濕熱試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度要素分析

盧兆明 胡偉欣 忻龍

現(xiàn)行有效的GB 2423-IEC60068-2電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗系列標準與濕熱試驗相關(guān)的方法標準都提出了試驗不確定度評定、描述試驗條件的要求。根據(jù)IEC發(fā)布的若干與試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件不確定度評定有關(guān)導(dǎo)則、背景材料和技術(shù)支撐性文件，全國環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術(shù)委員會（環(huán)標委）啟動了相應(yīng)的國家標準起草工作。

濕度試驗是基于溫度條件的一項環(huán)境試驗，所以也被稱為濕熱試驗。常用于產(chǎn)品或試件電氣性能及銹蝕性等檢查。為了討論濕熱試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度，我們先把討論的模型假設(shè)在可以準確再現(xiàn)或重復(fù)的穩(wěn)定狀態(tài)下。也就是，試驗箱處于設(shè)置溫度和濕度的穩(wěn)定狀態(tài)，即該穩(wěn)定狀態(tài)首先是溫度在試驗箱控制系統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)下已趨于穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上濕熱試驗箱內(nèi)部的水汽含量在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下也趨于穩(wěn)定，增/減濕調(diào)節(jié)處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

定期的校準或檢定濕熱試驗箱也是在此穩(wěn)定狀態(tài)下進行的。該設(shè)備校準或檢定的合格證書應(yīng)包含校準的不確定度和校準或檢定用參考（基準）儀器的不確定度信息，這些信息都是評定濕熱試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的要素。

對濕熱試驗箱進行評定時，試驗箱內(nèi)部可分為：不帶受試樣品負載的空箱狀態(tài)、加載典型樣品/負載狀態(tài)和受試樣品在試驗中實時加載3種狀態(tài)。對于3種不同的加載狀態(tài)，不確定度評定要求和評定結(jié)果的意義是不同的。

在《溫度試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度要素分析》（簡稱《溫度》）中已經(jīng)敘述了這些要素的性質(zhì)和差別。此外，針對校準不確定度、儀器不確定度、測量次數(shù)產(chǎn)生的不確定度和輻射引起的不確定度等要素也進行了分析，這些要素的意義與濕度條件的討論也是基本相同的。這里討論中涉及到的設(shè)定值、內(nèi)部空間和傳感器的布置等要素與溫度不確定度評定基本相同；溫度測量數(shù)據(jù)（該文的表2）也被引用為相對濕度測量的溫度參照系。

有許多濕度測量方法，也有若干種對濕度的不同定義。對大多數(shù)環(huán)境試驗是以相對濕度規(guī)定濕度要求，故濕熱試驗箱校準或檢定采用相對濕度，對應(yīng)的濕熱試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度評定同樣采用相對濕度。

一、相對濕度的定義及相關(guān)儀器

相對濕度定義是在任何給定溫度和壓力條件下，局部的蒸汽壓力與飽和蒸汽壓力之比，用百分比表示（%RH）。其中局部的蒸汽壓力指空氣在穩(wěn)定壓力和大氣的溫度下水蒸汽的保有量；飽和蒸汽壓是指在穩(wěn)定的溫度條件下，空氣中已不能保有更多水蒸汽量，而達到飽和時給出的一個空氣量值。當水蒸汽的局部壓力等于飽和蒸汽壓力時，相對濕度值達到100%RH，此條件下的溫度稱為露點溫度。

測量相對濕度一般采用露點濕度計（冷鏡法），也可用專用相對濕度探測儀進行濕度的不確定度評定，這里并不指定采用濕度測試儀器的類型。本文示例中采用的是露點濕度計，結(jié)合《溫度試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度要素分析》溫度測量數(shù)據(jù)（該文的表2）算出本文表3的相對濕度數(shù)據(jù)。

用于試驗箱內(nèi)部條件相對濕度參數(shù)校準或檢定通常使用的是干濕球濕度計（wet/dry），也稱為二球法。二球法在同一測點位置，采用2個溫度傳感器布置：一個傳感器裸露在空氣中作為干球，另一個按要求纏有汲水織物保持濕潤作為濕球。從干濕兩個傳感器（或溫度計）采集的溫度值，通過計算或查表（GB/T 6999《環(huán)境試驗用相對濕度查算表》）得出相對濕度值。GB/T 2424.6-IEC60068-3-6《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗溫度/濕度試驗箱性能確認》和GB/T 5170電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗系列標準給出了相對濕度測量的方法，但未涉及相對濕度的不確定度評定內(nèi)容。

二、濕度和溫度的測量

露點與蒸氣壓直接相關(guān)，并受到溫度的影響，在不同溫度條件下的露點溫度是不同的。

在同一試驗箱內(nèi)的蒸汽壓力通常是一致的。一般假設(shè)通過試驗箱空氣中的水蒸汽保有量是恒定的。

當空氣徹底地被擾動或受試樣品通電加載時，試驗箱內(nèi)各位置間的溫度存在差異，盡管蒸汽壓力幾乎是一致的，溫度的不同還是會引起相對濕度的差異。

在日常試驗中，濕度可能僅在一個地方測量。然而，無論在試驗期間或試驗箱運行的條件下，濕度至少應(yīng)該有2個測量點，才能賦值，對均衡空氣的蒸汽容量進行不確定度評估。

還有一些重要的因素會在相對濕度的測量和建立過程中產(chǎn)生作用，如測量器材、試驗箱體和空間構(gòu)成，以及受試樣品和樣品的支撐物等；諸如塑料和木材膨脹的物理特性、生物學(xué)的活躍性、電阻抗和腐蝕速率等有機材料的參數(shù)特性會發(fā)生變化，同時相對濕度也會受到這些變化的影響。

三、不確定度的要素

在不確定度評估前，應(yīng)同測量溫度不確定度一樣布置傳感器點測量相對濕度，這些點在測量時需測量溫度值，以用于計算相關(guān)濕度。

1.在每個傳感器測量溫度的不確定

表1揭示了用試驗箱內(nèi)溫度測量點不確定度的評估，這些測量點還包括了用于評估濕度不確定度評定的那些點。不確定度涉及的元素和分析與《溫度》一文中給出的示例非常相似，除非梯度對不確定度的影響相對總不確定度可以被省略。而標準不確定度是由許多分散的元素組成。

在本示例中，表3中的相關(guān)濕度從露點算出（表3左列）采用了單體濕度傳感器，相應(yīng)的溫度傳感器讀數(shù)見《溫度》文中表2。

在考慮不確定度分析對相對濕度應(yīng)有預(yù)估。通常在確定不確定度來源和類似《溫度》文中給出的不確定度曲線作出假設(shè)，許多溫度或露點被包括進

表1 對每個測量點溫度進行不確定度的合成

根據(jù)表1得出：

平方和 0.009 853；

合成標準不確定度 ±0.099 K；

擴展不確定度在95%置信度 ±0.20 K。

表2 濕度合成不確定度

根據(jù)表2得出：

平方和 6.016 205；

合成標準不確定度 ±2.453%RH；

擴展不確定度在95%置信度 ±4.9%RH。不確定度預(yù)估，但不會有重要的差別。所有不確定度值和標準不確定度在合成前都應(yīng)轉(zhuǎn)換為相對濕度單位。

在示例中，一般條件為40℃和85%RH。在條件中溫度有±0.1K的變化，相對濕度有±0.45%RH的變化。露點溫度的變化±0.1K和溫度的影響差不多。所以，項目中的露點或溫度的不確定度對項目中相對濕度的不確定度會有變化，約為4.5%/K。這個因素有時被稱為敏感度，可以在每個條件中計算出來。

為了計算敏感度，并用0.1K的步長反復(fù)計算露點和溫度，進而計算相對濕度。其結(jié)果得出敏感度。

2.參考（基準）儀器的要素

①校準

示例采用的數(shù)據(jù)來自露點溫度計和由8個溫度傳感器的溫度測量儀。參考（基準）儀器的校準證書給出了不確定度，可能是用“誤差”和“修正值”來表示的。相關(guān)不確定度對于測量總不確定度的貢獻難以做到十分明確。

作為參考（基準）校準儀器的濕度計校準證書記載的不確定度，±0.2K露點溫度，用敏感因子（4.5）乘，得到相對濕度0.900%RH。由于是校準鏈諸元素的總和，故校準不確定度可以假定正態(tài)分布。不確定度提出95%置信水平，因此標準不確定度因子需要達到2。

②偏移

大部分儀器都會隨時間緩慢地發(fā)生變化。使用的條件可以影響變化的速度，這些變化會有重要的意義。一般指儀器生產(chǎn)商提供在理想條件下的偏移，所以通常在使用中的讀值會大一些。

評估相對濕度計的偏移可以用當前或早期的校準證書進行比較。兩次校準露點溫度變化為0.1K，乘以4.5得到相對濕度，假定矩形分布，極限除以3的平方根（表1中取值1.73，下同）給出一個標準不確定度。

③分辨率

測量試驗箱環(huán)境條件時應(yīng)對使用的參考（基準）儀器作判定。此判定應(yīng)包括試驗箱控制器的不確定度分析，但如果該儀器是在試驗狀態(tài)下使用則應(yīng)省略。

濕度計的露點溫度分辨率為±0.1 K。乘以4.5，假定矩形分布，極限除以3的平方根給出一個標準不確定度。

④溫度影響

溫度系數(shù)在一些儀器上顯得非常重要。儀器工作在靠近氣候試驗箱時，通常會受到溫度環(huán)境的影響。

表3的每個相對濕度值是由第2列露點溫度和《溫度》文中溫度測量數(shù)據(jù)（該文的表2）相應(yīng)測量值計算的，所以該相對濕度值已包括了溫度的影響。

溫度的影響來自濕度計元件溫度系數(shù)的影響。來自出廠說明書（0.005K露點溫度/K）和在（20±10）℃中使用的變化，可以算出的影響不會超過±0.05K露點溫度，乘以4.5得到相對濕度。假定矩形分布，極限除以3的平方根給出一個標準不確定度。

通常，每當溫度保持穩(wěn)定，溫度的影響可以被修正。一些不確定度參數(shù)當然應(yīng)采用修正后的參數(shù)。

⑤滯后

滯后指在上升或下降段的條件和儀器輸出間的差異。某些類型的相對濕度探測計和一些類型溫度傳感器的滯后會比較大。

滯后對冷凝濕度計通?？梢院雎?，但相對濕度計會有若干個百分點。在經(jīng)第一次校準中上升和下降測量則取中間值確定。在此校準情況下未顯示明顯的滯后，但應(yīng)預(yù)設(shè)防范±0.01K露點溫度的變化，乘以4.5得到相對濕度。假定矩形分布，除以3的平方根給出一個標準不確定度。

⑥非線性

非線性是由傳感器或儀器輸出通過線性衰減算法得出的。假定非線性值的背離可能在方向上是相同的。

查閱濕度計和溫度傳感器的校準證書進行線性評估。露點溫度±0.05K的非線性被4.5相乘，得到相對濕度。假定矩形分布，極限除以3的平方根給出一個標準不確定度。

⑦測量的重復(fù)性

重復(fù)性是指對同一條件再測量的一致程度。

如有可能，重復(fù)性應(yīng)在實驗前進行。若一組重復(fù)測量的計算值，這里是±0.05K露點溫度，重復(fù)性為正態(tài)分布，乘以4.5導(dǎo)出相對濕度。取因子1，得到標準不確定度。作為選擇，值可以取自儀器的出廠說明書，或按矩形分布處理。

3.濕熱試驗箱的要數(shù)

①波動

波動是指在條件對象測量中，一段時間間隔之間的變化。

在環(huán)境試驗中對大多數(shù)測量狀況，波動是對總不確定度影響最大的因素。

溫度傳感器和濕度傳感器的響應(yīng)速度是不一樣的，有必要顯示試驗箱內(nèi)的真實情況。為了確定波動的時間長度，可以在測量中采用快速響應(yīng)的儀器。如在溫度測量中，建議將采樣頻率提高到試驗箱波動循環(huán)的4倍，或采用隨機取樣。

波動的影響在普通意義上的計算可以用大量讀數(shù)和一般意義上的不確定度計算予以簡化。用大量讀數(shù)的平方根是一種功能性方法，對一個測點，一般可以認為20個讀數(shù)是足夠了。

相對濕度的波動同樣取自表3的數(shù)據(jù)。對每個溫度傳感器，相對濕度的平均值和標準背離超過了試驗期間的計算值。最保險地假設(shè)最大背離值±0.755%RH。這是標準背離，假定正態(tài)分布，因子為1，給出一個標準不確定度。

②梯度

梯度是點與點測量值的變化。在大多數(shù)環(huán)境試驗中，溫度梯度是不確定度最大的因素。為了評估溫度梯度的大小，應(yīng)在被試物周圍或在空載試驗箱的工作空間周圍進行測量。

濕度梯度同樣取自于表3的結(jié)果。如同溫度箱測量，通過每次對8個（組）溫度傳感器的測量算出相關(guān)濕度的平均和標準背離。最保險地假設(shè)最大背離值±2.130%RH。這是標準背離，假定正態(tài)分布，因子為1，給出一個標準不確定度。

蒸汽壓力梯度可以對試驗箱內(nèi)不同測點進行取樣和測量樣本的露點。測量蒸汽壓力的梯度也要設(shè)置若干相對濕度傳感器，但假如這樣做的結(jié)果相當不確定（通常較大），原因是溫度的變化和濕度探測器校準不確定度使然。試驗顯示相對濕度梯度小于±0.2K露點溫度，乘以4.5得到相對濕度。假定矩形分布，極限除以3的平方根得到標準不確定度。

③校準空箱或帶典型負載試驗箱的附加不確定度

和溫度箱測量一樣，附加不確定度包括：

a)試驗箱控制儀的偏移；

b)試驗箱控制儀的重復(fù)性；

c)試驗箱控制儀的結(jié)論。

首先應(yīng)考慮的是受試樣品在試驗箱條件下的影響，除非受試樣品的尺寸相對試驗箱工作空間是無關(guān)緊要的，那就應(yīng)該用另一種方法來建立不確定度。對散熱型負載應(yīng)考慮給其它方法。

四、綜合考慮

每個點的溫度不確定度同樣需計入相對濕度不確定度。和先前一樣，優(yōu)先考慮（取自表3）的溫度不確定度值。擴展不確定度，±0.20K，乘以4.5得到相對濕度，假定正態(tài)分布。表2給出了合成標準不確定度。

最后，測量的總中間值84.9%RH是基于所有測量的統(tǒng)計學(xué)分析和并非真正意義上的協(xié)調(diào)。對于0.124的數(shù)值，是總標準背離±1.924%RH，被總測量數(shù)（8個X 30次測量=240次）的平方根除，給出的標準不確定度。

表3 基于溫度測量的濕度測量分析

試驗中使用了校準參考（基準）儀器，對試驗測量得出的平均濕度不確定度分析應(yīng)當作下列表述：84.9±4.9%RH，95%置信水平。

如果測量作為對試驗箱的校準，帶或不帶負載，補充不確定度應(yīng)按三/3./①提及的方法予以包括?？障洹⒌湫拓撦d或試驗實時測量，對樣品的考慮與溫度箱相同。

五、實驗數(shù)據(jù)

表3的每個相對濕度值是由第2列的露點溫度和《溫度》文中表2相應(yīng)的測量值計算的。

對每個傳感器：

總中間值：84.88

總標準差：1.924

六、不規(guī)則數(shù)據(jù)和結(jié)果的表達

有兩種方法計算測量試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度：首先是基于計算試驗箱內(nèi)的平均條件；其次是基于計算最壞條件。還應(yīng)考慮到試驗設(shè)備的類型和客戶選擇接近的要求。

1.平均分析

對于平均分析的表述為：被測環(huán)境條件在試驗中條件值±不確定度，有95%置信水平。在此條件下就是平均測量條件，但還應(yīng)考慮是否符合試驗條件。

2.最差分析

應(yīng)始終對數(shù)據(jù)進行不規(guī)則檢查。若發(fā)現(xiàn)一個傳感器出現(xiàn)異常輸出或短期平均輸出超出大于3倍平均標準背離，可以將其表述為最差情況傳感器。

“最差情況”分析僅用位于產(chǎn)生最大背離那點上傳感器的數(shù)據(jù)。將該傳感器最大背離加上其與標準背離波動的2倍，加在完全不確定度的擴展不確定度上。

在此情況下，應(yīng)作如下表述：在試驗期間沒有測點超出設(shè)置值±不確定度，95%置信水平。無論用哪一個方式，對數(shù)據(jù)的要求是相同的，此過程對不確定度的預(yù)計是非常有用的重要不確定度源指示器。對于濕度，在試驗箱內(nèi)兩點間的溫度梯度可以使相對濕度形成非常大的變化。在20℃下接近飽和狀態(tài)時，1℃溫度的差異會引起6%RH的變化。只此一項的不確定度，勿予言及其它。

[1]廣州電器科學(xué)研究院.GB/T2424.6-2006電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗溫度/濕度試驗箱性能確認（IEC 60068-3-6:Environmental testing–Part 3-6:Supporting documentation and guidance-Confirmation of the performance of temperature/humidity chamber，IDT)

[2]IEC technical committee 140.IEC 60068-3-11 Environmental testing–Part 3-11:Supporting documentation and guidance–Calculation of uncertainty of conditions in climatic test chambers(First edition,2007).

[3]ISO/TC 69.ISO 3534-2:2006 Statistics–Vocabulary and symbols–Part 2:Applied statistics International Vocabulary of basic and general standard terms in metrology.

[4]ISO technical committee.Guide to the expression of uncertainty in measurement.,Geneva,Switzerland 1993.

[5]盧兆明，忻龍，胡偉欣.溫度試驗箱內(nèi)部環(huán)境條件的不確定度要素分析[J].上海標準化，2010（6）.