试验箱温湿度校准装置分析

陈梓豪

深圳市中测计量检测技术有限公司        广东省深圳市       518102

摘要：随着航空、化工及电子仪表等产品性能要求的日益严苛，为解决试验箱温湿度不均匀等问题，本文对温湿度校准装置的设计原理进行研究，分析了影响试验箱使用效果的具体因素，并提出合理配置传感器结构、优化软件控制模块、布置温湿度测量电路、科学分析不确定度等设计步骤，以此归纳适用于试验箱温湿度校准场景的校准装置设计经验，由此改善试验箱操作条件。

关键词：试验箱；温湿度校准装置；控制模块；测量电路；不确定度

前言：试验箱多具备创造恒温恒湿条件的试验功能，可为产品性能检测给予指引。一般情况下，要求2m³体积以下的试验箱温湿度测点数量控制在9个、3个左右，随着试验箱体积扩充逐步扩大测点分布范围，但基本上要满足±1℃和±3%RH的基本要求。为有效校准试验箱温湿度指标，理应加强校准装置优化设计。

1、试验箱温湿度校准装置设计原理及影响因素

1.1设计原理

在设计试验箱温湿度校准装置时，主要包含温度设计和湿度设计两项内容。为保证所设计的校准装置能提高温湿度数据控制准确度，应结合试验箱结构特征构建模型，随即按照相关计算方法（如下述公式所述）界定温湿度变化区间。事实上，校准装置的设计目的是为了促使试验箱温湿度指标趋于既定标准，尽量缩小温湿度同产品性能检测条件温湿度要求的误差。

即：  公式（1）

  公式（2）

  公式（3）

  公式（4）

上述公式（1）-公式（3）均为试验箱湿度计算标准；公式（4）为温度计算标准。式中ew、A、P、ta、tw、es分别表示湿球温度下饱和水气压、干球系数、气体总气压、干球及湿球温度、干球温度下饱和水气压；E为饱和水气压，t为温度；v为风速；Rt、Ro表示的是t温度下铂电阻值、初始铂电阻A、B、C代表温度系数。

关于校准装置中温湿度指标控制的优化设计，实则是在根据传感器测量方式促使测定结果始终趋于标准值。同时在硬件电路辅助下，能够通过模拟信号与数字信号的有效转换把控温湿度变化区间，确保在校准装置助力下增强温湿度指标的可控性。

1.2影响因素

试验箱温湿度校准装置设计期间，应结合影响试验箱使用性能的关联因素确定优化方向。通常关乎性能水平的因素包括箱体结构、热传递水平及风速和产品内部放置体积。比如产品分布于试验箱内，会因结构特征导致不同部位的温湿度均匀度不一致，又或是因试验箱内部孔洞（测试孔、穿线孔、检测孔等），造成热传递能力不等，此时也会产生温湿度分布不均匀情况。而且若直接将产品置于临近试验箱风道处，将干扰温湿度指标，一般要求产品放置体积在20%试验箱体积以内[1]。至于风速宜控制在1.7m/s之内，且空载状态下风速低于0.8m/s，要想提升试验箱温湿度控制准确度，针对现有校准装置进行优化设计具备必要性，刚好可以应对复杂因素下的干扰风险。

2、试验箱温湿度校准装置设计要点

2.1合理配置传感器结构

在设计试验箱温湿度校准装置时，从上文中知晓温湿度指标的校准，应当通过传感器进行测量，因而应合理配置传感器结构。一般要求在该装置助力下，促使0.5h内实现温湿度指标趋于既定标准。由于校准装置测量温湿度时反馈的结果准确度直接与传感器性能有关，所以务必从传感器硬件设施层面予以优化。

传感器类型较为繁杂。据了解：J型热电偶传感器和K型、T型温度测量范围分别为-100℃至600℃、-100℃至1372℃、-150℃至400℃，温度准确度各为0.4℃、0.45℃、0.38℃，经过对比不同规格热电偶传感器技术指标后，能够从中发现T型适用性更强。除了温度传感器外，还包含湿度传感器。具体可以根据上文提到的干球测量法对湿度传感器的湿度测量准确度予以分析。测定绝对湿度指标时可以结合实际水汽压（e）、水的气体常数（Rw）以及温度（T）、空气体积（V）、空气中溶解水的质量（m）参数进行计算，随即根据绝对湿度（ρm）和最高湿度的比值求取水蒸气饱和度，自此选出抗干扰性强、响应速度快的传感器。

  公式（5）

待准备好传感器后，需通过对温湿度变化区间的最高和最低数据进行综合分析，随即在校准装置指引下提高试验箱温湿度均匀度。

2.2优化软件控制模块

以校准装置校对试验箱温湿度指标期间，优化传感器结构之余还需对软件控制模块展开优化。具体包括数据采集、数据显示以及数据校准模块。

首先，该装置在校准温湿度时，可以运用动态库函数方式设计硬件驱动程序，经过与数据采集器的联合操作，可以判断试验箱温湿度是否需要启动数据校准指令；其次，对试验箱温湿度数据进行实时显示，可以依靠指示灯颜色变化规律确定温湿度波动规律，以红色（温湿度偏高）、蓝色（温湿度偏低）予以显示；最后，需在校准模块中优化校准功能，为促使该装置体现出在线校准价值，可同时设定自动校准和手动校准模块[2]。前者是通过控制温湿度指标自动扫描周期，分析温湿度是否存在不均匀分布问题。后者是在定时循环函数导向下，将温湿度测量时间控制为2min，并确保0.5h内完成多次手动校准操作，致使温湿度指标全程都满足产品性能试验温湿度条件要求，尽量减少温湿度波动幅度。

2.3布置温湿度测量电路

校准装置在校准温湿度时，还需根据软硬件设计路径布置测量电路。为获取高精度温湿度校准结果，应事先准备好软硬件设施，而后确定多个连接渠道，在与传感器连接时，其线路连接后需要体现数据信息的实时传递，一般需要利用通讯协议在用户和试验箱温湿度校准装置之间确定通讯服务关系，通常需要搭配精密铂电阻温度计，因其测量温度时最低温可达到零下30℃，最高温为150℃，所以将其配置在校准装置内可以增加数据反馈灵敏度[3]。

至于湿度测量电路，还可引进智能通讯技术，并搭配接口（两线制）实现湿度指标的智能校对。其中要求连接传感器所需导线连通时间应控制在11ms之内，保证在未达到连通状态前保持静置状态，随后按照循环程序（开始→初始化运行→记录试验箱相关信息→是否进行自动测量→自动测量启动后确定测试空间点以及温湿度数据间隔2min自动记录一次→直到温湿度测量结果与产品性能试验要求指标相差无几后调换下一个测试点）进行数据测量，完成数据自动测量任务后终止测量任务，并将温湿度始终保持在相对稳定的区间内。

2.4科学分析不确定度

校准试验箱温湿度期间，应当针对校准装置开设不确定度分析测试，要求该装置在15℃至35℃，湿度低于85%RH条件下进行测试，而且还需要记录校准装置运行中温湿度偏差数值，若测定后发现校准装置下试验箱显示的温湿度与实际温湿度相差不大，可以确定校准装置有实践价值。其不确定度计算标准如下：

      公式（6）

式中uc表示不确定度，u1、u2、u3为试验箱待测设备仪表读数重复性、温度传感器读数重复性分量及其误差。代入相关数据后可知晓最终测定结果，此时若符合温湿度校准数值不确定度分析要求，可以确定该校准装置可用在试验箱温湿度校对场景内，以供试验箱具备持稳的温湿度试验环境，为产品性能检测给予可靠保障。

结论：综上所述，基于试验箱温湿度校准标准，兼顾温湿度校准装置设计原理和影响因素，从传感器结构、软件控制模块、温湿度测量电路和不确定度分析等方面充分优化校准装置的使用效果，促使在该装置指引下，能够充分提升试验箱温湿度校准可靠性，确保试验箱在实际使用阶段，能为产品性能检测试验给予有利的温湿度控制条件，促使试验箱在产品提质改进过程中带来促进作用。

参考文献：

[1]陈桂逸,侯敏龙.环境试验设备温度、湿度校准结果不确定度评定分析[J].品牌与标准化,2023(02):42-46.

[2]杨红艳,张翔宇,刘岱鑫,等.药品强光稳定性试验箱校准方法研究及生产建议[J].计量与测试技术,2020,47(11):34-38.

[3]李向召,黄志凡,代彩红,等.光辐射老化试验箱智能在线校准装置的研制[J].中国测试,2020,46(S1):169-172.