環境試驗設備參數測量
——溫度和濕度試驗設備

伍偉雄

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

環境試驗設備參數測量
——溫度和濕度試驗設備

伍偉雄

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

溫度和濕度試驗是環境試驗中最重要的試驗。對溫度、濕度試驗設備參數的測量，在考慮經濟合理和滿足規定測量不確定度的情況下，本文闡述測量中的一般要求、測量儀器的選擇、提高測量準確度的方法等。

試驗設備；參數；測量；溫度；濕度

引言

溫度和濕度試驗是環境試驗中最重要的試驗。對機載電子設備全年的故障進行分析表明，由溫度引起的故障約占22.2%，由濕度引起的故障約占10%，由振動引起的故障約占11.4%，由沙塵引起的故障約占4.2%，由鹽霧引起的故障約占1.9%，由沖擊引起的故障約占1.1%，由其他原因引起的故障約占47.3%。由此分析統計得到的情況可以看出，50%以上的故障是由各種環境因素引起的，而溫度、濕度環境因素造成電子設備約32.2%的故障率，可見溫度、濕度試驗在環境試驗中的重要性。

為保證溫度、濕度試驗量值的準確可靠，我國在上世紀八十年代就分別制定了溫度試驗設備、濕度試驗設備的檢驗方法國家標準和技術條件國家標準；在2003年制定了環境試驗設備溫度、濕度校準規范。雖然相關標準對溫度、濕度試驗設備參數測量的要求不算很高，談不上是高準確度的測量，但溫度、濕度試驗設備的使用量非常大，測量所使用的儀器既要經濟合理，又能滿足規定的測量不確定度。

1 概述

溫度試驗設備通常有低溫試驗設備、高溫試驗設備、高低溫試驗設備、溫度沖擊試驗設備、快速溫度變化試驗設備等。帶有制冷裝置的溫度試驗設備的溫度范圍一般在-80℃～180℃之間，使用液氮輔助制冷時溫度可達-100℃以下，無制冷裝置的溫度試驗設備的溫度范圍一般在50℃～300℃之間，快速溫度變化試驗設備的溫度變化速率可達30℃/min以上。濕度試驗設備一般帶有高低溫功能，溫度范圍一般在-70℃～180℃之間，濕度范圍在20%RH～100%RH之間。只有固定溫濕度點功能而無高低溫功能的設備很少，濕度低于20%RH的設備也不多。

溫度、濕度試驗設備產生一定空間的溫度、濕度環境，按照相關試驗方法的要求，有效工作空間內任意位置的溫度、濕度的偏差、均勻性、穩定性等應滿足規定的要求。因此，對試驗設備溫度、濕度的測量，需要對有效工作空間內多個位置進行測量，各個位置測量得到的溫度、濕度均應滿足規定的偏差要求，同時按規定的方法計算空間的溫度、濕度的均勻性和穩定性等，也應滿足規定的要求。

2 溫度測量

2.1 一般要求

相關標準對溫度、濕度試驗設備溫度偏差的要求，在5℃～200℃的溫度范圍內一般允許偏差±2℃，在小于5℃和大于200℃以及設備容積較大時一般允許偏差±3℃，個別試驗如長霉試驗時要求允許偏差±1℃。按照一般的原則，溫度測量儀器的允差，應不大于設備溫度允許偏差的1/3。這就要求溫度測量儀器在5℃～200℃時，允差小于±0.66℃，小于5℃和大于200℃時，允差應小于±1℃，測量長霉試驗設備時，允差甚至要小于±0.33℃。

2.2 測量儀器的選擇

按照溫度、濕度試驗設備相關標準的要求，設備工作空間的容積小于或等于2m3時，至少需要測量工作空間9個位置的溫度，工作空間的容積大于2m3時，則至少需要測量工作空間15個位置的溫度，且要求在30min內測量30（或15）組數據。按照既要經濟合理，又要滿足測量不確定度要求的原則，顯然不適合使用多臺溫度測量儀器測量各個位置的溫度。因此，選擇多通道且帶有自動巡檢功能的溫度測量儀器，是降低測量成本和減輕測量勞動強度的最佳選擇。

應用廣泛且適用于測量溫度、濕度試驗設備工作空間空氣溫度的溫度測量儀器，實際上沒有太多的選擇，合適的也只有由鉑電阻溫度傳感器或熱電偶溫度傳感器與電測儀器組成的溫度測量系統。通過使用多支鉑電阻溫度傳感器或熱電偶溫度傳感器，配上具有多個通道且具有巡檢功能的電測儀器，可以方便地測量設備工作空間各個位置的溫度。如果選擇鉑電阻溫度溫度計測量溫度、濕度試驗設備，可選擇的主要是工業鉑電阻溫度計，常見的、使用量大的工業鉑電阻溫度計，主要是Pt100的鉑電阻溫度計。如果選擇熱電偶溫度計測量溫度、濕度試驗設備，可選擇的主要是工作用廉金屬熱電偶溫度計。

對照國際標準化的工業鉑電阻溫度計和工業常用廉金屬熱電偶溫度計的技術性能,考慮到溫度、濕度試驗設備的溫度范圍一般在-80℃～300℃之間，只有線繞元件的A級鉑電阻能夠滿足測量范圍和允差要求，其它的要么測量范圍不能覆蓋-80℃～300℃，要么允差不能達到要求。因此，由A級線繞元件的鉑熱電阻制成的鉑電阻溫度計，是用于測量溫度、濕度試驗設備的最佳選擇。熱電偶溫度計的允差較大，實踐也證明了其穩定性相對較差，因此一般不建議使用熱電偶溫度計測量溫度、濕度試驗設備，如在某些情況下需要使用熱電偶溫度計，則需要逐點校準并修正使用，同時特別需要注意考慮其穩定性問題。

對于由鉑電阻溫度計與電測儀器組成的溫度測量系統來說，電測儀器采用6位半帶多通道巡檢功能的數據采集器是最佳的選擇。一般而言，6位半帶多通道巡檢功能的數據采集器，鉑電阻溫度測量誤差一般小于0.06℃，與A級鉑電阻溫度計的誤差相比，6位半數據采集器的測量誤差已足夠小，考慮到6位半帶多通道巡檢功能的數據采集器的使用非常普及，價格也較適中，因此是最經濟又能滿足測量要求的選擇。

2.3 提高工業鉑電阻溫度計測量的準確度

使用線繞元件鉑電阻制成的A級鉑電阻溫度計，是測量溫度、濕度試驗設備的最佳選擇，在技術指標上可以滿足不大于被測量對象允差的1/3的基本要求，例如在200℃時，A級鉑電阻溫度計的允差為±0.55℃，小于設備200℃時允差±2℃的1/3。然而，鉑電阻溫度計±0.55℃的測量誤差，再考慮其穩定性方面的因素，這樣的測量結果，測量不確定度依然比較大。采用對鉑電阻溫度計與數據采集器組成的溫度測量系統的測量結果進行修正的方法，可有效減小測量不確定度，但需要對溫度測量系統進行較小溫度間隔的校準，這除了增加溫度測量系統校準的成本之外，使用時的實際操作也不方便。隨著便攜式計算機技術的發展，現在的計算機輔助測量已十分普及，使用計算機自動采集和處理測量數據是一種必然趨勢。對按國際標準化生產的工業鉑電阻溫度計而言，如進行重新分度，輔以計算機輔助測量，則可有效提高測量準確度，使用起來也比修正測量結果的方法簡單和方便，也降低了本身溯源性檢定或校準的成本。

對工業鉑電阻溫度計重新分度，只需要知道0℃時對應的電阻值和任意3個溫度點對應的電阻值，即可依據工業鉑電阻溫度計的分度公式求得新的A、B、C系數值。例如，如果對-80℃～300℃測量范圍內重新分度，則可分別校準-80℃、0℃、100℃、300℃時的電阻值，代入分度公式求出新的A、B、C系數值。鉑電阻溫度計重新分度后，產生的最大分度誤差約0.05℃左右，與6位半以上準確度的數據采集器組成溫度測量系統，整個測量系統的誤差可望達到0.1℃以內，這樣對溫度、濕度試驗設備進行溫度測量時，可有效減小測量結果的不確定度。在實際使用中，如果使用計算機輔助測量，可以把重新分度得到的A、B、C系數值置入測量軟件中，比使用修正測量結果的方法要方便和實用得多。在較大的溫度范圍內，對鉑電阻溫度計的校準也只需校準4個溫度點，減小鉑電阻溫度計溯源性檢定和校準的成本。對沒有使用計算機輔助測量而言，把分度公式和A、B、C系數值輸入EXCEL電子表格中，則可以很方便地編制出新的分度表，然后對照新的分度表使用。

2.4 需要注意的一些問題

雖然工業鉑電阻溫度計重新分度后，可有效減小測量誤差，然而，工業鉑電阻溫度計的設計，需要考慮到工業應用中常見的振動、沖擊等諸多因素，鉑絲的繞制不是無應力設計的，它的重復性和穩定性無法與無應力結構的標準鉑電阻溫度計相比。因此，不要指望重新分度后它的準確度就能達到標準級的水平，它的重復性和穩定性同樣是引起測量誤差變化的一個重要因素。在實際應用中，重新分度后，要密切關注其穩定性的變化。采用對工業鉑電阻溫度計重新分度使用的方法，就不一定需要選擇A級的鉑電阻，這時需要關注的是它的穩定性和重復性，只要穩定性和重復性足夠好，選擇B級甚至C級鉑電阻當然也沒有問題。

與鉑電阻溫度計相比，熱電偶溫度計的測量誤差要大得多，但熱電偶的響應速度比鉑電阻要快得多。用極小偶絲制成的熱電偶，響應速度可達毫秒級水平。因此，當測量快速變化的溫度變化速率時，使用熱電偶溫度計會更合適。

盡管相關標準對溫度傳感器的長度未作出規定，但應盡可能短。對于這個問題，可能被大多數人忽略了，對于使用線繞元件的鉑熱電阻制成的鉑電阻溫度計而言，溫度計測量得到的溫度，是線繞元件長度位置的平均溫度，如果太長，則已不能代表某一位置的溫度，而是某距離長度內的平均溫度。

3 濕度測量

3.1 一般要求

相關標準對濕度試驗設備濕度偏差的要求，一般是在25℃～65℃的溫度范圍內，當濕度大于或等于75%RH時，濕度偏差±3%RH，當濕度小于75%RH時，濕度偏差±5%RH。也有一些特殊的、比較少使用的試驗要求，例如溫度85℃、濕度85%RH，溫度90℃、濕度95%RH等。按照濕度量值傳遞系統表的要求，允差±1%RH的一級濕度標準，傳遞允差±2%RH的二級濕度標準，二級濕度標準傳遞允差±（5～7）%RH的濕度工作計量器具。這就要求濕度測量儀器在測量濕度偏差±3%RH的濕度試驗設備時，測量誤差應小于±1.5%RH。

3.2 測量儀器

按照濕度試驗設備相關標準的要求，設備工作空間的容積小于或等于2m3時，至少需要測量工作空間3個位置的濕度，工作空間的容積大于2m3時，則至少需要測量工作空間4個位置的濕度。應用廣泛、使用量很大的濕度試驗設備，如果按照濕度量值傳遞的要求，二級濕度標準不能滿足測量要求，需要使用一級濕度標準。一級濕度測量標準，只有精密露點儀和標準通風干濕表。精密露點儀價格昂貴，如果用于測量濕度試驗設備，并不符合經濟合理的原則。標準通風干濕表受溫度使用范圍小、體積大等諸多因素的制約，也不適合用于濕度試驗設備的濕度測量。因此，既要滿足測量要求，又要經濟合理，選擇合適的濕度測量儀器十分重要。

基于經濟合理的現實選擇，與溫度測量儀器的選擇一樣，應用廣泛且適用于測量濕度試驗設備工作空間空氣濕度的濕度測量儀器，也沒有太大的選擇余地，合適的也只有由鉑電阻等溫度計組成的干濕表和濕敏元件制成的濕度變送器（濕度傳感器）。干濕表的溫度測量，可以使用濕度試驗設備溫度測量時所用的數據采集器來測量，不必再單獨配置測量儀器。同樣，濕度變送器的電信號測量，也可以使用濕度試驗設備溫度測量時所用的數據采集器來測量。

3.3 濕度測量中的技術處理

濕敏元件制成的濕度變送器（濕度傳感器）的允差一般在±2%RH～±5%RH之間。使用濕度變送器測量濕度試驗設備時，需要用一級濕度標準逐點校準并修正使用，這樣才能滿足量值傳遞的測量要求。同時，還需要密切關注其穩定性的變化。

濕度試驗設備濕度測量中所使用的干濕表法，即GB/T 5170.5—2008《電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 濕熱試驗設備》附錄B干濕表法測量相對濕度所述的方法，主要是通過測量干球溫度計和濕球溫度計的溫度，以及測量氣壓和溫度計球部的風速，然后用GB/T 6999—2010《環境試驗用相對濕度查算表》查算濕度。GB/ T 6999—2010僅給出了氣壓80kPa、90 kPa 、100 kPa、110 kPa，風速0.4m/s、0.8m/s、2.5m/s對應的查算表，在實際應用中，設備的實際風速、氣壓很難與查算表的風速、氣壓一致，只能使用靠近的方法去查表。例如，當球部實際風速為1.6m/s時，按照靠近原則，此時需要選擇0.8m/s風速對應的干濕表系數A值0.0007947℃-1查表，而實際上1.6m/s風速時干濕表系數A值約為0.000708℃-1（球狀干濕表），此時若按干濕球濕度理論公式計算得到的結果，與按0.8m/s風速查表得到的結果相比，差別是顯著的，尤其在濕度較低時。同理，當球部實際氣壓偏離查算表給出的氣壓時，查表得到的結果與通過實際氣壓計算得到的結果相比，差別也是明顯的。因此，使用干濕表測量濕度，除了需要準確測量干球溫度、濕球溫度、氣壓、球部風速之外，還需要通過適當的計算處理，才能消除由查表引起的查算誤差。

實際上，由于計算機輔助測量的普及使用，使用計算機自動采集和處理測量數據已較普遍，完全可以按干濕球濕度理論公式（參見GB/T 6999—2010）重新計算出濕度。在準確測量干球溫度、濕球溫度、氣壓、球部風速的基礎上，合適選取球部風速對應的干濕表系數A值，通過重新計算得到的結果，可有效減小由于實際的氣壓、干濕表系數A值偏離查算表引起的查算誤差。

濕球理論表明，雖然通風速度對干濕球系數A值的影響是主要的，但同時還受到濕球形狀、尺寸等諸多因素的影響。因此，要獲得準確的干濕表系數A值，需要使用一級標準標定不同風速下的干濕表系數A值。按照經驗公式依據風速直接計算干濕球系數A值的方法，也是提高測量準確度值得考慮的途經。

3.4 一般建議

實踐表明，濕度變送器在高濕時容易漂移，而干濕表在高濕時則有良好的準確度和穩定性。因此，在濕度試驗設備濕度的實際測量工作中，建議在測量低濕度時使用濕度變送器，而在高濕測量時則使用干濕表。使用干濕表特別需要注意要按照規定的方法進行，例如使用氣象紗布、保持紗布干凈等。

4 結束語

對于從事溫度、濕度測量的工作者來說，溫度、濕度試驗設備的溫度和濕度測量，雖然不是什么特別困難的測量工作，但事實上也是一種較繁瑣的測量工作，一是涉及大量測量前的準備工作，二是涉及大量的測量數據處理。然而，當我們做好前期的相關準備工作之后，后面的測量工作會輕松有效得多。對于在環境試驗中占有如此重要地位的溫度、濕度試驗設備，盡可能提高溫度、濕度測量的準確度，對保證環境試驗的質量是有意義的。

[1] GB/T 5170.1—2008，電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 總則[S].

[2] GB/T 5170.2—2008，電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 溫度試驗設備[S].

[3] GB/T 5170.5—2008，電工電子產品環境試驗設備檢驗方法 濕度試驗設備[S].

[4] GB/T 6999—2010，環境試驗用相對濕度查算表[S].

[5] JJG 229-2010，工業鉑、銅熱電阻檢定規程[S].

[6] JJG 351-1996，工作用廉金屬熱電偶檢定規程[S].

[7] JJF 1101-2003，環境試驗設備溫度、濕度校準規范[S].

[8] 廖理等.熱學計量[M].北京：原子能出版社，2003.

The Parameters Measurement of Environmental Testing Equipments——Temperature and Humidity Testing Equipments

WU Wei-xiong
（The 5th Electronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China, Guangzhou 510610）

In the environmental test, the temperature and humidity test is the most important test. This paper introduces the parameters measurement of temperature and humidity testing equipments. It describes the general requirements for measurement, the choice of measuring instrument, the methods to improve measurement accuracy considering the rationality of economy and meeting the uncertainty of measurement.

testing equipments；parameter；measure；temperature；humidity

TB99

B

1004-7204（2014）01-0051-04

伍偉雄（1966- ），男，高級工程師，主要從事熱學、環境參數的計量技術研究工作。