气候试验箱内部条件不确定度计算（上）

文 | 上海市质量监督检验技术研究院 卢兆明上海工业自动化仪表研究院 胡红晖

气候试验箱内部条件不确定度计算（上）

文 | 上海市质量监督检验技术研究院 卢兆明上海工业自动化仪表研究院 胡红晖

不确定度；计算；湿度；温度；试验箱；气候；条件

1.言

现行有效的GB2423_IEC60068-2系列标准与温度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。IEC已发布了若干与试验箱内部环境条件不确定度评定有关的导则、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）已经着手立项起草相应的国家标准。

要准确再现或重复一个温度/湿度试验过程，对受试样品的受试环境条件仅通过试验箱的控制显示读数或记录是不够的。需要用不确定度评定来描述受试样品在温度/湿度试验箱内部处于试验过程中的温度试验条件。当这些条件的不确定度要素处于相同水平的试验，其结果才具有实际意义上的可比性。尤其对研发验证或是质量评定都是客观和必须的。

用于试验的温度试验箱和湿热试验箱一般都经过定期的校准或检定，具有有效期内的合格证书。按照现行的校准或检定规范或标准出具的证书，即使给出了不确定度，也无法描述某样经受的真实试验环境。在试验中，试验箱内建立的气候试验条件，由于样品的形状、数量、加载等扰动因数对环境条件的影响生成的不确定因素是周期检定和证书无法体现的。

GB/T2424.5_IEC 60068-3-5（IDT）温度试验箱性能确认和GB/T2424.6_IEC 60068-3-6（IDT）温度/湿度试验箱性能确认二项标准规定了试验箱内部条件测量的方法；GB/T5170系列标准也给出了相应的检定规程，但都没有关于不确定度的描述。在进行不确定度测量时，基本上还是应该遵照这些规范。然而对试验样品加载条件进行不确定度评定所需要的措施，如传感器的布置等，还是要有所适应。

2.个概念

2.1.确定度，误差和“真值”

无论如何注意，都可以对测量的结果提出或留有疑问。在简单的项目中，测试的不确定度是对测试结果的量化。

当讨论不确定度时，我们经常需要考虑“误差”。测量误差是测量值和测量的真值间不同的相关且又分开的两个概念。

所有量的“真值”在原理上是不可获得的。将测量结果减去“真值”定义“误差”会引出一些问题。有时是可以进行分析和评估的。最好尽可能地消除这两项，当必须使用时应予以注意。“误差分析”的讨论，应包括许多科学论文、误差极限分析或更完整的“不确定度分析”。准确、适当地使用“不确定度”可以准确地解释“误差”。

不确定度与误差是不同的。如果用校准器具测量试验箱内的条件的结果是75%RH，此时试验箱的控制仪显示90%RH，并不能认为此时的不确定度为15%RH。实际上知道真的是75%RH。那就可以认为，不是控制仪读数错，就是试验箱工作异常。对75%RH存在的误差，有多少？用不确定度可以对75%RH测量值进行特征表述。

当用到“真值”、不确定度和误差，最重要的信息来源是校准仪器的证书。如果要获得试验最好的不确定度评估，这些信息必须是完整的。

2.2.确定度的表述

把测量结果组成报告时，应具备测量值、修正值和对每个结果所处测量点的描述等三个要素。以“真值”是39.1°C± 0.3 K，95%置信水平为例，完整的表述如下：

-39.1°C是真值的最好估值；

-±0.3 K是置信区间；

-95%是置信水平。

说明文字由以下三部分元素组成。

a)测量数量的真值的最好估值 通常最简单的是查阅仪器的校准说明材料，对气候试验情况是指温度测量系统和/或湿度计，或者是经校准的试验箱控制仪的显示。如果对仪器或试验箱控制器的校准中出现误差（这不是不确定度），就应该采用修正。例如，如果温度校准显示偏高1K，1K就应从真值的最好估值读数中减去。

b)置信区间 这是测量“真值”给出置信水平的范围。以前面示例的区间为±0.3 K。

c)置信水平 “置信水平”用数值（如95%）表达了测量结果的置信程度。是真实“真值”所在范围的概率。大部分数据组合通常是分散的，大约有68%的数值落在正负1标准差的中间区内。大约有95%的数值落在正负2标准差的区间内（95%置信水平）。另一方面，当许多测量没有超过1/20时，将从状态限制中剔除。因此，乘标准差2是量值范围为95%的公认方法。对于95%的置信水平，当然可以确定“真值”落在要求的范围内。

95%是常规采用的置信水平。可以使用更高的置信水平，置信度区间将增加。

d)不确定度的表述 上述示例温度39.1°C±0.3K，置信水平95%的不确定度表述为：39.1°C是温度的最好估值；因为置信水平为95%，其不确定的可能范围在38.8°C至39.4°C之间。

2.3.成不确定度

为了有助于不确定度表达，在将要素合成之前，应规置在相同的单位和置信水平上。所有表达应该转化为标准不确定度（例如，有正负的标准差）。在7 温度测量的总不确定度和8相对湿度测量的总不确定度中将进一步讨论。

3.差

当进行一个环境试验项目时，试验规范通常给出要求条件和一组容差，如±2°C和±5%RH。这是对对试验箱能否完成并保持要求的试验条件提出的要求。对于容差，有必要对经测量的试验箱进行不确定度评估。

容差与不确定度是不同的。容差是由程序或产品确定的可接受的极限。大多数情况下，通过试验箱的性能决定的容差指向不确定度。考虑将要求条件的背离，用不确定度集合起来。不确定度表述的数值39.1°C± 0.3 K，置信水平95%，真实的温度就一定在38.8°C至 39.4°C之间，确定性在95%之内。

如果要求的条件是40°C±2K，与其温度真值相应的容差概率要好于95%置信水平，因为完整的置信区间确定了容差的范围。

如果测量的湿度是81.7%RH，置信区间是±3.6%RH时置信水平95%，那么可以确定湿度的真值在78.1%RH在85.3%RH之间。如果要求条件为85±5%RH，尽管测量条件在范围内，关注的设置点湿度真值在±5%RH置信度的概率低于95%，这是因为置信范围与容差范围不吻合。

4.度和温度的测量

当测量湿度时可以采用许多方法。通常假设通过试验箱空气中的水蒸气保有量是恒定的。

这是一个合理的假设，在按常规确认的试验箱用多点方法人工测量湿度。然而，并不就是相对湿度。

露点与蒸气压直接相关，在试验箱且受温度的影响。在日常试验中，可能仅在一个地方测量湿度。然而在一些点上，无论在试验期间或试验箱运行在类似的条件下，至少应该在二个地方测量湿度。这样才能赋值，对均衡空气的蒸汽容量进行不确定度评估。

对大多数环境试验是以相对湿度规定试验湿度要求的。

相对湿度的建立是由许多有机材料的参数确定的。诸如塑料和木材的膨胀的物理特性、生物学的活跃性、电阻抗和腐蚀速率等会受到相对湿度的影响产生变化。

在同一试验箱内的蒸汽压力通常是几乎是一致的。

当空气彻底地被扰动时，试验箱内各位置间的温度存在差异，尽管蒸汽压力通常是几乎是一致的，温度的不同还是会引起相对湿度的差异。

可以用各式湿度计进行测量，但通常使用是下列三种类型：

-露点（dp）湿度计（镜面法）；

-干湿球湿度计(wet/dry)；或

-相对湿度探测仪。

5.定气候试验箱不确定度的方法

确定气候试验箱的条件，有3种基本的方法。这3种方法分别用于试验的不同类型的不同要求，还有不同的理由和各自的步骤。图1示例了这些方法。

5.1.箱条件 试验箱在不带受试样品的情况下进行测量。

有利条件

a) 对整个工作空间进行了校准；

b) 校准可以维持1年或2年；

c) 不因负载变化而需要重新校准；

d) 试验箱条件的适用性评估不受试验样品影响；

e) 低成本。一套校准仪器可以满足许多试验箱。

不利条件

a) 虽然受试样品受试验箱的影响非常小乃至可以忽略，受试样品的结果难以量化。致使对负载的结果的不确定度进行赋值非常困难；

b) 对散热受试样品的结果的量化非常困难；

c) 对试验箱的控制仪的偏移、判定和再现应进行评估，还包括对这些影响进行不确定度计算；

5.2.典型负载 试验箱带典型负载进行校准是理想的，非常类似试验的再现。

有利条件

a) 可以准确地进行评估负载对试验箱控制的影响，并不考虑试验样品的未知应力的影响；

b) 可以优先选择产生满意的条件最小适用的试验箱用于试验；

c) 传感器的精心布置可以给出靠近负载部分的详细信息；

d) 可以量化负载不规则的耗散；

e) 相关成本较低，一套试验箱测试仪器可用于多个试验箱。

不利条件

a) 当试验样品需要关注时，需要重新校准试验箱；

b) 对试验箱的控制仪的偏移、判定和再现应进行评估，还包括对这些影响进行不确定度计算。

5.3.试验期间测量 在试验箱带受试样品负载进行试验的同时进行测量。

有利条件

a) 当不同负载的类型和进行不同的试验时是理想的方法，可以对试验项目中条件的测量值给出最好的评估；

b) 试验箱可以对负载的影响进行精确的评估；

c) 不需对试验箱历次校准的偏移进行评估；

d) 传感器的精心布置可以给出靠近负载部分的详细信息；

e) 可以量化负载不规则的耗散；

f) 是一种经济的方法，因为不需要对试验箱的条件进行校准。

不利条件

a) 所有试验都需要测量仪器；

b) 所有试验都应计算不确定度；

c) 是一种高成本的方法，因为整个试验过程都需要用到测量仪器。

5.4.量的条件

打算进行试验箱内部条件不确定度评定的测量时，如果对内部条件会有若干个测量。作为选择，对试验箱的校准可以针对试验箱可预见的试验条件进行。然而在实际情况下，并非每个试验使用的条件都有必要校准。

如果不能对试验箱可预见的试验条件有一定的测量次数，所有的测量序列和分析应该至少对覆盖使用的范围进行多次反复测量。GB/T2424.6_IEC 60068-3-6 给出了评估的示例。

仅对温度（将湿度OFF）应包括足够多的测量点覆盖：

-最高温度；

-最低温度；

-在致冷开状态，至少两个温度点；

-在致热开状态，至少两个温度点。

对上述增加温度测量，测量至少应有两个对湿度值的测量，覆盖上述试验条件湿度试验的范围。

测量必须有足够多的次数，因为控制仪对试验箱的每个湿度和温度都会有不同的梯度和波动。湿度系统启用时，温度控制效果通常会变差。

如果试验箱仅用于若干规定的组合点，那么，就校准这几个点。

当试验并不处于某个校准值时，就有必要再两个校准值间插入。插入应合理适宜：

-校准值与试验值相当的接近；

-服务应用与每个校准值（致冷、减湿、加热，等）相同。

5.5.量的要求

对所有的测量方法的测量要求是相同的，就是测量物质的组合和对测量结果的分析。

a)温度 对于温度测量，用温度传感器在温度试验箱内分布排列温度测量点。GB/T2424.5_IEC 60068-3-5和GB/T5170系列标准给出了测量的方法，但没有涉及不确定度，而且仅适用于空载试验箱。

对于空载试验箱，通常将8个传感器布置在工作空间的角上，第9个传感器布置在工作空间的中心位置。对大试验箱则可能需要更多传感器。

对于典型负载或试验应用，通常使用8个传感器，在目标的每个角上布置1个。对较小的试验对象，较少的传感器就够了，但至少要使用4个传感器。对大型的、外形少见的或特型的试验对象应予以特别关注，应该根据需要布置传感器。

对于散热型试验样品，通常作为试验报告感兴趣的条件也要使用额外的传感器用于测量空气的温度，但对于来自受试样品温度测量的位置和结果应能量化。

b)湿度 对于湿度测量，将湿度计置于测量对象空气的中心位置或空载试验箱的中心。可以使用任何类型的湿度计，但大多数情况下采用相对湿度传感器、干湿球湿度计或冷镜湿度计。假定蒸汽压力在试验箱内处处相等；相对湿度可以通过蒸汽压力和通过每个传感器测量温度经过计算获得。蒸汽压力则可以通过湿度和温度测量进行计算获得。

对于每个条件，蒸汽压力梯度的测量，对其变化应能进行计算，进而进行不确定度评定。此举需用若干湿度计，且类型不限。然而，相关湿度计和干湿球湿度计对温度也是敏感的，通常由这类仪器获得的估值会比真值大一些。

另有一种方法，将多个测点的传感器信号通过转换开关切换到一个湿度计上。

蒸汽压力的梯度通常比较小，一般仅在需要时才予进行。

c)过程记录 为了确保评估的有效性，从每个传感器在每个条件下记录20次或更多次是适宜的，但不应少于5次。在记录试验箱控制温度波动的特性时，应经过充分的稳定时间后进行记录。通常认为30min是足够的。

所有测量应该在试验箱条件稳定后，对排列布置的传感器进行读数记录。

在试验期间对每个传感器频繁的进行测量。表1示例了典型的数据组合和一些分析。

每个点测量的时间的间隔和每个组测量循环时间的间隔，是对试验箱测量的基本保证。

5.6.确定度的来源

在所有测量中，不确定度有4个基本来源。

a)校准不确定度 校准使用仪器的校准不确定度在校准证书中列出。

定期校准证书的不确定度通常有95%的置信水平。应关注所有不确定度的要素，包括仪器的结果和校准期内的短期变化的说明，都应用作为测量不确定度的来源。

b)仪器不确定度 仪器不确定度包括要素有使用仪器的结论、再现性和偏移。反复地测量可以防止粗大误差和提高估计不确定度的信心值。

c)测量的次数产生的不确定度 显性的不确定度在于测量的次数，通常关系到条件的梯度和波动度。测量方法应该能检出这些梯度和波动度。

d)辐射引起的不确定度 辐射对一些试验箱的影响会比较大。如果温度传感器使测量读出值以及试验与试验间的差异出乎意料地大，都可以怀疑可能是辐射引起的问题（例如，试验箱所有部分的温度都感受到是受试样品的原因，与设定温度之间有值得关注的不同），就应该用具有不同辐射色（例如，将有亮光泽的传感器更换为黑色）的传感器进行特别的试验。当温度高于+100°C时，辐射对于传感器和受试样品的影响会越来越大。

e)附加不确定度 所有可以影响测量结果的因素例，如，校准区域与使用区域不重合，重要的校准有可能未能充分地与使用条件相关联。例如，大多数校准机构的校准是将温度产传感器浴于油、盐或溶剂。传感器一端浸没，连接导线暴露在室温中，而在使用中的传感器和连接电缆都是暴露在试验箱的环境中。从而，校准时的热传导与使用时是不同的。如有可能应该考虑这种影响并评估其量级。不确定度的评价应包括不确定度修正。

5.7.确定度的贡献要素

下列是不确定度最重要的因素，可能并不完整。拟定不确定度源的列表是不确定度分析的第一步。尽管其中有一些是可以被忽略，但列表应确定所有这些来源的不确定度。

a)参考（基准）仪器校准的不确定度 参考（基准）仪器校准的校准证书给出了不确定度，可能是用“误差”和“修正值”。一些参考（基准）仪器校准的相关不确定度对于总测量不确定度的贡献难以做到十分明确。

b)参考（基准）仪器偏移 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，对一些仪器而言，这些变化会有重要的意义。来自校准的连续的数据是评估使用中发生偏移的基本要素，但最初测量的数据已经可能被使用。然而，一般指仪器生产商提供的在理想条件下的偏移，所以通常在使用中的读值会偏大一些。

c)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该省略。

d)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，测量仪器通常会受到温度环境的影响。通常，当温度保持稳定，可以温度的影响进行修正。当然，不确定度参数应采用修正后的参数。

e)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的温度传感器的滞后会比较大。

f)测量的重复性 重复性指对同一条件再测量的一致程度。

g)波动 波动是在在测量条件对象过程中，一段时间间隔内之间的变化。

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。

有二个原因会影响湿度的波动。空气中蒸汽的容量（蒸汽压力或露点）发生变化；还有温度的波动引起相对湿度的波动，而此时空气中的蒸汽含量则是稳定的。应考虑这二个因素，并纳入到不确定度分析中。

有必要显示试验箱内的真实情况时，应知道温度传感器和湿度传感器的响应速度是不一样的。为了确定波动周期的时间长度，可以在测量中采用响应快速的仪器。在正常布局设点和整个波动循环的测量是在同一点上（例如，在每个波动循环的最大点上）进行，通常试验箱条件测量的结果是会引起误解的。这种情况被称为“混淆”。可以将采样频率提高到试验箱波动循环的4倍，或采用随机取样以消除和避免发生

波动的影响在普通意义上的计算可以用大量的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的方法，对一个测点，一般可以认为20个读数是足够了。

通过气候试验箱的控制循环，快速响应（小型）传感器可以捕获峰值或峰谷。慢速响应（大型）传感器也可以显示控制的自然循环，但是由于传感器的低响应速度，记录的峰值或峰谷较为扁平。因此，应该将慢速响应（大型）传感器无法捕获峰值温度的情况包括进不确定度的组成。

图2给出了温度波动图示。

h)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。

蒸汽容量的梯度通常比较小，虽然在试验箱内可能被冷凝而显得不太真实。然而，就波动、温度的梯度对于相对湿度而言蒸汽的含容量相应是恒定的。

i)当校准空箱或带典型负载试验箱的附加不确定度

包括：

-试验箱仪器的偏移；

-试验箱仪器的重复性；

-试验箱仪器的结论。

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了。

应另外给出对散热型负载考虑的方法。

6.确定度成份的估算及其组成

对测量的不确定度评估和合成大部分可以是采用较为便利的电子制表软件方法。以下内容基于7章温度测量的典型示例全面总不确定度评估。

表格包括不同不确定度来源的类型，如来自证书的不确定度、来自重复测量随机影响的的不确定度；以及如评估和计算出的系统性的偏移和偏离不确定度。

对于测量或校准的总不确定度评估有3个步骤：

-确定每个不确定度来源，量化并描述为一个标准的不确定度；

-用平方和的平方根组合单个原素的影响，即所谓的合成标准不确定度。

-乘上k=2的覆盖因子赋予扩展不确定度，可以解释为置信区间，包括了测量数值95 %真值的概率。

鉴别和量化不确定度来源的过程分析，包括了7章讨论的温度试验箱，和8章讨论的温度湿度组合试验箱。（续下期）

Calculation of Uncertainty of Conditions in Climatic Test Chambers

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简介：提供了对温度和湿度气候试验箱内部环境条件进行不确定度分析的方法。首先介绍了测量的不确定度概念，然后讨论容差的意义。考虑到湿度和温度测量是采用确定和合成不确定度。结合校准空载试验箱和有负载试验箱的条件测量的案例。最后，逐条整理成为范本用于分析结果以给出规范的不确定度评估依据。

Brief：Provides the methods for analysing uncertainties of temperature and humidity in climatic test chambers. In what follows, the concept of uncertainty of measurement is introduced first and then the significance of tolerance discussed. Aspects of humidity and temperature measurement are considered, followed by methods for determining and combining uncertainties. The cases of both calibrating an empty chamber and measuring conditions in a loaded chamber are considered. Finally, detailed guidance and worked examples are given for analysing results to give estimates of uncertainty in the measured performance.