数字式温湿度计温度参数校准方法的分析

及 毅

（沧州市计量测试所，河北 沧州 061000）

温湿度是环境参数中最基本的参数，在工业生产中具有重要意义。随着社会经济的发展与人们生活水平的提升，温湿度对于人们的日常生活具有越来越关键的影响。数字温湿度计因具有携带方便、容易读数以及维护简单等特点，在药店、检测实验室等对于温湿度较为敏感的场所，有着逐渐取代机械式温湿度计的趋势。由于我国对于温湿度计的检定校准缺乏规范，使得数字温湿度计的使用精确度受到一定程度的影响。

1 数字温湿度计工作原理

数字温湿度计通过温度和湿度的感应元件随着温湿度的变化产生不同的电信号的特性制成的测量仪器，其主要构成由感应元件、电路部分和显示系统三大主要组成部分。

感温元件主要包含了工业铂电阻、半导体元件、热敏电阻等，其通过温度和电信号的变化，经由信号处理后，在仪表上以数字形式显示被测量的温度值；感湿元件包含了湿敏电容、湿敏电阻或湿敏谐振器等，在湿度发生变化时，感湿元件的输出电信号也随之变化，经过电路处理后，通过数字输出相对湿度。

另一种工作原理，是数字式温湿度计由温度传感器、模数转换、数据存贮、译码现实和时序电路构成，当测量湿度时，干湿温度表分别测出各自温度值，再经由放大器将温度信号转换为模数电路所能够接受的模拟电信号，经过转换后温度信号变为数字信号。在其中，干湿温度的数字信号被送入温度显示电路直接显示，之后干湿温度的数字信号再组成查阅数据存贮所需的地址码，在其选中的存贮单元中，就是与此同时的干湿温度相对于的湿度值，最后被选中的湿度值在经由译码后输出显示，整个过程中都是由电路负责控制，能够自动进行。在这一种温湿度计中，其自动工作的关键在于使用了由EPROM构成的数据存贮电路与干湿温度合成的地址码，其被用于存贮湿度表的湿度值。

无论是绝对湿度还是相对湿度，都会受到饱和水汽压的影响。现阶段的一般电子线路无法对饱和水汽压这样的非线性函数进行描述，但可以通过微处理器进行改进。根据相关文献记载，如今国内已经出现许多实用微处理器的温湿度计，其具有较高的精度，误差通常低于3%的相对湿度，因为价格较高，其推广使用存在一定的困难。随着电路设计的不断优化与技术的不断进步，相关的成本也得到了有效控制，在线路简化的同时性能也愈发可靠。

2 温湿度计校准相关要求

在对数字温湿度计进行校准的过程中，需要遵循计量性能和通用技术两方面的相关要求。

在计量性能上，温湿度计的温度修正值的范围需要控制在±0.5 ℃的范围内，在20 ℃以及（40～70）%RH的条件下，相对湿度的修正值也不得超过±3 %RH。通用技术方面，需要确保外形结构的完整性，例如仪表名称、型号规格、测量范围、制造厂名或上班、出厂编号等，都需要进行明确标记；在外露部件方面，不得出现松动与破损，数字显示面板不可出现对读数产生影响的缺陷；外界传感器必须确保其良好接触；仪表显示值应清晰可读，亮度均匀且没有叠字，数字显示不能出现缺少笔画等问题，不得出现间隔跳动，小数点、极性和过载状态应正确显示，确保其准确性。

3 数字温湿度计的具体校准方法

数字温湿度计的准确性对于日常的生产生活具有至关重要的影响，尤其是在诸如药店、检测实验室等对于温湿度有着较为严格要求的场所，如果数字温湿度计的准确性出现问题，则会使得环境内的温度和湿度无法得到准确控制。为了保障数字温湿度计的准确性，需要对数字温湿度计进行校准。因此，需要通过合适的方法，对数字温湿度计进行校准，从而对环境温湿度进行有效监控。

（1）明确测量标准。在校准数字温湿度计时，需要对测量标准进行明确，为校准工作提供可供参考的标准。精密露点仪方面，选用配铂电阻温度计的冷镜式露点仪，其能够同时显示露点温度、相对湿度和温度，技术指标方面，在露点的测量范围是(-20～+40）℃，最大允许误差在±0.2 ℃。温湿度试验箱方面，其需要具备自动温湿度调节功能，应搭配开门和大面积透明观察窗。在温度范围内，在（5～50）℃，均匀度为0.3 ℃，波动度在±0.2 ℃范围内。在相对湿度上，在20 ℃的条件下其范围在（10～95）%RH，均匀度是1.0 %RH，波动度为±1.0 %RH。

（2）制定校准方案。在校准数字温湿度计的过程中，需要制定完善的校准方案。将标准器的探头放入温湿度校准箱的有效工作区域的中心位置，并将温湿度计置于有效工作区域，从由低到高的顺序进行排列，在设定的温度和湿度充分稳定后，用露点仪通过比较法对数字温湿度计进行校准。

在校准温度示值误差的过程中，其校准点为15 ℃、20 ℃和30 ℃，在温湿度试验箱内的温度达到设定值之后稳定10 min，然后每隔2 min记录露点仪的相对湿度值、温度值和被校准温湿度计的温度、相对湿度值，共记录三组数据。取三次读数的平均值作为标准器的温度示值TB和被校准仪器的温度示值T。在计算温度示值误差的过程中，按照下列公式计算。

△T=T-TB

△T：被校准仪器的温度示值的误差值；T：是被校准仪器的温度示值；TB：是标准器的温度示值。单位均为℃。

（3）选择工作区域。数字温湿度计的校准对于环境具有一定的要求，因此有效工作区域的选取至关重要。在温湿度场有效工作区域内的湿度参数的准确度，对数字温湿度计校准结果的可靠性具有直接影响，故对于温湿度箱的选择提出了更高的要求。参考机械式温湿度计的检定规程中的方法，取距工作室内壁距离50 mm的工作空间作为数字温湿度计的有效工作区域，并使用技术指标为温度允许误差为±0.1 ℃、露点允许误差±0.1 ℃的精密露点仪作为标准器，组成数字温湿度计的校准装置。

在有效工作区域内，可得到的温湿度参数如下：温度均匀度为0.1 ℃，每30 min的波动度为±0.1 ℃；相对湿度的均匀度为0.5 %RH，每30 min的波动度为±0.2 %RH。

（4）评定不确定度。校准数字温湿度计的过程中，还需要对不确定度进行评定。文章中将以温度20 ℃、相对湿度60 %RH点为例进行校准，对温度测量的不确定度进行评定。

在评定温度测量的不确定度时，将校准温湿度计温度部分的标准不确定度的类型、分量和来源等列入温度测量不确定度概算表中，则可得到温度合成标准的不确定度和有效自由度，并取置信概率95%和有效自由度100，查询t分布表可得到所需数值，即可得到温度校准结果的扩展不确定度。

对于湿度测量的不确定度评定，需要将校准温湿度计湿度部分的标准不确定度类型、分量和来源等数据填入湿度测量不确定度概算表，通过相应公式得到露点仪传感器处的实际相对湿度，其中公式中包含了在一定压力下露点仪露点和温度读数相关的增强因子以及露点仪露点读数和温度读数所对应的饱和蒸气压力。经过计算后，可以得出露点仪的相对湿度标准不确定度，随之得出湿度合成标准的不确定度和有效自由度。取95%的置信概率和有效自由度100，根据t分布表得到对应数值，最后得出湿度校准结果扩展不确定度。

以30 ℃校准点为例，首先进行多次测量，计算标准偏差，得到标准不确定度u1；其次，将标准露点仪的最大允许误差引入标准不确定度u2；第三，由温湿度试验箱的温场不均匀性，得到标准不确定度u3；第四，根据温湿度试验箱的温度波动度，计算标准不确定度u4；最后计算标准合成不确定度u，并合成扩展不确定度U。

（5）遵循相应规范。在对数字温湿度进行校准的过程中，其关键在于遵循相应规范。规范中，包含了相应的规程、定义、术语和各类表格等，对于校准的准确性具有非常大的帮助，进而更好地对温湿度进行校准。

在进行温湿度计校准的过程中，还应遵循相应规范进行。虽然JJG 205-2005《机械式温湿度计检定规程》在温湿度计的检定工作中起到了非常关键的作用，但随着时代的发展与科技的进步，数字温湿度计的发展与需求也在不断扩大，其中包括了存储记录功能的数字温湿度计更是得到了广泛应用。随着2020年11月JJF 1076-2020《数字式温湿度计校准规范》的颁布，其更符合数字温湿度计的技术要求，例如新规范增加了引言和不确定度评定，并微调了章节顺序，内容更为严谨。

过去的旧规范所适用的范围较小，而新规范能够适用于更多的温湿度计，且其他原理的温湿度计也能够参考这一标准规范进行，广泛的应用范围也更加贴合实际，考虑到目前市面上的许多湿度计带有温度参数，新校准规范也收录了与温度参数校准的内容。

在计量特性上，新规范只保留了温湿度计的修正值和湿度稳定性，删除了旧规范中的准确度等级、温度系数、响应时间等计算特性，增加了温度修正值的特性，使得标准更加简洁实用。

在校准环境条件上，旧规范是18～28 ℃，湿度环境要求<85 %RH；新校准规范的温度环境要求是20～30 ℃，湿度环境要求是<85 %RH，在温度校准范围上做出了调整。

此外，新标准在标准器上也作出了规定。新标准明确了温湿度标准箱可作为湿度发生器，用于校准数字式温湿度计，且对于温湿度计提出了更为严格的要求，其范围是10～95 %RH，均匀度不大于1.0 %RH，波动度不超过±1.0 %RH，温度范围是5～50 ℃，均匀度不大于0.3 ℃，波动度不超过±0.2 ℃，比旧规范增加了湿度发生器的温湿度均匀度和波动度等具体要求。

在新规范中，其对精密露点仪的要求也存在变化，表述上也更为准确，其最大允许误差为±0.2 ℃，在旧规范中的表述为扩展不确定度0.2 ℃。在新规范中，对于温度具有更为严格的要求，新规范中对于数字温湿度计的测温范围扩大至-20～+100 ℃，最大允许误差为±0.05 ℃，旧规范中温度计的测温范围是0～50 ℃，扩展不确定度为0.2 ℃。

在校准项目与方法上，新规范能够根据客户需要对温湿度计的温度量值进行单独校准，从而进一步扩大新规范的适用范围，更符合市场需求。在对温湿度计的稳定性进行评估的过程中，新规范删除了校准间隔期间对湿度传感器保存环境上的要求，只需要在室内的自然条件之下即可。此外，新规范在评估温湿度计的短期与长期的稳定性的过程中，其对校准温度进行调整，将25 ℃调整为20 ℃，并删除了湿度传感器的准确度等级、温度系数、响应时间和湿滞校准等项目，使得校准工作更为简洁。

（6）尝试在线校准。温湿度设备在工业生产中具有广泛的应用，贯穿于整个生命周期，在各个阶段的各个环节都有所渗透，具有数据跨度范围广、传输量大和应用场景丰富的特点。例如在航天航空领域，其在温湿度测量方面的要求就高于其他领域，因此对于工艺规范也有着更为严苛的标准，如果温湿度的监控精准度无法得到保障，则会使得产品出现质量缺陷。

但是，在某些领域中，其工况的复杂使得各种自动化系统的参数和接口无法做到统一，几乎不具备通用性，从而降低了各个系统之间的自由度以及功能的完善性和可计量性，需要重新设计甚至是二次开发相关的系统设备；由于温湿度测量所使用的校准方法上的限制，使得大部分的设备所使用的传感器拆卸后送到实验室，并放入温湿度检定箱中，通过将测量值和设定值之间的误差进行对比，以检验设备是否满足相应要求，但这样的操作增加了时间与经济上的成本；尽管温湿度测量设备的品牌与型号五花八门，但从本质上看，其数据能够通过相关的接口输入到电脑或者非易失性记忆体中，在系统断电后也不会丢失数据，但在电脑端需要配套的驱动程序，且编写时的任务量较大，且电脑系统的升级让驱动程序也需要随之更新，而系统却存在易用性和通用性的问题，因此如今的大部分数字温湿度计已经将驱动程序作为标配。

根据JJF 1076-2020《数字式温湿度计校准规范》对数字式温湿度计进行在线校准之后，将编程平台和语言进行确定，通过软件编程为校准过程编写自动化程序并对相应步骤进行测试，从而让温湿度箱和温湿度计的校准过程实现自动化，并设计软件界面，构建可视化窗体，添加相应控件，便于校准人员操作。为了能够将各种型号的温湿度计进行统一管理与相关软件的集成开发，可对各个型号温湿度计的指令清册进行统计，之后对于新型号温湿度计仅需要将其录入即可。

自动化方案能够在提升工作效率的同时，也能够降低人工分析所带来的误差，从而保障校准工作的质量。

4 结论

温湿度计主要原理是通过温湿度敏感元件对环境的温湿度的变化产生不同的电量特性，经由信号处理器，通过数字显示输出温湿度数值。为了校准数字温湿度计，需要对测量标准进行明确，制定一套完善的校准方案，选择合适的工作区域，对不确定度进行评定，并对其分量进行确定。此外，在进行温湿度计的校准时，还要遵循相应的规范与标准，进一步保障数字温湿度计的准确度，使得在一些对温湿度具有一定要求的场合下对其进行更为有效的监控。