溫濕度箱不同濕度條件下溫度分布實驗研究

陳雪霞，陳觀金，伍偉雄，周裕華，陳再舉，黃柳超

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

我們都知道，檢定或校準溫濕度計，需要使用溫濕度箱，由溫濕度箱提供一個穩定和均勻的溫濕度場，溫濕度標準器、被檢溫濕度計同時放置在溫濕度箱中，待溫濕度箱的溫濕度穩定后，溫濕度標準器和被檢溫濕度計同時測量溫濕度箱的溫濕度，比較溫濕度標準器和被檢溫濕度計的測量結果，從而得到被檢溫濕度計的測量誤差。

由于熱交換和風速不均勻等各種因素的影響，溫濕度箱各個位置的溫度和濕度不可能一致，存在一定的溫度差和濕度差。按照檢定規程或校準規范的要求，溫濕度計檢定或校準時，濕度參數需要在某個溫度下檢定或校準，溫度參數則沒有規定在某個濕度下檢定或校準。事實上，溫濕度箱設定相同的溫度，在設定不同的濕度時，在兩個不同位置上的溫差并不相同。也就是說，溫濕度計溫度參數的檢定或校準，如果在不同的濕度條件下進行，則會因為溫差的變化，造成溫度的檢定或校準結果不相同。

溫濕度箱設定溫度相同，為何在設定不同濕度的條件下，兩個不同位置的溫差不相同，溫差的大小與濕度大小的關系又如何，本文通過實驗探究溫濕度箱在不同濕度條件下，空間溫度分布的變化情況，在溫濕度計檢定或校準溫度參數時，為減小測量結果不確定度提供有益的建議。

1 溫濕度箱的工作原理

常見的溫濕度箱的工作原理，通常是在箱體內部設置一個調節風道，調節風道內安裝有循環風機、冷凝器、加熱器、加濕器。加濕器對空氣進行加濕，加熱器對空氣進行加熱，冷凝器對空氣進行冷卻，同時對空氣進行冷凝除濕，循環風機驅動空氣在工作空間和風道內循環，通過控制器對加濕、加熱、制冷的控制調節，從而在工作空間獲得一個相對穩定和均勻的溫濕度場。

溫濕度箱的工作原理示意圖如圖1。

圖1 溫濕度箱的工作原理示意圖

2 溫濕度箱的溫度分布分析

從溫濕度箱的工作原理看，調節風道內的熱量和冷量，需要通過循環風機攪合并吹送至工作空間，風速在熱傳遞中起到關鍵作用，風速越大，熱傳遞越快，風速越小，熱傳遞越慢。溫濕度箱這種結構和工作原理，顯然不可能使空氣在工作空間內各個位置上均勻流動，甚至在較小的風道內，各個位置的風速也不太可能十分均勻，這就導致了工作空間內各個位置的溫度不相同。

風道內冷量、熱量攪合不均勻，導致出風口的溫度也不均勻，也是導致了工作空間內溫度不均勻的一個重要原因。

空氣的熱導性差是它的固有特性，因此，即使經過較長時間的熱平衡，溫濕度箱工作空間內各個位置依然存在一定的溫差。

3 溫度分布實驗設計

溫濕度箱的工作原理，決定了其工作空間內的溫度分布，并沒有固定的規律，不存在在某個方向上溫度逐漸增大或逐漸減小的情況，GB/T 5170.5-2016《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 第5 部分：濕熱試驗設備》[1]、JJF 1101-2019《環境試驗設備溫度、濕度參數校準規范》[2]、JJF 1564-2016《溫濕度標準箱校準規范》[3]等標準，均采用溫度均勻度來反映工作空間內的溫度分布情況，溫度均勻度是指工作空間內的最大溫差。GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度，是指工作空間內任意兩點之間的最大溫差。JJF 1564 所定義的溫度均勻度，是指工作空間內任意點與幾何中心點的最大溫差。

一般來說，JJF 1564 所定義的均勻度，會存在比GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度要小的情況，即GB/T 5170.5、JJF 1101 所定義的溫度均勻度，要嚴于JJF 1564 所定義的均勻度。所以，本實驗所測量的溫度均勻度，采用GB/T 5170.5、JJF 1101所定義的溫度均勻度，溫度測量點按JJF 1101 所規定的位置布放。

實驗選用兩臺不同工作原理的溫濕度標準箱為被測對象，一臺溫度范圍（-20 ～95）℃，濕度范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標準箱，另一臺溫度范圍（-40 ～150）℃，濕度范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標準箱。

溫度測量標準采用AA 級鉑電阻溫度計和34970A數據采集器，并整體校準修正使用。濕度測量標準采用MBW373 精密露點儀。

JJG 205-2005《機械式溫濕度計檢定規程》[4]，溫度檢定范圍為（15 ～30）℃，分別檢定15 ℃、20 ℃、30 ℃三個溫度點。濕度檢定范圍為（40 ～80）%RH，在溫度20 ℃時分別檢定40 %RH 、60 %RH 、80 %RH三個濕度點。因此，本實驗測量溫濕度標準箱溫度15 ℃、20 ℃、30 ℃，濕度不工作時的溫度均勻度。作為比較，測量溫濕度標準箱20 ℃/40 %RH 、20 ℃/60 %RH、20 ℃ /80 %RH 三個濕度點時的溫度均勻度。

因為JJF 1076-2020《數字式溫濕度計校準規范》[5]的濕度校準范圍為（10 ～90）%RH，所以本實驗再測量20 ℃/10 %RH 、 20 ℃/90 %RH 的溫度均勻度。

JJG 205 檢定的溫度只有15 ℃、20 ℃、30 ℃三個溫度點，屬于常用的室溫溫度，溫度的均勻性可能差異不算很大。本實驗測量溫度90 ℃濕度不開啟、90 ℃/10 %RH、90 ℃/60 %RH 、90 ℃/90 %RH 時的溫度均勻度，與室溫的溫度均勻度相比，看看溫度均勻度的差異有多大。

4 溫度分布實驗測試

按照上述的實驗設計，依照JJF 1101-2019 的方法，對一臺溫度范圍（-20 ～95）℃、濕度測量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標準箱進行溫度均勻度測量，測量結果如表1 ～3。

表1 濕度測量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標準箱濕度不工作時溫度均勻度測量結果

表2 濕度測量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標準箱溫度20 ℃時設定不同濕度條件下溫度均勻度測量結果

表3 濕度測量范圍（5 ～95）%RH 的溫濕度標準箱溫度90 ℃時設定不同濕度條件下溫度均勻度測量結果

對另一臺工作原理不同于上一臺，溫度范圍（-40 ～150）℃、濕度測量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標準箱進行溫度均勻度測量，測量結果如表4、5。

表4 濕度測量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標準箱溫度20 ℃時設定不同濕度條件下溫度均勻度測量結果

表5 濕度測量范圍（30 ～95）%RH 的溫濕度標準箱溫度40 ℃時設定不同濕度條件下溫度均勻度測量結果

5 溫度分布實驗測試結果分析

從表1 ～5 的測量數據可以看出，在溫度為20 ℃時，濕度越低，溫度均勻性越差，濕度越高，溫度均勻性越好，說明濕度的高低，對溫度均勻性有影響。在溫度為90 ℃時，這個結果更加明顯。

從熱傳導的角度來看，空氣熱傳導性能較差，而水則與空氣相反，熱傳導性能非常好，所以空氣中水含量的大小，會影響它的熱傳導性能，即空氣中的水含量越小熱傳導性能越差，水含量越大，熱傳導性能越好。空氣中的水汽含量增加時，會加快空氣的熱傳導，進而減小工作空間內的溫差。實驗中的數據表明，在設定相同的溫度時，濕度由10 %RH 逐漸增大至90 %RH，溫度均勻性也是逐漸變好。

實驗中為什么溫濕度箱在溫度20 ℃，濕度不啟動工作時的溫度均勻性最好，這主要有以下幾方面原因。一是20 ℃與室溫比較接近，箱內與箱外的熱交換少。二是沒有加濕器工作時對溫度控制和恒溫的干擾。三是平衡需要的熱量較少。

與之相反，溫濕度箱在溫度90 ℃，濕度不啟動工作時的溫度均勻性并不是最好，這主要有以下幾方面原因。一是空調室溫環境下，溫濕度箱室溫時濕度約為50 %RH 左右，當溫濕度箱溫度升至90 ℃，這時的濕度約只有3 %RH 左右，含水量較小，熱傳導性能差。二是溫度與室溫相差較大，箱內與箱外的熱交增加。三是平衡需要的熱量較大，在熱傳導性能較差的情況下，增大了箱內的溫差。

6 實驗結論

從實驗結果來看，溫濕度箱在室溫或室溫附近時的溫度，濕度不工作的溫度均勻性，比濕度工作時的溫度均勻性要好。所以，當我們依據相關技術規范，檢定或校準溫濕度計室溫或室溫附近的溫度時，溫濕度箱不需要啟動濕度，只需要啟動溫度即可。建議不要在檢定或校準濕度參數時，同時檢定或校準溫度參數，特別是不要在10 %RH 的濕度條件下檢定或校準溫度，以免增加溫濕度箱溫度不均勻引入的不確定度。

與之相反，溫濕度箱在偏離室溫較高時的溫度，濕度不工作的溫度均勻性，比濕度工作時的溫度均勻性要差。所以，當我們檢定或校準高溫的溫濕度計（或溫濕度傳感器）的溫度參數時，則需要開啟溫濕度箱的濕度，并盡可能在較高的濕度條件下進行，減小溫濕度箱溫度不均勻引入的不確定度。

7 結束語

溫濕度箱的溫度均勻性，除了與濕度有關外，還與它的工作原理有關，特別是與加除濕原理有關。因此，建議使用者自己親自對溫濕度箱進行測試，了解溫濕度箱在不開啟濕度控制和不同濕度條件下的溫度分布情況，在實際使用時采用均勻度最優的方式使用，這樣可以有效提升檢定或校準的質量，減少溫差對測量結果帶來的不確定度。

我們這個實驗，驗證了溫濕度箱的溫度均勻性，與濕度大小、工作原理有關的事實，期望能提示從事溫濕度計檢定或校準的工作者注意這個問題。事實上，溫濕度箱濕度的大小，不僅僅影響了溫度的均勻性，還引起了溫度值的變化。