温的温度均匀度相比，看看温度均匀度的差异有多大。

4 温度分布实验测试

按照上述的实验设计，依照JJF 1101-2019 的方法，对一台温度范围（-20 ～95）℃、湿度测量范围（5 ～95）%RH 的温湿度标准箱进行温度均匀度测量，测量结果如表1 ～3。

表1 湿度测量范围（5 ～95）%RH 的温湿度标准箱湿度不工作时温度均匀度测量结果

表2 湿度测量范围（5 ～95）%RH 的温湿度标准箱温度20 ℃时设定不同湿度条件下温度均匀度测量结果

表3 湿度测量范围（5 ～95）%RH 的温湿度标准箱温度90 ℃时设定不同湿度条件下温度均匀度测量结果

对另一台工作原理不同于上一台，温度范围（-40 ～150）℃、湿度测量范围（30 ～95）%RH 的温湿度标准箱进行温度均匀度测量，测量结果如表4、5。

表4 湿度测量范围（30 ～95）%RH 的温湿度标准箱温度20 ℃时设定不同湿度条件下温度均匀度测量结果

表5 湿度测量范围（30 ～95）%RH 的温湿度标准箱温度40 ℃时设定不同湿度条件下温度均匀度测量结果

5 温度分布实验测试结果分析

从表1 ～5 的测量数据可以看出，在温度为20 ℃时，湿度越低，温度均匀性越差，湿度越高，温度均匀性越好，说明湿度的高低，对温度均匀性有影响。在温度为90 ℃时，这个结果更加明显。

从热传导的角度来看，空气热传导性能较差，而水则与空气相反，热传导性能非常好，所以空气中水含量的大小，会影响它的热传导性能，即空气中的水含量越小热传导性能越差，水含量越大，热传导性能越好。空气中的水汽含量增加时，会加快空气的热传导，进而减小工作空间内的温差。实验中的数据表明，在设定相同的温度时，湿度由10 %RH 逐渐增大至90 %RH，温度均匀性也是逐渐变好。

实验中为什么温湿度箱在温度20 ℃，湿度不启动工作时的温度均匀性最好，这主要有以下几方面原因。一是20 ℃与室温比较接近，箱内与箱外的热交换少。二是没有加湿器工作时对温度控制和恒温的干扰。三是平衡需要的热量较少。

与之相反，温湿度箱在温度90 ℃，湿度不启动工作时的温度均匀性并不是最好，这主要有以下几方面原因。一是空调室温环境下，温湿度箱室温时湿度约为50 %RH 左右，当温湿度箱温度升至90 ℃，这时的湿度约只有3 %RH 左右，含水量较小，热传导性能差。二是温度与室温相差较大，箱内与箱外的热交增加。三是平衡需要的热量较大，在热传导性能较差的情况下，增大了箱内的温差。

6 实验结论

从实验结果来看，温湿度箱在室温或室温附近时的温度，湿度不工作的温度均匀性，比湿度工作时的温度均匀性要好。所以，当我们依据相关技术规范，检定或校准温湿度计室温或室温附近的温度时，温湿度箱不需要启动湿度，只需要启动温度即可。建议不要在检定或校准湿度参数时，同时检定或校准温度参数，特别是不要在10 %RH 的湿度条件下检定或校准温度，以免增加温湿度箱温度不均匀引入的不确定度。

与之相反，温湿度箱在偏离室温较高时的温度，湿度不工作的温度均匀性，比湿度工作时的温度均匀性要差。所以，当我们检定或校准高温的温湿度计（或温湿度传感器）的温度参数时，则需要开启温湿度箱的湿度，并尽可能在较高的湿度条件下进行，减小温湿度箱温度不均匀引入的不确定度。

7 结束语

温湿度箱的温度均匀性，除了与湿度有关外，还与它的工作原理有关，特别是与加除湿原理有关。因此，建议使用者自己亲自对温湿度箱进行测试，了解温湿度箱在不开启湿度控制和不同湿度条件下的温度分布情况，在实际使用时采用均匀度最优的方式使用，这样可以有效提升检定或校准的质量，减少温差对测量结果带来的不确定度。

我们这个实验，验证了温湿度箱的温度均匀性，与湿度大小、工作原理有关的事实，期望能提示从事温湿度计检定或校准的工作者注意这个问题。事实上，温湿度箱湿度的大小，不仅仅影响了温度的均匀性，还引起了温度值的变化。