环境试验设备参数测量——温度和湿度试验设备

伍伟雄

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

环境试验设备参数测量
——温度和湿度试验设备

伍伟雄

（工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610）

温度和湿度试验是环境试验中最重要的试验。对温度、湿度试验设备参数的测量，在考虑经济合理和满足规定测量不确定度的情况下，本文阐述测量中的一般要求、测量仪器的选择、提高测量准确度的方法等。

试验设备；参数；测量；温度；湿度

引言

温度和湿度试验是环境试验中最重要的试验。对机载电子设备全年的故障进行分析表明，由温度引起的故障约占22.2%，由湿度引起的故障约占10%，由振动引起的故障约占11.4%，由沙尘引起的故障约占4.2%，由盐雾引起的故障约占1.9%，由冲击引起的故障约占1.1%，由其他原因引起的故障约占47.3%。由此分析统计得到的情况可以看出，50%以上的故障是由各种环境因素引起的，而温度、湿度环境因素造成电子设备约32.2%的故障率，可见温度、湿度试验在环境试验中的重要性。

为保证温度、湿度试验量值的准确可靠，我国在上世纪八十年代就分别制定了温度试验设备、湿度试验设备的检验方法国家标准和技术条件国家标准；在2003年制定了环境试验设备温度、湿度校准规范。虽然相关标准对温度、湿度试验设备参数测量的要求不算很高，谈不上是高准确度的测量，但温度、湿度试验设备的使用量非常大，测量所使用的仪器既要经济合理，又能满足规定的测量不确定度。

1 概述

温度试验设备通常有低温试验设备、高温试验设备、高低温试验设备、温度冲击试验设备、快速温度变化试验设备等。带有制冷装置的温度试验设备的温度范围一般在-80℃～180℃之间，使用液氮辅助制冷时温度可达-100℃以下，无制冷装置的温度试验设备的温度范围一般在50℃～300℃之间，快速温度变化试验设备的温度变化速率可达30℃/min以上。湿度试验设备一般带有高低温功能，温度范围一般在-70℃～180℃之间，湿度范围在20%RH～100%RH之间。只有固定温湿度点功能而无高低温功能的设备很少，湿度低于20%RH的设备也不多。

温度、湿度试验设备产生一定空间的温度、湿度环境，按照相关试验方法的要求，有效工作空间内任意位置的温度、湿度的偏差、均匀性、稳定性等应满足规定的要求。因此，对试验设备温度、湿度的测量，需要对有效工作空间内多个位置进行测量，各个位置测量得到的温度、湿度均应满足规定的偏差要求，同时按规定的方法计算空间的温度、湿度的均匀性和稳定性等，也应满足规定的要求。

2 温度测量

2.1 一般要求

相关标准对温度、湿度试验设备温度偏差的要求，在5℃～200℃的温度范围内一般允许偏差±2℃，在小于5℃和大于200℃以及设备容积较大时一般允许偏差±3℃，个别试验如长霉试验时要求允许偏差±1℃。按照一般的原则，温度测量仪器的允差，应不大于设备温度允许偏差的1/3。这就要求温度测量仪器在5℃～200℃时，允差小于±0.66℃，小于5℃和大于200℃时，允差应小于±1℃，测量长霉试验设备时，允差甚至要小于±0.33℃。

2.2 测量仪器的选择

按照温度、湿度试验设备相关标准的要求，设备工作空间的容积小于或等于2m3时，至少需要测量工作空间9个位置的温度，工作空间的容积大于2m3时，则至少需要测量工作空间15个位置的温度，且要求在30min内测量30（或15）组数据。按照既要经济合理，又要满足测量不确定度要求的原则，显然不适合使用多台温度测量仪器测量各个位置的温度。因此，选择多通道且带有自动巡检功能的温度测量仪器，是降低测量成本和减轻测量劳动强度的最佳选择。

应用广泛且适用于测量温度、湿度试验设备工作空间空气温度的温度测量仪器，实际上没有太多的选择，合适的也只有由铂电阻温度传感器或热电偶温度传感器与电测仪器组成的温度测量系统。通过使用多支铂电阻温度传感器或热电偶温度传感器，配上具有多个通道且具有巡检功能的电测仪器，可以方便地测量设备工作空间各个位置的温度。如果选择铂电阻温度温度计测量温度、湿度试验设备，可选择的主要是工业铂电阻温度计，常见的、使用量大的工业铂电阻温度计，主要是Pt100的铂电阻温度计。如果选择热电偶温度计测量温度、湿度试验设备，可选择的主要是工作用廉金属热电偶温度计。

对照国际标准化的工业铂电阻温度计和工业常用廉金属热电偶温度计的技术性能,考虑到温度、湿度试验设备的温度范围一般在-80℃～300℃之间，只有线绕元件的A级铂电阻能够满足测量范围和允差要求，其它的要么测量范围不能覆盖-80℃～300℃，要么允差不能达到要求。因此，由A级线绕元件的铂热电阻制成的铂电阻温度计，是用于测量温度、湿度试验设备的最佳选择。热电偶温度计的允差较大，实践也证明了其稳定性相对较差，因此一般不建议使用热电偶温度计测量温度、湿度试验设备，如在某些情况下需要使用热电偶温度计，则需要逐点校准并修正使用，同时特别需要注意考虑其稳定性问题。

对于由铂电阻温度计与电测仪器组成的温度测量系统来说，电测仪器采用6位半带多通道巡检功能的数据采集器是最佳的选择。一般而言，6位半带多通道巡检功能的数据采集器，铂电阻温度测量误差一般小于0.06℃，与A级铂电阻温度计的误差相比，6位半数据采集器的测量误差已足够小，考虑到6位半带多通道巡检功能的数据采集器的使用非常普及，价格也较适中，因此是最经济又能满足测量要求的选择。

2.3 提高工业铂电阻温度计测量的准确度

使用线绕元件铂电阻制成的A级铂电阻温度计，是测量温度、湿度试验设备的最佳选择，在技术指标上可以满足不大于被测量对象允差的1/3的基本要求，例如在200℃时，A级铂电阻温度计的允差为±0.55℃，小于设备200℃时允差±2℃的1/3。然而，铂电阻温度计±0.55℃的测量误差，再考虑其稳定性方面的因素，这样的测量结果，测量不确定度依然比较大。采用对铂电阻温度计与数据采集器组成的温度测量系统的测量结果进行修正的方法，可有效减小测量不确定度，但需要对温度测量系统进行较小温度间隔的校准，这除了增加温度测量系统校准的成本之外，使用时的实际操作也不方便。随着便携式计算机技术的发展，现在的计算机辅助测量已十分普及，使用计算机自动采集和处理测量数据是一种必然趋势。对按国际标准化生产的工业铂电阻温度计而言，如进行重新分度，辅以计算机辅助测量，则可有效提高测量准确度，使用起来也比修正测量结果的方法简单和方便，也降低了本身溯源性检定或校准的成本。

对工业铂电阻温度计重新分度，只需要知道0℃时对应的电阻值和任意3个温度点对应的电阻值，即可依据工业铂电阻温度计的分度公式求得新的A、B、C系数值。例如，如果对-80℃～300℃测量范围内重新分度，则可分别校准-80℃、0℃、100℃、300℃时的电阻值，代入分度公式求出新的A、B、C系数值。铂电阻温度计重新分度后，产生的最大分度误差约0.05℃左右，与6位半以上准确度的数据采集器组成温度测量系统，整个测量系统的误差可望达到0.1℃以内，这样对温度、湿度试验设备进行温度测量时，可有效减小测量结果的不确定度。在实际使用中，如果使用计算机辅助测量，可以把重新分度得到的A、B、C系数值置入测量软件中，比使用修正测量结果的方法要方便和实用得多。在较大的温度范围内，对铂电阻温度计的校准也只需校准4个温度点，减小铂电阻温度计溯源性检定和校准的成本。对没有使用计算机辅助测量而言，把分度公式和A、B、C系数值输入EXCEL电子表格中，则可以很方便地编制出新的分度表，然后对照新的分度表使用。

2.4 需要注意的一些问题

虽然工业铂电阻温度计重新分度后，可有效减小测量误差，然而，工业铂电阻温度计的设计，需要考虑到工业应用中常见的振动、冲击等诸多因素，铂丝的绕制不是无应力设计的，它的重复性和稳定性无法与无应力结构的标准铂电阻温度计相比。因此，不要指望重新分度后它的准确度就能达到标准级的水平，它的重复性和稳定性同样是引起测量误差变化的一个重要因素。在实际应用中，重新分度后，要密切关注其稳定性的变化。采用对工业铂电阻温度计重新分度使用的方法，就不一定需要选择A级的铂电阻，这时需要关注的是它的稳定性和重复性，只要稳定性和重复性足够好，选择B级甚至C级铂电阻当然也没有问题。

与铂电阻温度计相比，热电偶温度计的测量误差要大得多，但热电偶的响应速度比铂电阻要快得多。用极小偶丝制成的热电偶，响应速度可达毫秒级水平。因此，当测量快速变化的温度变化速率时，使用热电偶温度计会更合适。

尽管相关标准对温度传感器的长度未作出规定，但应尽可能短。对于这个问题，可能被大多数人忽略了，对于使用线绕元件的铂热电阻制成的铂电阻温度计而言，温度计测量得到的温度，是线绕元件长度位置的平均温度，如果太长，则已不能代表某一位置的温度，而是某距离长度内的平均温度。

3 湿度测量

3.1 一般要求

相关标准对湿度试验设备湿度偏差的要求，一般是在25℃～65℃的温度范围内，当湿度大于或等于75%RH时，湿度偏差±3%RH，当湿度小于75%RH时，湿度偏差±5%RH。也有一些特殊的、比较少使用的试验要求，例如温度85℃、湿度85%RH，温度90℃、湿度95%RH等。按照湿度量值传递系统表的要求，允差±1%RH的一级湿度标准，传递允差±2%RH的二级湿度标准，二级湿度标准传递允差±（5～7）%RH的湿度工作计量器具。这就要求湿度测量仪器在测量湿度偏差±3%RH的湿度试验设备时，测量误差应小于±1.5%RH。

3.2 测量仪器

按照湿度试验设备相关标准的要求，设备工作空间的容积小于或等于2m3时，至少需要测量工作空间3个位置的湿度，工作空间的容积大于2m3时，则至少需要测量工作空间4个位置的湿度。应用广泛、使用量很大的湿度试验设备，如果按照湿度量值传递的要求，二级湿度标准不能满足测量要求，需要使用一级湿度标准。一级湿度测量标准，只有精密露点仪和标准通风干湿表。精密露点仪价格昂贵，如果用于测量湿度试验设备，并不符合经济合理的原则。标准通风干湿表受温度使用范围小、体积大等诸多因素的制约，也不适合用于湿度试验设备的湿度测量。因此，既要满足测量要求，又要经济合理，选择合适的湿度测量仪器十分重要。

基于经济合理的现实选择，与温度测量仪器的选择一样，应用广泛且适用于测量湿度试验设备工作空间空气湿度的湿度测量仪器，也没有太大的选择余地，合适的也只有由铂电阻等温度计组成的干湿表和湿敏元件制成的湿度变送器（湿度传感器）。干湿表的温度测量，可以使用湿度试验设备温度测量时所用的数据采集器来测量，不必再单独配置测量仪器。同样，湿度变送器的电信号测量，也可以使用湿度试验设备温度测量时所用的数据采集器来测量。

3.3 湿度测量中的技术处理

湿敏元件制成的湿度变送器（湿度传感器）的允差一般在±2%RH～±5%RH之间。使用湿度变送器测量湿度试验设备时，需要用一级湿度标准逐点校准并修正使用，这样才能满足量值传递的测量要求。同时，还需要密切关注其稳定性的变化。

湿度试验设备湿度测量中所使用的干湿表法，即GB/T 5170.5—2008《电工电子产品环境试验设备检验方法 湿热试验设备》附录B干湿表法测量相对湿度所述的方法，主要是通过测量干球温度计和湿球温度计的温度，以及测量气压和温度计球部的风速，然后用GB/T 6999—2010《环境试验用相对湿度查算表》查算湿度。GB/ T 6999—2010仅给出了气压80kPa、90 kPa 、100 kPa、110 kPa，风速0.4m/s、0.8m/s、2.5m/s对应的查算表，在实际应用中，设备的实际风速、气压很难与查算表的风速、气压一致，只能使用靠近的方法去查表。例如，当球部实际风速为1.6m/s时，按照靠近原则，此时需要选择0.8m/s风速对应的干湿表系数A值0.0007947℃-1查表，而实际上1.6m/s风速时干湿表系数A值约为0.000708℃-1（球状干湿表），此时若按干湿球湿度理论公式计算得到的结果，与按0.8m/s风速查表得到的结果相比，差别是显著的，尤其在湿度较低时。同理，当球部实际气压偏离查算表给出的气压时，查表得到的结果与通过实际气压计算得到的结果相比，差别也是明显的。因此，使用干湿表测量湿度，除了需要准确测量干球温度、湿球温度、气压、球部风速之外，还需要通过适当的计算处理，才能消除由查表引起的查算误差。

实际上，由于计算机辅助测量的普及使用，使用计算机自动采集和处理测量数据已较普遍，完全可以按干湿球湿度理论公式（参见GB/T 6999—2010）重新计算出湿度。在准确测量干球温度、湿球温度、气压、球部风速的基础上，合适选取球部风速对应的干湿表系数A值，通过重新计算得到的结果，可有效减小由于实际的气压、干湿表系数A值偏离查算表引起的查算误差。

湿球理论表明，虽然通风速度对干湿球系数A值的影响是主要的，但同时还受到湿球形状、尺寸等诸多因素的影响。因此，要获得准确的干湿表系数A值，需要使用一级标准标定不同风速下的干湿表系数A值。按照经验公式依据风速直接计算干湿球系数A值的方法，也是提高测量准确度值得考虑的途经。

3.4 一般建议

实践表明，湿度变送器在高湿时容易漂移，而干湿表在高湿时则有良好的准确度和稳定性。因此，在湿度试验设备湿度的实际测量工作中，建议在测量低湿度时使用湿度变送器，而在高湿测量时则使用干湿表。使用干湿表特别需要注意要按照规定的方法进行，例如使用气象纱布、保持纱布干净等。

4 结束语

对于从事温度、湿度测量的工作者来说，温度、湿度试验设备的温度和湿度测量，虽然不是什么特别困难的测量工作，但事实上也是一种较繁琐的测量工作，一是涉及大量测量前的准备工作，二是涉及大量的测量数据处理。然而，当我们做好前期的相关准备工作之后，后面的测量工作会轻松有效得多。对于在环境试验中占有如此重要地位的温度、湿度试验设备，尽可能提高温度、湿度测量的准确度，对保证环境试验的质量是有意义的。

[1] GB/T 5170.1—2008，电工电子产品环境试验设备检验方法 总则[S].

[2] GB/T 5170.2—2008，电工电子产品环境试验设备检验方法 温度试验设备[S].

[3] GB/T 5170.5—2008，电工电子产品环境试验设备检验方法 湿度试验设备[S].

[4] GB/T 6999—2010，环境试验用相对湿度查算表[S].

[5] JJG 229-2010，工业铂、铜热电阻检定规程[S].

[6] JJG 351-1996，工作用廉金属热电偶检定规程[S].

[7] JJF 1101-2003，环境试验设备温度、湿度校准规范[S].

[8] 廖理等.热学计量[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

伍伟雄（1966- ），男，高级工程师，主要从事热学、环境参数的计量技术研究工作。