Дополнительные погрешности термогигрометров от температуры и влажности окружающей среды

Оглавление

• 1. Понятие основной и дополнительной погрешности
• 2. Влияние температуры окружающей среды на показания термогигрометра
• 3. Влияние относительной влажности окружающей среды
• 4. Совместное влияние температуры и влажности
• 5. Методы учёта и компенсации дополнительных погрешностей
• 6. Требования нормативной документации
• 7. Практические рекомендации по выбору и эксплуатации

1. Понятие основной и дополнительной погрешности

В метрологии средств измерений температуры и относительной влажности воздуха принято чёткое разделение погрешностей на основную и дополнительные. Основная погрешность нормируется и определяется в нормальных условиях применения, установленных для конкретного типа термогигрометра. Дополнительные погрешности возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений и подлежат отдельному нормированию либо учёту при оценке суммарной погрешности измерения.

Согласно ГОСТ 8.009-84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» основная погрешность — это погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях. Нормальные условия для термогигрометров, как правило, включают:

• температуру окружающего воздуха (20 ± 5) °C;
• относительную влажность воздуха от 30 до 80 %;
• атмосферное давление (100 ± 4) кПа;
• отсутствие внешних электромагнитных полей и вибраций, превышающих допустимые уровни.

Дополнительная погрешность — это составляющая погрешности средства измерений, возникающая вследствие отклонения одной из влияющих величин от нормального значения. Для термогигрометров основными влияющими величинами являются температура и относительная влажность окружающей среды. Эти факторы воздействуют как на первичные преобразователи (датчики температуры и влажности), так и на электронную часть прибора.

В общем виде абсолютная дополнительная погрешность по влияющей величине \( \xi \) может быть представлена выражением:

\[ \Delta_{\text{доп}} = K_{\xi} \cdot (\xi - \xi_{\text{н}}) \]

где \( K_{\xi} \) — коэффициент влияния (чувствительность к влияющей величине), \( \xi \) — фактическое значение влияющей величины, \( \xi_{\text{н}} \) — нормальное значение влияющей величины.

Для относительной дополнительной погрешности часто применяют формулу:

\[ \delta_{\text{доп}} = \frac{\Delta_{\text{доп}}}{X} \cdot 100 \% \]

где \( X \) — измеряемая величина (температура или относительная влажность).

Важно понимать, что дополнительные погрешности не являются постоянными. Их величина зависит от диапазона изменения влияющих факторов, конструкции датчиков, качества термокомпенсации и алгоритмов обработки сигнала в микропроцессорной части прибора. В современных цифровых термогигрометрах часть дополнительных погрешностей компенсируется программно, однако полностью устранить влияние температуры и влажности окружающей среды невозможно.

При оценке суммарной погрешности измерения в реальных условиях эксплуатации учитывают как основную, так и все значимые дополнительные составляющие. Согласно РМГ 29-2013 «Метрология. Основные термины и определения» погрешность результата измерения включает все составляющие, связанные как со средством измерений, так и с условиями его применения.

Вид погрешности	Условия определения	Характер проявления	Способ нормирования
Основная	Нормальные условия	Постоянная в пределах диапазона	Пределы допускаемой основной погрешности
Дополнительная от температуры	Отклонение температуры от нормальной	Линейная или нелинейная зависимость	Коэффициент влияния или пределы дополнительной погрешности
Дополнительная от влажности	Отклонение влажности от нормальной	Чаще всего нелинейная	Коэффициент влияния или пределы дополнительной погрешности
Суммарная	Реальные условия эксплуатации	Комбинация всех составляющих	Расчёт по методике оценки неопределённости

На практике производители термогигрометров указывают в технической документации либо пределы допускаемой дополнительной погрешности при заданном изменении влияющей величины, либо коэффициент влияния. Второй способ более информативен, так как позволяет пользователю самостоятельно рассчитать дополнительную погрешность для конкретных условий эксплуатации.

Для тех, кто ценит точность и удобство каждый день, идеальным решением станет приобрести термогигрометр Testo 608-H1.

2. Влияние температуры окружающей среды на показания термогигрометра

Температура окружающей среды является одним из наиболее значимых факторов, вызывающих дополнительные погрешности термогигрометров. Влияние температуры проявляется по нескольким механизмам одновременно.

Первый механизм связан с температурной зависимостью характеристик первичных преобразователей. Для измерения температуры в современных приборах применяют платиновые термометры сопротивления (Pt100, Pt1000), термисторы или полупроводниковые датчики. Платиновые датчики обладают высокой стабильностью, однако даже у них существует небольшой температурный коэффициент сопротивления обмотки и соединительных проводов. При измерении относительной влажности наиболее распространены ёмкостные датчики. Ёмкость чувствительного элемента таких датчиков зависит не только от влажности, но и от температуры. Типичный температурный коэффициент ёмкостного датчика влажности составляет от 0,05 до 0,2 % ОВ на 1 °C.

Второй механизм — влияние температуры на электронную схему прибора. Аналого-цифровые преобразователи, опорные источники напряжения, усилители и генераторы сигналов имеют собственные температурные коэффициенты. При изменении температуры окружающей среды изменяются параметры этих элементов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.

Третий механизм связан с тепловым расширением материалов корпуса и элементов крепления датчиков. При значительных перепадах температуры возможно появление механических напряжений, влияющих на геометрию чувствительного элемента ёмкостного датчика влажности.

Количественно дополнительная погрешность от температуры окружающей среды для канала измерения температуры обычно нормируется в виде:

\[ \Delta_{t,\text{доп}} = \pm \left( a + b \cdot |t - t_{\text{н}}| \right) \]

где \( a \) и \( b \) — постоянные коэффициенты, указанные в технической документации, \( t \) — фактическая температура окружающей среды, \( t_{\text{н}} \) — нормальная температура.

Для канала измерения относительной влажности дополнительная погрешность от температуры чаще записывается как:

\[ \Delta_{\varphi,\text{доп}} = \pm c \cdot |t - t_{\text{н}}| \]

где \( c \) — коэффициент влияния температуры на показания влажности, выраженный в % ОВ / °C.

Типичные значения коэффициента \( c \) для современных термогигрометров лежат в диапазоне 0,05–0,15 % ОВ / °C. Это означает, что при изменении температуры окружающей среды на 20 °C относительно нормальной дополнительная погрешность по каналу влажности может достигать 1–3 % ОВ, что сопоставимо с основной погрешностью многих приборов.

Тип датчика	Типичный коэффициент влияния температуры на влажность, % ОВ/°C	Диапазон рабочих температур, °C	Примечание
Ёмкостный полимерный	0,05–0,10	–40…+80	Наиболее распространённый тип
Ёмкостный керамический	0,03–0,08	–40…+120	Повышенная стабильность
Резистивный	0,10–0,25	–20…+60	Выше температурная зависимость
Психрометрический	0,02–0,05	0…+50	Зависит от точности измерения температуры

Особое внимание следует уделять случаям, когда термогигрометр работает в условиях, значительно отличающихся от нормальных. Например, при эксплуатации прибора в неотапливаемом помещении зимой температура может опускаться до –10…–20 °C, а летом в производственных цехах подниматься до +40…+50 °C. В таких условиях дополнительная погрешность от температуры становится доминирующей составляющей суммарной погрешности.

Для снижения влияния температуры окружающей среды производители применяют аппаратную и программную термокомпенсацию. Аппаратная компенсация реализуется путём введения в схему термозависимых элементов, компенсирующих изменение параметров датчика. Программная компенсация основана на измерении температуры чувствительного элемента и внесении поправки в результат измерения влажности по заранее определённой характеристике. Эффективность компенсации зависит от точности определения температурной характеристики датчика и стабильности этой характеристики во времени.

Согласно ГОСТ 8.395-80 «Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования» при поверке термогигрометров температура окружающей среды должна поддерживаться в пределах нормальных значений. Если поверка проводится при температуре, отличающейся от нормальной, необходимо вводить поправки на дополнительную погрешность либо учитывать её при расчёте неопределённости измерений.

3. Влияние относительной влажности окружающей среды

Относительная влажность окружающей среды оказывает влияние на показания термогигрометра по двум основным направлениям: через воздействие на датчик температуры и через воздействие на электронные компоненты прибора.

Датчики температуры, особенно полупроводниковые и термисторные, могут изменять свои характеристики при высокой влажности из-за адсорбции влаги на поверхности чувствительного элемента. Платиновые термометры сопротивления менее чувствительны к влажности, однако при конденсации влаги на соединительных проводах возможно появление утечек, приводящих к искажению сигнала.

Более существенное влияние относительная влажность оказывает на электронную часть прибора. Печатные платы, разъёмы, конденсаторы и другие элементы могут изменять свои параметры при длительном воздействии высокой влажности. Особенно критичным является образование конденсата при резком понижении температуры ниже точки росы. Конденсат способен вызвать как временные сбои в работе прибора, так и необратимые повреждения.

Для ёмкостных датчиков влажности существует явление гистерезиса, связанное с адсорбцией и десорбцией молекул воды полимерным слоем. При циклическом изменении влажности окружающей среды показания датчика могут отличаться в зависимости от направления изменения влажности. Величина гистерезиса обычно составляет 1–2 % ОВ и увеличивается при работе в области высоких значений влажности (выше 80–90 % ОВ).

Дополнительная погрешность от изменения относительной влажности окружающей среды нормируется реже, чем погрешность от температуры. Это связано с тем, что в большинстве случаев влияние влажности на канал измерения температуры невелико, а на канал измерения влажности оно частично компенсируется самой конструкцией датчика. Тем не менее в технических условиях на термогигрометры можно встретить указания вида:

\[ \Delta_{\text{доп},\varphi} = \pm d \cdot |\varphi - \varphi_{\text{н}}| \]

где \( d \) — коэффициент влияния относительной влажности, \( \varphi \) — фактическая относительная влажность окружающей среды, \( \varphi_{\text{н}} \) — нормальное значение.

Типичные значения коэффициента \( d \) для канала температуры составляют 0,01–0,03 °C на 10 % ОВ, а для канала влажности — 0,05–0,15 % ОВ на 10 % ОВ изменения окружающей влажности.

Особую опасность представляет работа термогигрометра в условиях, близких к насыщению (относительная влажность выше 95 %). В этом случае даже небольшое понижение температуры приводит к конденсации влаги на чувствительном элементе. После конденсации датчик влажности может показывать завышенные значения в течение длительного времени (от нескольких часов до суток) до полного высыхания чувствительного слоя. Некоторые современные датчики имеют защиту от конденсации в виде гидрофобного покрытия или специальной конструкции корпуса, однако полностью исключить влияние конденсата невозможно.

Диапазон относительной влажности окружающей среды	Характер влияния на датчик температуры	Характер влияния на датчик влажности	Рекомендуемые меры
30–70 % ОВ	Минимальное	Минимальное	Стандартная эксплуатация
70–90 % ОВ	Незначительное увеличение погрешности	Возможен гистерезис	Контроль точки росы
90–95 % ОВ	Риск образования конденсата	Значительный гистерезис	Применение защиты от конденсации
Выше 95 % ОВ	Высокий риск конденсации	Возможны необратимые изменения	Ограничение времени работы

При выборе термогигрометра для работы в условиях повышенной влажности следует обращать внимание на степень защиты корпуса (IP), наличие защиты датчика от конденсации и наличие в документации сведений о дополнительной погрешности от влажности окружающей среды. Приборы с металлическим корпусом и герметичными разъёмами лучше сохраняют метрологические характеристики при длительной работе во влажной среде по сравнению с приборами в пластиковых корпусах.

В соответствии с ГОСТ Р 8.812-2013 «Государственная система обеспечения единства измерений. Термогигрометры. Методика поверки» при проведении поверки относительная влажность в помещении должна находиться в пределах, установленных для нормальных условий. Отклонение влажности за указанные пределы требует либо прекращения поверки, либо введения соответствующих поправок.

4. Совместное влияние температуры и влажности

В реальных условиях эксплуатации температура и относительная влажность окружающей среды изменяются одновременно. Их совместное воздействие на термогигрометр носит неаддитивный характер. Простое суммирование дополнительных погрешностей от температуры и от влажности часто приводит к завышенной оценке суммарной погрешности, поскольку часть физических механизмов влияния перекрывается.

Наиболее ярко совместное влияние проявляется через точку росы. При одновременном повышении относительной влажности и понижении температуры воздуха возрастает вероятность достижения состояния насыщения. Даже если номинальная относительная влажность находится в допустимых пределах, локальное охлаждение корпуса прибора или чувствительного элемента может вызвать конденсацию. После образования конденсата показания канала влажности искажаются на длительный период, а канал температуры может давать заниженные значения из-за испарения влаги.

Математически совместное влияние описывается функцией двух переменных. В общем виде дополнительная погрешность может быть представлена разложением в ряд Тейлора:

\[ \Delta_{\text{доп}}(t,\varphi) = \left( \frac{\partial X}{\partial t} \right)_{\varphi} \Delta t + \left( \frac{\partial X}{\partial \varphi} \right)_{t} \Delta \varphi + \frac{1}{2} \left( \frac{\partial^{2} X}{\partial t^{2}} \right) (\Delta t)^{2} + \frac{\partial^{2} X}{\partial t \partial \varphi} \Delta t \Delta \varphi + \ldots \]

где \( X \) — измеряемая величина, \( \Delta t \) и \( \Delta \varphi \) — отклонения температуры и влажности от нормальных значений. Кросс-член \( \frac{\partial^{2} X}{\partial t \partial \varphi} \) характеризует именно совместное влияние и в большинстве практических случаев не равен нулю.

Для ёмкостных датчиков влажности коэффициент кросс-влияния обычно положителен: повышение температуры при постоянной абсолютной влажности приводит к снижению относительной влажности, но одновременно изменяет ёмкость полимерного слоя. В результате показания прибора могут отклоняться от истинных значений сильнее, чем при раздельном воздействии факторов.

Экспериментальные исследования показывают, что при изменении температуры в диапазоне ±20 °C и относительной влажности в диапазоне ±30 % от нормальных значений суммарная дополнительная погрешность канала влажности может достигать 2,5–4,0 % ОВ, тогда как арифметическая сумма отдельных составляющих составляет 3,5–5,5 % ОВ. Разница объясняется частичной компенсацией эффектов.

Условия эксплуатации	Отклонение температуры, °C	Отклонение влажности, % ОВ	Оценка дополнительной погрешности канала влажности, % ОВ	Характер взаимодействия
Отапливаемое помещение	±5	±15	0,4–0,8	Слабое
Неотапливаемый склад	±15	±25	1,5–2,5	Умеренное
Производственный цех	±20	±30	2,5–4,0	Значительное
Климатическая камера	±30	±40	4,0–6,5	Сильное, возможна конденсация

При проектировании систем мониторинга необходимо учитывать не только средние значения температуры и влажности, но и скорость их изменения. Резкие перепады (более 5 °C или 10 % ОВ в час) создают нестационарные тепловые и диффузионные процессы внутри датчика, которые значительно увеличивают динамическую составляющую дополнительной погрешности.

В соответствии с ГОСТ 8.009-84 при нормировании метрологических характеристик допускается указание пределов допускаемой дополнительной погрешности при одновременном изменении нескольких влияющих величин. Такой подход более точно отражает реальные условия работы термогигрометра.

5. Методы учёта и компенсации дополнительных погрешностей

Существует несколько основных подходов к снижению влияния температуры и влажности окружающей среды на показания термогигрометров. Выбор конкретного метода зависит от требуемой точности, условий эксплуатации и стоимости решения.

• Аппаратная термокомпенсация. В схему включения датчика вводятся термозависимые элементы (резисторы, термисторы), параметры которых подобраны так, чтобы компенсировать изменение характеристик чувствительного элемента. Метод прост и надёжен, однако эффективен только в ограниченном диапазоне температур.
• Программная компенсация. Микропроцессор прибора измеряет температуру чувствительного элемента и вносит поправку в результат измерения влажности по заранее записанной в память характеристике. Современные алгоритмы используют полиномы второй и третьей степени, что позволяет учитывать нелинейность.
• Индивидуальная калибровка. Каждый экземпляр прибора проходит многоточечную калибровку в климатической камере при различных сочетаниях температуры и влажности. Полученные данные заносятся в память и используются для коррекции.
• Внешний расчёт поправок. Пользователь самостоятельно определяет дополнительные погрешности по формулам, приведённым в руководстве по эксплуатации, и вносит их в результат измерения.

Наиболее эффективным является сочетание аппаратной и программной компенсации. В этом случае остаточная дополнительная погрешность может быть снижена до 0,3–0,7 % ОВ в диапазоне температур от –10 до +50 °C.

При отсутствии встроенной компенсации суммарную погрешность измерения рассчитывают по формуле: \[ \Delta_{\Sigma} = \sqrt{\Delta_{\text{осн}}^{2} + \Delta_{t}^{2} + \Delta_{\varphi}^{2} + 2 r_{t\varphi} \Delta_{t} \Delta_{\varphi}} \] где \( \Delta_{\text{осн}} \) — основная погрешность, \( \Delta_{t} \) и \( \Delta_{\varphi} \) — дополнительные погрешности от температуры и влажности, \( r_{t\varphi} \) — коэффициент корреляции между влияющими факторами (обычно принимается равным 0,3–0,6).

Для повышения достоверности результатов рекомендуется проводить периодическую проверку термогигрометра в условиях, максимально близких к условиям эксплуатации. Это позволяет выявить дрейф характеристик компенсации и своевременно выполнить юстировку.

Метод компенсации	Остаточная дополнительная погрешность	Диапазон эффективности	Сложность реализации
Только аппаратная	1,0–2,0 % ОВ	±15 °C от нормальной	Низкая
Только программная	0,5–1,2 % ОВ	±25 °C от нормальной	Средняя
Комбинированная	0,3–0,7 % ОВ	±30 °C от нормальной	Высокая
Индивидуальная многоточечная	0,2–0,5 % ОВ	Весь рабочий диапазон	Очень высокая

Важным практическим приёмом является размещение термогигрометра в зоне со стабильными условиями. Даже прибор с посредственной компенсацией будет давать приемлемые результаты, если температура и влажность вокруг него изменяются незначительно. Напротив, высокоточный прибор, установленный вблизи источников тепла, вентиляционных решёток или открытых проёмов, может показывать существенные дополнительные погрешности.

6. Требования нормативной документации

Нормативная база, регламентирующая учёт дополнительных погрешностей термогигрометров, включает ряд ключевых документов.

ГОСТ 8.009-84 устанавливает общие правила нормирования метрологических характеристик средств измерений, в том числе пределы допускаемых дополнительных погрешностей и коэффициенты влияния. Документ требует, чтобы производитель указывал в технической документации либо пределы дополнительной погрешности при заданном изменении влияющей величины, либо коэффициент влияния.

ГОСТ 8.395-80 определяет нормальные условия измерений при поверке. Для термогигрометров нормальная температура принимается равной 20 °C с допускаемым отклонением ±5 °C, относительная влажность — от 30 до 80 %. При проведении поверки вне этих пределов необходимо учитывать дополнительные погрешности.

ГОСТ Р 8.812-2013 содержит методику поверки термогигрометров. В нём указаны требования к условиям окружающей среды при поверке и порядок введения поправок при отклонении этих условий от нормальных.

РМГ 29-2013 даёт определения основной и дополнительной погрешности, а также разъясняет понятие влияющей величины. Согласно этому документу влияющей величиной считается величина, не являющаяся измеряемой, но оказывающая воздействие на результат измерения.

При разработке и аттестации методик измерений, выполняемых с помощью термогигрометров, необходимо руководствоваться ГОСТ Р 8.563-2009. В методике должны быть указаны способы учёта дополнительных погрешностей либо приведены обоснования, почему ими можно пренебречь.

• В паспорте и руководстве по эксплуатации прибора должны быть приведены пределы допускаемой дополнительной погрешности или коэффициенты влияния.
• При поверке в условиях, отличающихся от нормальных, в протокол вносятся сведения о фактических значениях температуры и влажности.
• При оценке неопределённости измерений дополнительные погрешности включаются в бюджет неопределённости как составляющие типа B.

Соблюдение указанных требований обеспечивает сопоставимость результатов измерений, выполненных различными средствами измерений в различных условиях, и является обязательным при проведении работ в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений.

7. Практические рекомендации по выбору и эксплуатации

При выборе термогигрометра для конкретных условий эксплуатации следует прежде всего оценить диапазон возможных изменений температуры и относительной влажности окружающей среды. Если отклонения от нормальных условий невелики (не более ±10 °C и ±20 % ОВ), достаточно прибора со стандартной компенсацией. При значительных отклонениях необходимо выбирать модели с расширенным диапазоном рабочих условий и заявленной низкой дополнительной погрешностью.

Рекомендуется обращать внимание на следующие характеристики:

• наличие и тип термокомпенсации (аппаратная, программная, комбинированная);
• значение коэффициента влияния температуры на канал влажности;
• степень защиты корпуса от влаги и пыли;
• наличие защиты чувствительного элемента от конденсации;
• наличие в документации сведений о дополнительной погрешности при одновременном изменении температуры и влажности.

При установке прибора следует избегать мест с резкими перепадами температуры и влажности: вблизи окон, дверей, отопительных приборов, вентиляционных отверстий, источников пара. Датчик должен обдуваться свободно циркулирующим воздухом. При необходимости применяют защитные кожухи, которые уменьшают влияние прямого солнечного излучения и брызг, но не препятствуют воздухообмену.

В процессе эксплуатации рекомендуется периодически контролировать соответствие фактических условий работы заявленным. При длительной работе в условиях высокой влажности полезно проводить профилактическую сушку прибора в нормальных условиях. Межповерочный интервал следует соблюдать строго, а при работе в тяжёлых условиях — сокращать.

Для получения достоверных результатов измерений целесообразно вести журнал условий эксплуатации, в котором фиксируются температура и влажность окружающей среды в момент снятия показаний. Это позволяет при необходимости вносить поправки и анализировать причины расхождений.

При выборе оборудования для оснащения лабораторий, складов, производственных помещений и климатических камер важно учитывать не только основную погрешность, но и поведение прибора при отклонении условий окружающей среды от нормальных. Современные термогигрометры с качественной компенсацией позволяют существенно снизить влияние температуры и влажности и обеспечить требуемую точность измерений в широком диапазоне условий.

Если вам необходимо купить термогигрометр с минимальными дополнительными погрешностями, обратите внимание на модели, в технической документации которых подробно указаны коэффициенты влияния и пределы дополнительных погрешностей. Цена таких приборов отражает уровень проработки системы компенсации и качество используемых датчиков. Правильный выбор позволит избежать систематических ошибок и обеспечить стабильность результатов измерений в реальных условиях эксплуатации.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич