环境试验设备校准中的有关问题

何金芳 朱海东/.上海市奉贤区计量检定所；.上海市金山区计量质量检测所

0 引言

环境实验设备泛指各种培养箱、干燥箱和恒温恒湿箱等设备，是用于做特定的温度、湿度环境试验的实验设备。通过对温、湿度仪表的控制，在一定的工作空间内，将规定的试验条件保持在要求规定的偏差范围之内，广泛应用于食品、药品、化妆品和工业企业等行业；对这些设备校准的依据是JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》等技术规范，给出其温湿度的偏差、均匀度和波动度，客观地反映设备的运行情况，给予用户在使用和操作上的正确指导，故设备的校准工作非常重要。但在计量标准考核和校准过程中发现存在一些问题，针对这些问题提出了建议，供大家参考讨论。

1 存在的问题

1.1 对标准器的准确度等级技术规范没有明确的要求

目前计量技术机构（以下简称机构）所配置的标准器一般由温、湿度传感器与数据采集器组成的多点温湿度测试仪或温湿度自动测试系统。不同的厂家生产的温湿度测试仪或温湿度自动测试系统，配置的传感器型号规格和准确度也不相同。对于温度传感器，有的机构配置铂电阻，有的机构配置热电偶；对于湿度传感器，有的机构湿度测试系统的最大允许误差为±2%RH，有的机构湿度测试系统的最大允许误差为±5%RH。

按照JJF 1101-2003的要求，在5.2条款“温度测量标准”描述：温度测量由温度传感器（通常用四线制铂热电阻）和显示仪表组成，时间常数应小于15 s；“湿度测量标准”描述：1）数字通风干湿表和气压表（通风速度应大于2.5 m/s）；2）数字湿度计（仅在湿度场不发生交变的情况下使用） ；3）干、湿球温度计（在风速均匀情况下，适用于相对湿度均匀度的测量）。从技术规范的要求看，对于测量标准的描述过于简单，对标准器的准确度等级或最大允许误差没有明确的要求，其势必造成测量结果也不同，这将导致机构在标准器的选用上产生困惑。

1.2 量值溯源点是否覆盖测量范围

湿度自动测试系统由一次仪表和二次仪表组成，量值溯源是一体溯源，不单独对湿度传感器和巡回检测仪进行分开溯源。就以表1湿度自动测试系统的溯源证书来说：若湿度自动测试系统的校准证书上就给出20 ℃时40%RH、60%RH和80%RH三个点的校准示值误差，且不是线性关系，计量标准考核时能否给出计量标准测量范围是（40%RH～80%RH）还是只给这三个点？若湿度自动测试系统三个探头的示值误差偏大，那么是否满足作为标准器的使用要求？若三个探头之间的示值相差较大，三个探头的随机布点会给测量结果带来哪些影响？

表1 三个点的校准示值误差

1.3 对环境实验设备测试的数据是否按标准器量值溯源证书上的数据需要修正

以湿度60%RH为例，探头1、2、3分别对应甲、乙、丙；按JJF 1101-2003校准规范，恒温恒湿试验设备（容积小于2 m3）在稳定的状态下，对湿度60% RH点进行半个小时的测量，每两分钟采集一次数据，共15遍。测得试验数据见表2。

表2 实验数据

1）相对湿度偏差的计算：

式中：Δhd——湿度的偏差，%RH；

hd——中心点n次测量的平均值，%RH；

h0——设备显示湿度平均值，%RH

2）相对湿度均匀度的计算：

式中：Δhu——湿度的均匀度，%RH；

himax——各校准点在第i次测量中的最高湿度，%RH；

himin——各校准点在第i次测量中的最低湿度，%RH；

n——测量次数

3）相对湿度波动度的计算：

式中：Δhf——湿度的波动度，%RH；

h0max——中心点n次测量中湿度的最高值，%RH；

h0min——中心点n次测量中湿度的最低值，%RH

按式（1）（2）（3）进行湿度偏差、湿度均匀度和湿度波动度的计算：

在湿度自动测试系统示值不修正的情况下数据处理结果：

湿度偏差：-6.1%RH；湿度波动度：±1.6%RH；湿度均匀度 ：6.1%RH。

在湿度自动测试系统示值修正（按表1的数据）的情况下数据处理结果：

湿度偏差：-2.6%RH；湿度波动度：±1.6 %RH；湿度均匀度：5.6%RH。

通过上述试验可以看出，在校准和数据处理过程中，标准器的示值误差是否修正，可能会影响到各校准点在第i次测量中的最高湿度和最低湿度的判断，导致湿度偏差和湿度均匀度不同。

2 建议

2.1 明确标准器的技术要求

随着科学技术不断发展，高性能的环境试验设备日新月异，对环境试验设备的校准会提出更高的要求。而现行JJF 1101-2003虽然发布很长时间，但后续也一直没有改进的版本，存在着对标准器的准确度或最大允许误差、测量范围等技术要求不明确等问题。为了让所选设备的计量特性能，能满足作为计量标准的需求，在选择标准器时可参照其他检验环境试验设备的方法。如GB/T 5170.2-2017环境试验设备检验方法（温度试验设备），对检验用的仪器提出了具体的技术要求，规定：1）t≤100 ℃时，最大允许误差一般不超过±0.3 ℃；2）100 ℃＜t≤200 ℃时，最大允许误差一般不超过±0.5 ℃；3）200 ℃ ＜t≤ 300 ℃时，最大允许误差一般不超过±1.0 ℃。在GB/T 5170.5-2016环境试验设备检验方法（湿热试验设备）中规定：湿度测试系统的最大允许误差一般不超过±2%RH。这些新的国家标准对测量标准的性能提出了具体的数据，可操作性强。除此之外，在实际的使用中，由于不同型号、不同测量范围的设备其技术指标不尽相同，有的出厂说明书上的技术指标高于规范要求，有的低于规范要求，不能以规范的要求作为唯一的依据。可按照量值溯源体系的要求，标准器的误差应至少小于被检设备允许误差的1/3，对于湿度传感器的误差应至少小于被检设备允许误差的1/2，以此来作为选择标准器的技术依据。

另外在实际的校准过程中，要特别注意：温湿度测试设备所配铂电阻温度传感器的耐温性能，虽然大多数温湿度测试设备所配的铂电阻温度传感器的测温范围可达到300 ℃，但在实际使用中，一般达到100 ℃～150 ℃（最高到200 ℃）时铂电阻传感器的密封胶就会融化，可能会出现一些问题，导致测量数据不准，建议100 ℃以上时使用热电偶作传感器。对于湿度校准部分，由于目前使用的湿度传感器是利用湿度与敏感物质的电性质（如电阻、电容）之间存在一定的关系进行测量，湿度传感器上的湿敏元件处于高温高湿的情况下，湿滞增加将导致标准器上湿度的示数偏大，从而影响校准结果，因此从目前的技术条件来看，不适宜在高温高湿的环境下校准。

2.2 增加量值溯源点

在JJF 1101-2003中规定,校准温湿度点一般应选择设备使用范围的下限、上限及中间点，也可根据用户需要选择实际常用的温湿度点。实验室在实际的工作中，一般是根据用户需要选择实际常用的温湿度点，从表1可知，对于准确度为±5%RH的湿度自动测试系统，若湿度自动测试系统的校准证书上就给出20 ℃时40%RH、60%RH和80%RH三个点的校准示值误差，且不是线性关系，那么其他非40%RH、60%RH和80%RH点的校准示值误差就无法获得，也就无法准确反映校准结果。因此计量标准考核时也不能给出计量标准测量范围是40%RH～80%RH，只能给这三个点。如要给出范围，那只能增加量值溯源点。另外若湿度自动测试系统三个探头的示值误差偏大，或者三个探头之间的示值相差较大，则通过量值溯源得到示值误差进行修正，从而满足作为标准器的使用要求，减少对测量结果的影响。针对这些情况，标准器送检时，建议从低湿10%RH到高湿90%RH，每间隔10%RH的点进行量值溯源。

2.3 正确处理数据，对测试的数据要进行修正

在计量标准考核和实验室比对时，发现有的实验室在湿度自动测试系统数据处理过程中对标准器的示值进行修正，有的实验室没有修正。通过上面案例可以看出，对于准确度为±5%RH配置的湿度自动测试系统，标准器的准确度低，其误差偏大，三个探头的示值误差不修正的话，将影响最大值和最小值的判断。示值误差是否修正，校准结果湿度偏差和湿度均匀度也是不同的，湿度偏差值两者相差高达3.5%RH，主要是由标准器自身误差大给测量结果带来的影响。减小系统误差采用修正的方法，因此建议在数据处理时，先要根据每年的溯源证书信息对其示值误差进行修正，再进行偏差和均匀性的计算。对于准确度为±2%RH配置的湿度自动测试系统，虽然其误差相对来说要小很多，但不同传感器之间的示值误差不一致性存在。另外湿度传感器使用时间一长，容易老化，从而降低准确度，所以对其示值误差进行修正也是很有必要的。

3 结语

本文介绍了环境试验设备在计量标准考核和校准过程中存在的一些问题。对于这些问题，通过合理地选择标准器，适当增加量值溯源点和正确处理数据等方法，来保证其校准数据的准确性和有效性，从而使环境试验设备更好地发挥作用。