湿热试验箱内部环境条件的不确定度要素分析

卢兆明 胡伟欣 忻龙

现行有效的GB 2423-IEC60068-2电工电子产品环境试验系列标准与湿热试验相关的方法标准都提出了试验不确定度评定、描述试验条件的要求。根据IEC发布的若干与试验箱内部环境条件不确定度评定有关导则、背景材料和技术支撑性文件，全国环境条件与环境试验标准化技术委员会（环标委）启动了相应的国家标准起草工作。

湿度试验是基于温度条件的一项环境试验，所以也被称为湿热试验。常用于产品或试件电气性能及锈蚀性等检查。为了讨论湿热试验箱内部环境条件的不确定度，我们先把讨论的模型假设在可以准确再现或重复的稳定状态下。也就是，试验箱处于设置温度和湿度的稳定状态，即该稳定状态首先是温度在试验箱控制系统的热调节下已趋于稳定；在此基础上湿热试验箱内部的水汽含量在控制系统的调节下也趋于稳定，增/减湿调节处于动态平衡状态。

定期的校准或检定湿热试验箱也是在此稳定状态下进行的。该设备校准或检定的合格证书应包含校准的不确定度和校准或检定用参考（基准）仪器的不确定度信息，这些信息都是评定湿热试验箱内部环境条件的要素。

对湿热试验箱进行评定时，试验箱内部可分为：不带受试样品负载的空箱状态、加载典型样品/负载状态和受试样品在试验中实时加载3种状态。对于3种不同的加载状态，不确定度评定要求和评定结果的意义是不同的。

在《温度试验箱内部环境条件的不确定度要素分析》（简称《温度》）中已经叙述了这些要素的性质和差别。此外，针对校准不确定度、仪器不确定度、测量次数产生的不确定度和辐射引起的不确定度等要素也进行了分析，这些要素的意义与湿度条件的讨论也是基本相同的。这里讨论中涉及到的设定值、内部空间和传感器的布置等要素与温度不确定度评定基本相同；温度测量数据（该文的表2）也被引用为相对湿度测量的温度参照系。

有许多湿度测量方法，也有若干种对湿度的不同定义。对大多数环境试验是以相对湿度规定湿度要求，故湿热试验箱校准或检定采用相对湿度，对应的湿热试验箱内部环境条件的不确定度评定同样采用相对湿度。

一、相对湿度的定义及相关仪器

相对湿度定义是在任何给定温度和压力条件下，局部的蒸汽压力与饱和蒸汽压力之比，用百分比表示（%RH）。其中局部的蒸汽压力指空气在稳定压力和大气的温度下水蒸汽的保有量；饱和蒸汽压是指在稳定的温度条件下，空气中已不能保有更多水蒸汽量，而达到饱和时给出的一个空气量值。当水蒸汽的局部压力等于饱和蒸汽压力时，相对湿度值达到100%RH，此条件下的温度称为露点温度。

测量相对湿度一般采用露点湿度计（冷镜法），也可用专用相对湿度探测仪进行湿度的不确定度评定，这里并不指定采用湿度测试仪器的类型。本文示例中采用的是露点湿度计，结合《温度试验箱内部环境条件的不确定度要素分析》温度测量数据（该文的表2）算出本文表3的相对湿度数据。

用于试验箱内部条件相对湿度参数校准或检定通常使用的是干湿球湿度计（wet/dry），也称为二球法。二球法在同一测点位置，采用2个温度传感器布置：一个传感器裸露在空气中作为干球，另一个按要求缠有汲水织物保持湿润作为湿球。从干湿两个传感器（或温度计）采集的温度值，通过计算或查表（GB/T 6999《环境试验用相对湿度查算表》）得出相对湿度值。GB/T 2424.6-IEC60068-3-6《电工电子产品环境试验温度/湿度试验箱性能确认》和GB/T 5170电工电子产品环境试验系列标准给出了相对湿度测量的方法，但未涉及相对湿度的不确定度评定内容。

二、湿度和温度的测量

露点与蒸气压直接相关，并受到温度的影响，在不同温度条件下的露点温度是不同的。

在同一试验箱内的蒸汽压力通常是一致的。一般假设通过试验箱空气中的水蒸汽保有量是恒定的。

当空气彻底地被扰动或受试样品通电加载时，试验箱内各位置间的温度存在差异，尽管蒸汽压力几乎是一致的，温度的不同还是会引起相对湿度的差异。

在日常试验中，湿度可能仅在一个地方测量。然而，无论在试验期间或试验箱运行的条件下，湿度至少应该有2个测量点，才能赋值，对均衡空气的蒸汽容量进行不确定度评估。

还有一些重要的因素会在相对湿度的测量和建立过程中产生作用，如测量器材、试验箱体和空间构成，以及受试样品和样品的支撑物等；诸如塑料和木材膨胀的物理特性、生物学的活跃性、电阻抗和腐蚀速率等有机材料的参数特性会发生变化，同时相对湿度也会受到这些变化的影响。

三、不确定度的要素

在不确定度评估前，应同测量温度不确定度一样布置传感器点测量相对湿度，这些点在测量时需测量温度值，以用于计算相关湿度。

1.在每个传感器测量温度的不确定

表1揭示了用试验箱内温度测量点不确定度的评估，这些测量点还包括了用于评估湿度不确定度评定的那些点。不确定度涉及的元素和分析与《温度》一文中给出的示例非常相似，除非梯度对不确定度的影响相对总不确定度可以被省略。而标准不确定度是由许多分散的元素组成。

在本示例中，表3中的相关湿度从露点算出（表3左列）采用了单体湿度传感器，相应的温度传感器读数见《温度》文中表2。

在考虑不确定度分析对相对湿度应有预估。通常在确定不确定度来源和类似《温度》文中给出的不确定度曲线作出假设，许多温度或露点被包括进

表1 对每个测量点温度进行不确定度的合成

根据表1得出：

平方和 0.009 853；

合成标准不确定度 ±0.099 K；

扩展不确定度在95%置信度 ±0.20 K。

表2 湿度合成不确定度

根据表2得出：

平方和 6.016 205；

合成标准不确定度 ±2.453%RH；

扩展不确定度在95%置信度 ±4.9%RH。不确定度预估，但不会有重要的差别。所有不确定度值和标准不确定度在合成前都应转换为相对湿度单位。

在示例中，一般条件为40℃和85%RH。在条件中温度有±0.1K的变化，相对湿度有±0.45%RH的变化。露点温度的变化±0.1K和温度的影响差不多。所以，项目中的露点或温度的不确定度对项目中相对湿度的不确定度会有变化，约为4.5%/K。这个因素有时被称为敏感度，可以在每个条件中计算出来。

为了计算敏感度，并用0.1K的步长反复计算露点和温度，进而计算相对湿度。其结果得出敏感度。

2.参考（基准）仪器的要素

①校准

示例采用的数据来自露点温度计和由8个温度传感器的温度测量仪。参考（基准）仪器的校准证书给出了不确定度，可能是用“误差”和“修正值”来表示的。相关不确定度对于测量总不确定度的贡献难以做到十分明确。

作为参考（基准）校准仪器的湿度计校准证书记载的不确定度，±0.2K露点温度，用敏感因子（4.5）乘，得到相对湿度0.900%RH。由于是校准链诸元素的总和，故校准不确定度可以假定正态分布。不确定度提出95%置信水平，因此标准不确定度因子需要达到2。

②偏移

大部分仪器都会随时间缓慢地发生变化。使用的条件可以影响变化的速度，这些变化会有重要的意义。一般指仪器生产商提供在理想条件下的偏移，所以通常在使用中的读值会大一些。

评估相对湿度计的偏移可以用当前或早期的校准证书进行比较。两次校准露点温度变化为0.1K，乘以4.5得到相对湿度，假定矩形分布，极限除以3的平方根（表1中取值1.73，下同）给出一个标准不确定度。

③分辨率

测量试验箱环境条件时应对使用的参考（基准）仪器作判定。此判定应包括试验箱控制器的不确定度分析，但如果该仪器是在试验状态下使用则应省略。

湿度计的露点温度分辨率为±0.1 K。乘以4.5，假定矩形分布，极限除以3的平方根给出一个标准不确定度。

④温度影响

温度系数在一些仪器上显得非常重要。仪器工作在靠近气候试验箱时，通常会受到温度环境的影响。

表3的每个相对湿度值是由第2列露点温度和《温度》文中温度测量数据（该文的表2）相应测量值计算的，所以该相对湿度值已包括了温度的影响。

温度的影响来自湿度计元件温度系数的影响。来自出厂说明书（0.005K露点温度/K）和在（20±10）℃中使用的变化，可以算出的影响不会超过±0.05K露点温度，乘以4.5得到相对湿度。假定矩形分布，极限除以3的平方根给出一个标准不确定度。

通常，每当温度保持稳定，温度的影响可以被修正。一些不确定度参数当然应采用修正后的参数。

⑤滞后

滞后指在上升或下降段的条件和仪器输出间的差异。某些类型的相对湿度探测计和一些类型温度传感器的滞后会比较大。

滞后对冷凝湿度计通常可以忽略，但相对湿度计会有若干个百分点。在经第一次校准中上升和下降测量则取中间值确定。在此校准情况下未显示明显的滞后，但应预设防范±0.01K露点温度的变化，乘以4.5得到相对湿度。假定矩形分布，除以3的平方根给出一个标准不确定度。

⑥非线性

非线性是由传感器或仪器输出通过线性衰减算法得出的。假定非线性值的背离可能在方向上是相同的。

查阅湿度计和温度传感器的校准证书进行线性评估。露点温度±0.05K的非线性被4.5相乘，得到相对湿度。假定矩形分布，极限除以3的平方根给出一个标准不确定度。

⑦测量的重复性

重复性是指对同一条件再测量的一致程度。

如有可能，重复性应在实验前进行。若一组重复测量的计算值，这里是±0.05K露点温度，重复性为正态分布，乘以4.5导出相对湿度。取因子1，得到标准不确定度。作为选择，值可以取自仪器的出厂说明书，或按矩形分布处理。

3.湿热试验箱的要数

①波动

波动是指在条件对象测量中，一段时间间隔之间的变化。

在环境试验中对大多数测量状况，波动是对总不确定度影响最大的因素。

温度传感器和湿度传感器的响应速度是不一样的，有必要显示试验箱内的真实情况。为了确定波动的时间长度，可以在测量中采用快速响应的仪器。如在温度测量中，建议将采样频率提高到试验箱波动循环的4倍，或采用随机取样。

波动的影响在普通意义上的计算可以用大量读数和一般意义上的不确定度计算予以简化。用大量读数的平方根是一种功能性方法，对一个测点，一般可以认为20个读数是足够了。

相对湿度的波动同样取自表3的数据。对每个温度传感器，相对湿度的平均值和标准背离超过了试验期间的计算值。最保险地假设最大背离值±0.755%RH。这是标准背离，假定正态分布，因子为1，给出一个标准不确定度。

②梯度

梯度是点与点测量值的变化。在大多数环境试验中，温度梯度是不确定度最大的因素。为了评估温度梯度的大小，应在被试物周围或在空载试验箱的工作空间周围进行测量。

湿度梯度同样取自于表3的结果。如同温度箱测量，通过每次对8个（组）温度传感器的测量算出相关湿度的平均和标准背离。最保险地假设最大背离值±2.130%RH。这是标准背离，假定正态分布，因子为1，给出一个标准不确定度。

蒸汽压力梯度可以对试验箱内不同测点进行取样和测量样本的露点。测量蒸汽压力的梯度也要设置若干相对湿度传感器，但假如这样做的结果相当不确定（通常较大），原因是温度的变化和湿度探测器校准不确定度使然。试验显示相对湿度梯度小于±0.2K露点温度，乘以4.5得到相对湿度。假定矩形分布，极限除以3的平方根得到标准不确定度。

③校准空箱或带典型负载试验箱的附加不确定度

和温度箱测量一样，附加不确定度包括：

a)试验箱控制仪的偏移；

b)试验箱控制仪的重复性；

c)试验箱控制仪的结论。

首先应考虑的是受试样品在试验箱条件下的影响，除非受试样品的尺寸相对试验箱工作空间是无关紧要的，那就应该用另一种方法来建立不确定度。对散热型负载应考虑给其它方法。

四、综合考虑

每个点的温度不确定度同样需计入相对湿度不确定度。和先前一样，优先考虑（取自表3）的温度不确定度值。扩展不确定度，±0.20K，乘以4.5得到相对湿度，假定正态分布。表2给出了合成标准不确定度。

最后，测量的总中间值84.9%RH是基于所有测量的统计学分析和并非真正意义上的协调。对于0.124的数值，是总标准背离±1.924%RH，被总测量数（8个X 30次测量=240次）的平方根除，给出的标准不确定度。

表3 基于温度测量的湿度测量分析

试验中使用了校准参考（基准）仪器，对试验测量得出的平均湿度不确定度分析应当作下列表述：84.9±4.9%RH，95%置信水平。

如果测量作为对试验箱的校准，带或不带负载，补充不确定度应按三/3./①提及的方法予以包括。空箱、典型负载或试验实时测量，对样品的考虑与温度箱相同。

五、实验数据

表3的每个相对湿度值是由第2列的露点温度和《温度》文中表2相应的测量值计算的。

对每个传感器：

总中间值：84.88

总标准差：1.924

六、不规则数据和结果的表达

有两种方法计算测量试验箱内部环境条件的不确定度：首先是基于计算试验箱内的平均条件；其次是基于计算最坏条件。还应考虑到试验设备的类型和客户选择接近的要求。

1.平均分析

对于平均分析的表述为：被测环境条件在试验中条件值±不确定度，有95%置信水平。在此条件下就是平均测量条件，但还应考虑是否符合试验条件。

2.最差分析

应始终对数据进行不规则检查。若发现一个传感器出现异常输出或短期平均输出超出大于3倍平均标准背离，可以将其表述为最差情况传感器。

“最差情况”分析仅用位于产生最大背离那点上传感器的数据。将该传感器最大背离加上其与标准背离波动的2倍，加在完全不确定度的扩展不确定度上。

在此情况下，应作如下表述：在试验期间没有测点超出设置值±不确定度，95%置信水平。无论用哪一个方式，对数据的要求是相同的，此过程对不确定度的预计是非常有用的重要不确定度源指示器。对于湿度，在试验箱内两点间的温度梯度可以使相对湿度形成非常大的变化。在20℃下接近饱和状态时，1℃温度的差异会引起6%RH的变化。只此一项的不确定度，勿予言及其它。

[1]广州电器科学研究院.GB/T2424.6-2006电工电子产品环境试验温度/湿度试验箱性能确认（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]卢兆明，忻龙，胡伟欣.温度试验箱内部环境条件的不确定度要素分析[J].上海标准化，2010（6）.