數字式溫濕度計溫度參數校準方法的分析

及 毅

（滄州市計量測試所，河北 滄州 061000）

溫濕度是環境參數中最基本的參數，在工業生產中具有重要意義。隨著社會經濟的發展與人們生活水平的提升，溫濕度對于人們的日常生活具有越來越關鍵的影響。數字溫濕度計因具有攜帶方便、容易讀數以及維護簡單等特點，在藥店、檢測實驗室等對于溫濕度較為敏感的場所，有著逐漸取代機械式溫濕度計的趨勢。由于我國對于溫濕度計的檢定校準缺乏規范，使得數字溫濕度計的使用精確度受到一定程度的影響。

1 數字溫濕度計工作原理

數字溫濕度計通過溫度和濕度的感應元件隨著溫濕度的變化產生不同的電信號的特性制成的測量儀器，其主要構成由感應元件、電路部分和顯示系統三大主要組成部分。

感溫元件主要包含了工業鉑電阻、半導體元件、熱敏電阻等，其通過溫度和電信號的變化，經由信號處理后，在儀表上以數字形式顯示被測量的溫度值；感濕元件包含了濕敏電容、濕敏電阻或濕敏諧振器等，在濕度發生變化時，感濕元件的輸出電信號也隨之變化，經過電路處理后，通過數字輸出相對濕度。

另一種工作原理，是數字式溫濕度計由溫度傳感器、模數轉換、數據存貯、譯碼現實和時序電路構成，當測量濕度時，干濕溫度表分別測出各自溫度值，再經由放大器將溫度信號轉換為模數電路所能夠接受的模擬電信號，經過轉換后溫度信號變為數字信號。在其中，干濕溫度的數字信號被送入溫度顯示電路直接顯示，之后干濕溫度的數字信號再組成查閱數據存貯所需的地址碼，在其選中的存貯單元中，就是與此同時的干濕溫度相對于的濕度值，最后被選中的濕度值在經由譯碼后輸出顯示，整個過程中都是由電路負責控制，能夠自動進行。在這一種溫濕度計中，其自動工作的關鍵在于使用了由EPROM構成的數據存貯電路與干濕溫度合成的地址碼，其被用于存貯濕度表的濕度值。

無論是絕對濕度還是相對濕度，都會受到飽和水汽壓的影響。現階段的一般電子線路無法對飽和水汽壓這樣的非線性函數進行描述，但可以通過微處理器進行改進。根據相關文獻記載，如今國內已經出現許多實用微處理器的溫濕度計，其具有較高的精度，誤差通常低于3%的相對濕度，因為價格較高，其推廣使用存在一定的困難。隨著電路設計的不斷優化與技術的不斷進步，相關的成本也得到了有效控制，在線路簡化的同時性能也愈發可靠。

2 溫濕度計校準相關要求

在對數字溫濕度計進行校準的過程中，需要遵循計量性能和通用技術兩方面的相關要求。

在計量性能上，溫濕度計的溫度修正值的范圍需要控制在±0.5 ℃的范圍內，在20 ℃以及（40～70）%RH的條件下，相對濕度的修正值也不得超過±3 %RH。通用技術方面，需要確保外形結構的完整性，例如儀表名稱、型號規格、測量范圍、制造廠名或上班、出廠編號等，都需要進行明確標記；在外露部件方面，不得出現松動與破損，數字顯示面板不可出現對讀數產生影響的缺陷；外界傳感器必須確保其良好接觸；儀表顯示值應清晰可讀，亮度均勻且沒有疊字，數字顯示不能出現缺少筆畫等問題，不得出現間隔跳動，小數點、極性和過載狀態應正確顯示，確保其準確性。

3 數字溫濕度計的具體校準方法

數字溫濕度計的準確性對于日常的生產生活具有至關重要的影響，尤其是在諸如藥店、檢測實驗室等對于溫濕度有著較為嚴格要求的場所，如果數字溫濕度計的準確性出現問題，則會使得環境內的溫度和濕度無法得到準確控制。為了保障數字溫濕度計的準確性，需要對數字溫濕度計進行校準。因此，需要通過合適的方法，對數字溫濕度計進行校準，從而對環境溫濕度進行有效監控。

（1）明確測量標準。在校準數字溫濕度計時，需要對測量標準進行明確，為校準工作提供可供參考的標準。精密露點儀方面，選用配鉑電阻溫度計的冷鏡式露點儀，其能夠同時顯示露點溫度、相對濕度和溫度，技術指標方面，在露點的測量范圍是(-20～+40）℃，最大允許誤差在±0.2 ℃。溫濕度試驗箱方面，其需要具備自動溫濕度調節功能，應搭配開門和大面積透明觀察窗。在溫度范圍內，在（5～50）℃，均勻度為0.3 ℃，波動度在±0.2 ℃范圍內。在相對濕度上，在20 ℃的條件下其范圍在（10～95）%RH，均勻度是1.0 %RH，波動度為±1.0 %RH。

（2）制定校準方案。在校準數字溫濕度計的過程中，需要制定完善的校準方案。將標準器的探頭放入溫濕度校準箱的有效工作區域的中心位置，并將溫濕度計置于有效工作區域，從由低到高的順序進行排列，在設定的溫度和濕度充分穩定后，用露點儀通過比較法對數字溫濕度計進行校準。

在校準溫度示值誤差的過程中，其校準點為15 ℃、20 ℃和30 ℃，在溫濕度試驗箱內的溫度達到設定值之后穩定10 min，然后每隔2 min記錄露點儀的相對濕度值、溫度值和被校準溫濕度計的溫度、相對濕度值，共記錄三組數據。取三次讀數的平均值作為標準器的溫度示值TB和被校準儀器的溫度示值T。在計算溫度示值誤差的過程中，按照下列公式計算。

△T=T-TB

△T：被校準儀器的溫度示值的誤差值；T：是被校準儀器的溫度示值；TB：是標準器的溫度示值。單位均為℃。

（3）選擇工作區域。數字溫濕度計的校準對于環境具有一定的要求，因此有效工作區域的選取至關重要。在溫濕度場有效工作區域內的濕度參數的準確度，對數字溫濕度計校準結果的可靠性具有直接影響，故對于溫濕度箱的選擇提出了更高的要求。參考機械式溫濕度計的檢定規程中的方法，取距工作室內壁距離50 mm的工作空間作為數字溫濕度計的有效工作區域，并使用技術指標為溫度允許誤差為±0.1 ℃、露點允許誤差±0.1 ℃的精密露點儀作為標準器，組成數字溫濕度計的校準裝置。

在有效工作區域內，可得到的溫濕度參數如下：溫度均勻度為0.1 ℃，每30 min的波動度為±0.1 ℃；相對濕度的均勻度為0.5 %RH，每30 min的波動度為±0.2 %RH。

（4）評定不確定度。校準數字溫濕度計的過程中，還需要對不確定度進行評定。文章中將以溫度20 ℃、相對濕度60 %RH點為例進行校準，對溫度測量的不確定度進行評定。

在評定溫度測量的不確定度時，將校準溫濕度計溫度部分的標準不確定度的類型、分量和來源等列入溫度測量不確定度概算表中，則可得到溫度合成標準的不確定度和有效自由度，并取置信概率95%和有效自由度100，查詢t分布表可得到所需數值，即可得到溫度校準結果的擴展不確定度。

對于濕度測量的不確定度評定，需要將校準溫濕度計濕度部分的標準不確定度類型、分量和來源等數據填入濕度測量不確定度概算表，通過相應公式得到露點儀傳感器處的實際相對濕度，其中公式中包含了在一定壓力下露點儀露點和溫度讀數相關的增強因子以及露點儀露點讀數和溫度讀數所對應的飽和蒸氣壓力。經過計算后，可以得出露點儀的相對濕度標準不確定度，隨之得出濕度合成標準的不確定度和有效自由度。取95%的置信概率和有效自由度100，根據t分布表得到對應數值，最后得出濕度校準結果擴展不確定度。

以30 ℃校準點為例，首先進行多次測量，計算標準偏差，得到標準不確定度u1；其次，將標準露點儀的最大允許誤差引入標準不確定度u2；第三，由溫濕度試驗箱的溫場不均勻性，得到標準不確定度u3；第四，根據溫濕度試驗箱的溫度波動度，計算標準不確定度u4；最后計算標準合成不確定度u，并合成擴展不確定度U。

（5）遵循相應規范。在對數字溫濕度進行校準的過程中，其關鍵在于遵循相應規范。規范中，包含了相應的規程、定義、術語和各類表格等，對于校準的準確性具有非常大的幫助，進而更好地對溫濕度進行校準。

在進行溫濕度計校準的過程中，還應遵循相應規范進行。雖然JJG 205-2005《機械式溫濕度計檢定規程》在溫濕度計的檢定工作中起到了非常關鍵的作用，但隨著時代的發展與科技的進步，數字溫濕度計的發展與需求也在不斷擴大，其中包括了存儲記錄功能的數字溫濕度計更是得到了廣泛應用。隨著2020年11月JJF 1076-2020《數字式溫濕度計校準規范》的頒布，其更符合數字溫濕度計的技術要求，例如新規范增加了引言和不確定度評定，并微調了章節順序，內容更為嚴謹。

過去的舊規范所適用的范圍較小，而新規范能夠適用于更多的溫濕度計，且其他原理的溫濕度計也能夠參考這一標準規范進行，廣泛的應用范圍也更加貼合實際，考慮到目前市面上的許多濕度計帶有溫度參數，新校準規范也收錄了與溫度參數校準的內容。

在計量特性上，新規范只保留了溫濕度計的修正值和濕度穩定性，刪除了舊規范中的準確度等級、溫度系數、響應時間等計算特性，增加了溫度修正值的特性，使得標準更加簡潔實用。

在校準環境條件上，舊規范是18～28 ℃，濕度環境要求<85 %RH；新校準規范的溫度環境要求是20～30 ℃，濕度環境要求是<85 %RH，在溫度校準范圍上做出了調整。

此外，新標準在標準器上也作出了規定。新標準明確了溫濕度標準箱可作為濕度發生器，用于校準數字式溫濕度計，且對于溫濕度計提出了更為嚴格的要求，其范圍是10～95 %RH，均勻度不大于1.0 %RH，波動度不超過±1.0 %RH，溫度范圍是5～50 ℃，均勻度不大于0.3 ℃，波動度不超過±0.2 ℃，比舊規范增加了濕度發生器的溫濕度均勻度和波動度等具體要求。

在新規范中，其對精密露點儀的要求也存在變化，表述上也更為準確，其最大允許誤差為±0.2 ℃，在舊規范中的表述為擴展不確定度0.2 ℃。在新規范中，對于溫度具有更為嚴格的要求，新規范中對于數字溫濕度計的測溫范圍擴大至-20～+100 ℃，最大允許誤差為±0.05 ℃，舊規范中溫度計的測溫范圍是0～50 ℃，擴展不確定度為0.2 ℃。

在校準項目與方法上，新規范能夠根據客戶需要對溫濕度計的溫度量值進行單獨校準，從而進一步擴大新規范的適用范圍，更符合市場需求。在對溫濕度計的穩定性進行評估的過程中，新規范刪除了校準間隔期間對濕度傳感器保存環境上的要求，只需要在室內的自然條件之下即可。此外，新規范在評估溫濕度計的短期與長期的穩定性的過程中，其對校準溫度進行調整，將25 ℃調整為20 ℃，并刪除了濕度傳感器的準確度等級、溫度系數、響應時間和濕滯校準等項目，使得校準工作更為簡潔。

（6）嘗試在線校準。溫濕度設備在工業生產中具有廣泛的應用，貫穿于整個生命周期，在各個階段的各個環節都有所滲透，具有數據跨度范圍廣、傳輸量大和應用場景豐富的特點。例如在航天航空領域，其在溫濕度測量方面的要求就高于其他領域，因此對于工藝規范也有著更為嚴苛的標準，如果溫濕度的監控精準度無法得到保障，則會使得產品出現質量缺陷。

但是，在某些領域中，其工況的復雜使得各種自動化系統的參數和接口無法做到統一，幾乎不具備通用性，從而降低了各個系統之間的自由度以及功能的完善性和可計量性，需要重新設計甚至是二次開發相關的系統設備；由于溫濕度測量所使用的校準方法上的限制，使得大部分的設備所使用的傳感器拆卸后送到實驗室，并放入溫濕度檢定箱中，通過將測量值和設定值之間的誤差進行對比，以檢驗設備是否滿足相應要求，但這樣的操作增加了時間與經濟上的成本；盡管溫濕度測量設備的品牌與型號五花八門，但從本質上看，其數據能夠通過相關的接口輸入到電腦或者非易失性記憶體中，在系統斷電后也不會丟失數據，但在電腦端需要配套的驅動程序，且編寫時的任務量較大，且電腦系統的升級讓驅動程序也需要隨之更新，而系統卻存在易用性和通用性的問題，因此如今的大部分數字溫濕度計已經將驅動程序作為標配。

根據JJF 1076-2020《數字式溫濕度計校準規范》對數字式溫濕度計進行在線校準之后，將編程平臺和語言進行確定，通過軟件編程為校準過程編寫自動化程序并對相應步驟進行測試，從而讓溫濕度箱和溫濕度計的校準過程實現自動化，并設計軟件界面，構建可視化窗體，添加相應控件，便于校準人員操作。為了能夠將各種型號的溫濕度計進行統一管理與相關軟件的集成開發，可對各個型號溫濕度計的指令清冊進行統計，之后對于新型號溫濕度計僅需要將其錄入即可。

自動化方案能夠在提升工作效率的同時，也能夠降低人工分析所帶來的誤差，從而保障校準工作的質量。

4 結論

溫濕度計主要原理是通過溫濕度敏感元件對環境的溫濕度的變化產生不同的電量特性，經由信號處理器，通過數字顯示輸出溫濕度數值。為了校準數字溫濕度計，需要對測量標準進行明確，制定一套完善的校準方案，選擇合適的工作區域，對不確定度進行評定，并對其分量進行確定。此外，在進行溫濕度計的校準時，還要遵循相應的規范與標準，進一步保障數字溫濕度計的準確度，使得在一些對溫濕度具有一定要求的場合下對其進行更為有效的監控。