文 | 上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 盧兆明上海工業(yè)自動化儀表研究院 胡紅暉

氣候試驗箱內部條件不確定度計算（上）

文 | 上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 盧兆明上海工業(yè)自動化儀表研究院 胡紅暉

不確定度；計算；濕度；溫度；試驗箱；氣候；條件

1.言

現(xiàn)行有效的GB2423_IEC60068-2系列標準與溫度試驗相關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。IEC已發(fā)布了若干與試驗箱內部環(huán)境條件不確定度評定有關的導則、背景材料和技術支撐性文件，全國環(huán)境條件與環(huán)境試驗標準化技術委員會（環(huán)標委）已經著手立項起草相應的國家標準。

要準確再現(xiàn)或重復一個溫度/濕度試驗過程，對受試樣品的受試環(huán)境條件僅通過試驗箱的控制顯示讀數(shù)或記錄是不夠的。需要用不確定度評定來描述受試樣品在溫度/濕度試驗箱內部處于試驗過程中的溫度試驗條件。當這些條件的不確定度要素處于相同水平的試驗，其結果才具有實際意義上的可比性。尤其對研發(fā)驗證或是質量評定都是客觀和必須的。

用于試驗的溫度試驗箱和濕熱試驗箱一般都經過定期的校準或檢定，具有有效期內的合格證書。按照現(xiàn)行的校準或檢定規(guī)范或標準出具的證書，即使給出了不確定度，也無法描述某樣經受的真實試驗環(huán)境。在試驗中，試驗箱內建立的氣候試驗條件，由于樣品的形狀、數(shù)量、加載等擾動因數(shù)對環(huán)境條件的影響生成的不確定因素是周期檢定和證書無法體現(xiàn)的。

GB/T2424.5_IEC 60068-3-5（IDT）溫度試驗箱性能確認和GB/T2424.6_IEC 60068-3-6（IDT）溫度/濕度試驗箱性能確認二項標準規(guī)定了試驗箱內部條件測量的方法；GB/T5170系列標準也給出了相應的檢定規(guī)程，但都沒有關于不確定度的描述。在進行不確定度測量時，基本上還是應該遵照這些規(guī)范。然而對試驗樣品加載條件進行不確定度評定所需要的措施，如傳感器的布置等，還是要有所適應。

2.個概念

2.1.確定度，誤差和“真值”

無論如何注意，都可以對測量的結果提出或留有疑問。在簡單的項目中，測試的不確定度是對測試結果的量化。

當討論不確定度時，我們經常需要考慮“誤差”。測量誤差是測量值和測量的真值間不同的相關且又分開的兩個概念。

所有量的“真值”在原理上是不可獲得的。將測量結果減去“真值”定義“誤差”會引出一些問題。有時是可以進行分析和評估的。最好盡可能地消除這兩項，當必須使用時應予以注意?！罢`差分析”的討論，應包括許多科學論文、誤差極限分析或更完整的“不確定度分析”。準確、適當?shù)厥褂谩安淮_定度”可以準確地解釋“誤差”。

不確定度與誤差是不同的。如果用校準器具測量試驗箱內的條件的結果是75%RH，此時試驗箱的控制儀顯示90%RH，并不能認為此時的不確定度為15%RH。實際上知道真的是75%RH。那就可以認為，不是控制儀讀數(shù)錯，就是試驗箱工作異常。對75%RH存在的誤差，有多少？用不確定度可以對75%RH測量值進行特征表述。

當用到“真值”、不確定度和誤差，最重要的信息來源是校準儀器的證書。如果要獲得試驗最好的不確定度評估，這些信息必須是完整的。

2.2.確定度的表述

把測量結果組成報告時，應具備測量值、修正值和對每個結果所處測量點的描述等三個要素。以“真值”是39.1°C± 0.3 K，95%置信水平為例，完整的表述如下：

-39.1°C是真值的最好估值；

-±0.3 K是置信區(qū)間；

-95%是置信水平。

說明文字由以下三部分元素組成。

a)測量數(shù)量的真值的最好估值 通常最簡單的是查閱儀器的校準說明材料，對氣候試驗情況是指溫度測量系統(tǒng)和/或濕度計，或者是經校準的試驗箱控制儀的顯示。如果對儀器或試驗箱控制器的校準中出現(xiàn)誤差（這不是不確定度），就應該采用修正。例如，如果溫度校準顯示偏高1K，1K就應從真值的最好估值讀數(shù)中減去。

b)置信區(qū)間 這是測量“真值”給出置信水平的范圍。以前面示例的區(qū)間為±0.3 K。

c)置信水平 “置信水平”用數(shù)值（如95%）表達了測量結果的置信程度。是真實“真值”所在范圍的概率。大部分數(shù)據組合通常是分散的，大約有68%的數(shù)值落在正負1標準差的中間區(qū)內。大約有95%的數(shù)值落在正負2標準差的區(qū)間內（95%置信水平）。另一方面，當許多測量沒有超過1/20時，將從狀態(tài)限制中剔除。因此，乘標準差2是量值范圍為95%的公認方法。對于95%的置信水平，當然可以確定“真值”落在要求的范圍內。

95%是常規(guī)采用的置信水平?？梢允褂酶叩闹眯潘剑眯哦葏^(qū)間將增加。

d)不確定度的表述 上述示例溫度39.1°C±0.3K，置信水平95%的不確定度表述為：39.1°C是溫度的最好估值；因為置信水平為95%，其不確定的可能范圍在38.8°C至39.4°C之間。

2.3.成不確定度

為了有助于不確定度表達，在將要素合成之前，應規(guī)置在相同的單位和置信水平上。所有表達應該轉化為標準不確定度（例如，有正負的標準差）。在7 溫度測量的總不確定度和8相對濕度測量的總不確定度中將進一步討論。

3.差

當進行一個環(huán)境試驗項目時，試驗規(guī)范通常給出要求條件和一組容差，如±2°C和±5%RH。這是對對試驗箱能否完成并保持要求的試驗條件提出的要求。對于容差，有必要對經測量的試驗箱進行不確定度評估。

容差與不確定度是不同的。容差是由程序或產品確定的可接受的極限。大多數(shù)情況下，通過試驗箱的性能決定的容差指向不確定度。考慮將要求條件的背離，用不確定度集合起來。不確定度表述的數(shù)值39.1°C± 0.3 K，置信水平95%，真實的溫度就一定在38.8°C至 39.4°C之間，確定性在95%之內。

如果要求的條件是40°C±2K，與其溫度真值相應的容差概率要好于95%置信水平，因為完整的置信區(qū)間確定了容差的范圍。

如果測量的濕度是81.7%RH，置信區(qū)間是±3.6%RH時置信水平95%，那么可以確定濕度的真值在78.1%RH在85.3%RH之間。如果要求條件為85±5%RH，盡管測量條件在范圍內，關注的設置點濕度真值在±5%RH置信度的概率低于95%，這是因為置信范圍與容差范圍不吻合。

4.度和溫度的測量

當測量濕度時可以采用許多方法。通常假設通過試驗箱空氣中的水蒸氣保有量是恒定的。

這是一個合理的假設，在按常規(guī)確認的試驗箱用多點方法人工測量濕度。然而，并不就是相對濕度。

露點與蒸氣壓直接相關，在試驗箱且受溫度的影響。在日常試驗中，可能僅在一個地方測量濕度。然而在一些點上，無論在試驗期間或試驗箱運行在類似的條件下，至少應該在二個地方測量濕度。這樣才能賦值，對均衡空氣的蒸汽容量進行不確定度評估。

對大多數(shù)環(huán)境試驗是以相對濕度規(guī)定試驗濕度要求的。

相對濕度的建立是由許多有機材料的參數(shù)確定的。諸如塑料和木材的膨脹的物理特性、生物學的活躍性、電阻抗和腐蝕速率等會受到相對濕度的影響產生變化。

在同一試驗箱內的蒸汽壓力通常是幾乎是一致的。

當空氣徹底地被擾動時，試驗箱內各位置間的溫度存在差異，盡管蒸汽壓力通常是幾乎是一致的，溫度的不同還是會引起相對濕度的差異。

可以用各式濕度計進行測量，但通常使用是下列三種類型：

-露點（dp）濕度計（鏡面法）；

-干濕球濕度計(wet/dry)；或

-相對濕度探測儀。

5.定氣候試驗箱不確定度的方法

確定氣候試驗箱的條件，有3種基本的方法。這3種方法分別用于試驗的不同類型的不同要求，還有不同的理由和各自的步驟。圖1示例了這些方法。

5.1.箱條件 試驗箱在不帶受試樣品的情況下進行測量。

有利條件

a) 對整個工作空間進行了校準；

b) 校準可以維持1年或2年；

c) 不因負載變化而需要重新校準；

d) 試驗箱條件的適用性評估不受試驗樣品影響；

e) 低成本。一套校準儀器可以滿足許多試驗箱。

不利條件

a) 雖然受試樣品受試驗箱的影響非常小乃至可以忽略，受試樣品的結果難以量化。致使對負載的結果的不確定度進行賦值非常困難；

b) 對散熱受試樣品的結果的量化非常困難；

c) 對試驗箱的控制儀的偏移、判定和再現(xiàn)應進行評估，還包括對這些影響進行不確定度計算；

5.2.典型負載 試驗箱帶典型負載進行校準是理想的，非常類似試驗的再現(xiàn)。

有利條件

a) 可以準確地進行評估負載對試驗箱控制的影響，并不考慮試驗樣品的未知應力的影響；

b) 可以優(yōu)先選擇產生滿意的條件最小適用的試驗箱用于試驗；

c) 傳感器的精心布置可以給出靠近負載部分的詳細信息；

d) 可以量化負載不規(guī)則的耗散；

e) 相關成本較低，一套試驗箱測試儀器可用于多個試驗箱。

不利條件

a) 當試驗樣品需要關注時，需要重新校準試驗箱；

b) 對試驗箱的控制儀的偏移、判定和再現(xiàn)應進行評估，還包括對這些影響進行不確定度計算。

5.3.試驗期間測量 在試驗箱帶受試樣品負載進行試驗的同時進行測量。

有利條件

a) 當不同負載的類型和進行不同的試驗時是理想的方法，可以對試驗項目中條件的測量值給出最好的評估；

b) 試驗箱可以對負載的影響進行精確的評估；

c) 不需對試驗箱歷次校準的偏移進行評估；

d) 傳感器的精心布置可以給出靠近負載部分的詳細信息；

e) 可以量化負載不規(guī)則的耗散；

f) 是一種經濟的方法，因為不需要對試驗箱的條件進行校準。

不利條件

a) 所有試驗都需要測量儀器；

b) 所有試驗都應計算不確定度；

c) 是一種高成本的方法，因為整個試驗過程都需要用到測量儀器。

5.4.量的條件

打算進行試驗箱內部條件不確定度評定的測量時，如果對內部條件會有若干個測量。作為選擇，對試驗箱的校準可以針對試驗箱可預見的試驗條件進行。然而在實際情況下，并非每個試驗使用的條件都有必要校準。

如果不能對試驗箱可預見的試驗條件有一定的測量次數(shù)，所有的測量序列和分析應該至少對覆蓋使用的范圍進行多次反復測量。GB/T2424.6_IEC 60068-3-6 給出了評估的示例。

僅對溫度（將濕度OFF）應包括足夠多的測量點覆蓋：

-最高溫度；

-最低溫度；

-在致冷開狀態(tài)，至少兩個溫度點；

-在致熱開狀態(tài)，至少兩個溫度點。

對上述增加溫度測量，測量至少應有兩個對濕度值的測量，覆蓋上述試驗條件濕度試驗的范圍。

測量必須有足夠多的次數(shù)，因為控制儀對試驗箱的每個濕度和溫度都會有不同的梯度和波動。濕度系統(tǒng)啟用時，溫度控制效果通常會變差。

如果試驗箱僅用于若干規(guī)定的組合點，那么，就校準這幾個點。

當試驗并不處于某個校準值時，就有必要再兩個校準值間插入。插入應合理適宜：

-校準值與試驗值相當?shù)慕咏?/p>

-服務應用與每個校準值（致冷、減濕、加熱，等）相同。

5.5.量的要求

對所有的測量方法的測量要求是相同的，就是測量物質的組合和對測量結果的分析。

a)溫度 對于溫度測量，用溫度傳感器在溫度試驗箱內分布排列溫度測量點。GB/T2424.5_IEC 60068-3-5和GB/T5170系列標準給出了測量的方法，但沒有涉及不確定度，而且僅適用于空載試驗箱。

對于空載試驗箱，通常將8個傳感器布置在工作空間的角上，第9個傳感器布置在工作空間的中心位置。對大試驗箱則可能需要更多傳感器。

對于典型負載或試驗應用，通常使用8個傳感器，在目標的每個角上布置1個。對較小的試驗對象，較少的傳感器就夠了，但至少要使用4個傳感器。對大型的、外形少見的或特型的試驗對象應予以特別關注，應該根據需要布置傳感器。

對于散熱型試驗樣品，通常作為試驗報告感興趣的條件也要使用額外的傳感器用于測量空氣的溫度，但對于來自受試樣品溫度測量的位置和結果應能量化。

b)濕度 對于濕度測量，將濕度計置于測量對象空氣的中心位置或空載試驗箱的中心?？梢允褂萌魏晤愋偷臐穸扔嫞蠖鄶?shù)情況下采用相對濕度傳感器、干濕球濕度計或冷鏡濕度計。假定蒸汽壓力在試驗箱內處處相等；相對濕度可以通過蒸汽壓力和通過每個傳感器測量溫度經過計算獲得。蒸汽壓力則可以通過濕度和溫度測量進行計算獲得。

對于每個條件，蒸汽壓力梯度的測量，對其變化應能進行計算，進而進行不確定度評定。此舉需用若干濕度計，且類型不限。然而，相關濕度計和干濕球濕度計對溫度也是敏感的，通常由這類儀器獲得的估值會比真值大一些。

另有一種方法，將多個測點的傳感器信號通過轉換開關切換到一個濕度計上。

蒸汽壓力的梯度通常比較小，一般僅在需要時才予進行。

c)過程記錄 為了確保評估的有效性，從每個傳感器在每個條件下記錄20次或更多次是適宜的，但不應少于5次。在記錄試驗箱控制溫度波動的特性時，應經過充分的穩(wěn)定時間后進行記錄。通常認為30min是足夠的。

所有測量應該在試驗箱條件穩(wěn)定后，對排列布置的傳感器進行讀數(shù)記錄。

在試驗期間對每個傳感器頻繁的進行測量。表1示例了典型的數(shù)據組合和一些分析。

每個點測量的時間的間隔和每個組測量循環(huán)時間的間隔，是對試驗箱測量的基本保證。

5.6.確定度的來源

在所有測量中，不確定度有4個基本來源。

a)校準不確定度 校準使用儀器的校準不確定度在校準證書中列出。

定期校準證書的不確定度通常有95%的置信水平。應關注所有不確定度的要素，包括儀器的結果和校準期內的短期變化的說明，都應用作為測量不確定度的來源。

b)儀器不確定度 儀器不確定度包括要素有使用儀器的結論、再現(xiàn)性和偏移。反復地測量可以防止粗大誤差和提高估計不確定度的信心值。

c)測量的次數(shù)產生的不確定度 顯性的不確定度在于測量的次數(shù)，通常關系到條件的梯度和波動度。測量方法應該能檢出這些梯度和波動度。

d)輻射引起的不確定度 輻射對一些試驗箱的影響會比較大。如果溫度傳感器使測量讀出值以及試驗與試驗間的差異出乎意料地大，都可以懷疑可能是輻射引起的問題（例如，試驗箱所有部分的溫度都感受到是受試樣品的原因，與設定溫度之間有值得關注的不同），就應該用具有不同輻射色（例如，將有亮光澤的傳感器更換為黑色）的傳感器進行特別的試驗。當溫度高于+100°C時，輻射對于傳感器和受試樣品的影響會越來越大。

e)附加不確定度 所有可以影響測量結果的因素例，如，校準區(qū)域與使用區(qū)域不重合，重要的校準有可能未能充分地與使用條件相關聯(lián)。例如，大多數(shù)校準機構的校準是將溫度產傳感器浴于油、鹽或溶劑。傳感器一端浸沒，連接導線暴露在室溫中，而在使用中的傳感器和連接電纜都是暴露在試驗箱的環(huán)境中。從而，校準時的熱傳導與使用時是不同的。如有可能應該考慮這種影響并評估其量級。不確定度的評價應包括不確定度修正。

5.7.確定度的貢獻要素

下列是不確定度最重要的因素，可能并不完整。擬定不確定度源的列表是不確定度分析的第一步。盡管其中有一些是可以被忽略，但列表應確定所有這些來源的不確定度。

a)參考（基準）儀器校準的不確定度 參考（基準）儀器校準的校準證書給出了不確定度，可能是用“誤差”和“修正值”。一些參考（基準）儀器校準的相關不確定度對于總測量不確定度的貢獻難以做到十分明確。

b)參考（基準）儀器偏移 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，對一些儀器而言，這些變化會有重要的意義。來自校準的連續(xù)的數(shù)據是評估使用中發(fā)生偏移的基本要素，但最初測量的數(shù)據已經可能被使用。然而，一般指儀器生產商提供的在理想條件下的偏移，所以通常在使用中的讀值會偏大一些。

c)分辨率 測量試驗箱環(huán)境條件時應對使用的參考（基準）儀器作判定。此判定應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)下使用則應該省略。

d)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，測量儀器通常會受到溫度環(huán)境的影響。通常，當溫度保持穩(wěn)定，可以溫度的影響進行修正。當然，不確定度參數(shù)應采用修正后的參數(shù)。

e)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的溫度傳感器的滯后會比較大。

f)測量的重復性 重復性指對同一條件再測量的一致程度。

g)波動 波動是在在測量條件對象過程中，一段時間間隔內之間的變化。

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。

有二個原因會影響濕度的波動?？諝庵姓羝娜萘浚ㄕ羝麎毫蚵饵c）發(fā)生變化；還有溫度的波動引起相對濕度的波動，而此時空氣中的蒸汽含量則是穩(wěn)定的。應考慮這二個因素，并納入到不確定度分析中。

有必要顯示試驗箱內的真實情況時，應知道溫度傳感器和濕度傳感器的響應速度是不一樣的。為了確定波動周期的時間長度，可以在測量中采用響應快速的儀器。在正常布局設點和整個波動循環(huán)的測量是在同一點上（例如，在每個波動循環(huán)的最大點上）進行，通常試驗箱條件測量的結果是會引起誤解的。這種情況被稱為“混淆”?？梢詫⒉蓸宇l率提高到試驗箱波動循環(huán)的4倍，或采用隨機取樣以消除和避免發(fā)生

波動的影響在普通意義上的計算可以用大量的讀數(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的方法，對一個測點，一般可以認為20個讀數(shù)是足夠了。

通過氣候試驗箱的控制循環(huán)，快速響應（小型）傳感器可以捕獲峰值或峰谷。慢速響應（大型）傳感器也可以顯示控制的自然循環(huán)，但是由于傳感器的低響應速度，記錄的峰值或峰谷較為扁平。因此，應該將慢速響應（大型）傳感器無法捕獲峰值溫度的情況包括進不確定度的組成。

圖2給出了溫度波動圖示。

h)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，應在被試物周圍或在空載試驗箱的工作空間周圍進行測量。

蒸汽容量的梯度通常比較小，雖然在試驗箱內可能被冷凝而顯得不太真實。然而，就波動、溫度的梯度對于相對濕度而言蒸汽的含容量相應是恒定的。

i)當校準空箱或帶典型負載試驗箱的附加不確定度

包括：

-試驗箱儀器的偏移；

-試驗箱儀器的重復性；

-試驗箱儀器的結論。

首先應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緊要的，那就應該用另一種方法來建立不確定度了。

應另外給出對散熱型負載考慮的方法。

6.確定度成份的估算及其組成

對測量的不確定度評估和合成大部分可以是采用較為便利的電子制表軟件方法。以下內容基于7章溫度測量的典型示例全面總不確定度評估。

表格包括不同不確定度來源的類型，如來自證書的不確定度、來自重復測量隨機影響的的不確定度；以及如評估和計算出的系統(tǒng)性的偏移和偏離不確定度。

對于測量或校準的總不確定度評估有3個步驟：

-確定每個不確定度來源，量化并描述為一個標準的不確定度；

-用平方和的平方根組合單個原素的影響，即所謂的合成標準不確定度。

-乘上k=2的覆蓋因子賦予擴展不確定度，可以解釋為置信區(qū)間，包括了測量數(shù)值95 %真值的概率。

鑒別和量化不確定度來源的過程分析，包括了7章討論的溫度試驗箱，和8章討論的溫度濕度組合試驗箱。（續(xù)下期）

Calculation of Uncertainty of Conditions in Climatic Test Chambers

uncertainty;calculation;humidity;temperature;test chamber;climate;condition

簡介：提供了對溫度和濕度氣候試驗箱內部環(huán)境條件進行不確定度分析的方法。首先介紹了測量的不確定度概念，然后討論容差的意義。考慮到濕度和溫度測量是采用確定和合成不確定度。結合校準空載試驗箱和有負載試驗箱的條件測量的案例。最后，逐條整理成為范本用于分析結果以給出規(guī)范的不確定度評估依據。

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.