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淺析高低溫試驗箱校準溫度的選擇

作者：網(wǎng)絡編輯：瑞凱儀器來源：網(wǎng)絡發(fā)布日期： 2021.05.06

高低溫試驗箱是開展溫度環(huán)境適應性試驗必不可少的硬件設備。定期校準是保證設備性能指標有效性的常用手段。本文闡明了影響溫度準確性的原因、風險和解決思路，有助于實驗室校準溫度的選擇。

引言

    高低溫試驗箱（以下簡稱“設備”）是實現(xiàn)環(huán)境溫度試驗的硬件設備。為了保證設備性能滿足標準方法要求，實驗室一般都按照JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設備溫度、濕度校準規(guī)范》第6.1條款開展定期校準，校準項目包括溫度偏差、溫度均勻度和溫度波動度。
    在三個校準項目中，溫度偏差用于評價設備空間點溫度與設備顯示溫度的偏離情況，溫度均勻度用于評價設備工作艙空間溫度場分布，溫度波動度用于評價設備溫度重復性。其中，溫度偏差是容易出問題的項目，而且隱蔽性強，需要實驗室重點關(guān)注。
    在實際工作中，某些實驗室在選擇校準溫度時，會選擇能體現(xiàn)設備溫度范圍的極限溫度和常用溫度進行校準，認為只要這些溫度點的溫度偏差滿足標準方法要求，則所有溫度點的溫度偏差都滿足標準要求。這種校準溫度的選擇實際上存在一定的局限性，不一定適用實驗室使用的高低溫試驗箱。

01、影響溫度偏差變化的主要原因

高低溫試驗箱的主要組成包括溫度測量系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、制冷/加熱系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)等四個部分。圖1位溫度調(diào)節(jié)過程示意圖。

溫度調(diào)節(jié)過程示意圖

    溫度測量系統(tǒng)通過溫度傳感器把感受到的溫度轉(zhuǎn)化成電信號傳輸給電氣控制系統(tǒng)，同時也通過A/D轉(zhuǎn)換顯示在設備面板，即顯示溫度。由于溫度測量系統(tǒng)的溫度傳感器參與控制，所以又叫溫度控制傳感器。電氣控制系統(tǒng)將測量結(jié)果與設備內(nèi)置的溫度特征參數(shù)進行比對，然后通過一系列的動作調(diào)節(jié)制冷/加熱系統(tǒng)的能量輸出。輸出能量通過空氣循環(huán)系統(tǒng)散布到設備工作空間，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)。
    設備空間的溫度值與溫度測量系統(tǒng)的測量值之間的差值就是溫度偏差。影響溫度偏差的因素包括溫度測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，控制系統(tǒng)的能量輸出和空氣循環(huán)系統(tǒng)的能量傳遞效果。在這些因素綜合作用下，溫度偏差是不可避免的。
    當設備加工調(diào)試完畢后，控制系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)的對溫度偏差的影響基本就固化下來，一般不會發(fā)生大的變化。而溫度測量系統(tǒng)在設備使用過程中，相關(guān)參數(shù)容易產(chǎn)生偏移，導致溫度偏差發(fā)生變化。所以設備投用后，溫度測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度是溫度偏差發(fā)生變化的主要原因和常見原因。

02、溫度測量系統(tǒng)的設計原理簡介

2.1溫度-阻值非線性原理
溫度測量系統(tǒng)由溫度傳感器和接口電路構(gòu)成。溫度傳感器有熱電阻和熱電偶兩類。在不同溫度作用下，熱電阻的電阻值或熱電偶的電流會產(chǎn)生變化。接口電路把電阻或電流變化情況轉(zhuǎn)變成可用電信號，經(jīng)過調(diào)校后輸出到電氣控制系統(tǒng)對設備進行溫度調(diào)節(jié)。因此，溫度測量系統(tǒng)的輸出是否準確與溫度傳感器和接口電路都有直接關(guān)系。

高低溫試驗箱常用的溫度傳感器是PT100鉑電阻傳感器。PT表示傳感器材質(zhì)為鉑金，100表示0℃的電阻為100歐姆。PT100溫度測量范圍為-200℃～650℃，屬于正電阻型傳感器，即溫度傳感器的阻值隨著溫度升高變大，反之則變小。阻值與溫度的對應關(guān)系如圖2中實線所示。

阻值與溫度的對應關(guān)系

    鉑電阻的阻值與溫度的對應關(guān)系可以表示成兩個數(shù)學函數(shù)關(guān)系：
    200 ℃～0 ℃，阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系：
    Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
    0 ℃～650 ℃，阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系：
    Rt=R0[1+At+Bt2]
    其中，Rt是t ℃的電阻值，R0是0 ℃時的電阻值。
    A、B、C為特定常數(shù)。
    從以上兩個函數(shù)關(guān)系表達式可以看出，兩個函數(shù)中都包含變量Bt2，所以Rt特征曲線是一條單調(diào)上凸的曲線，溫度和電阻值不是線性對應關(guān)系。PT100作為鉑電阻溫度傳感器，其電阻值與溫度也是非線性關(guān)系。
    溫度傳感器輸出的是非線性信號，試驗設備電氣控制系統(tǒng)需要輸入的是線性信號，兩者之間就需要接口電路進行線性化信號調(diào)校。目前，鉑電阻的線性化調(diào)校方法有讀表法、作圖法和數(shù)學公式法。讀表法就是按照公開發(fā)布的阻值-溫度分度表，選取特定的參數(shù)作為基準進行信號處理設計。其余溫度點，則通過阻值補償，使輸出信號貼近分度表給出的參數(shù)。
    在GB/T 30121-2013/IEC60751：2008《工業(yè)鉑熱電阻及鉑感溫元件》分度表中，明確規(guī)定了PT100各溫度點下的溫度-阻值對應值，數(shù)據(jù)詳細統(tǒng)一，廣泛應用在國內(nèi)外高低溫試驗箱接口電路線性化調(diào)校算法中，屬于高低溫試驗箱測量系統(tǒng)設計的基礎參數(shù)之一。
    2.2設備調(diào)校方式
    雖然設備廠家在信號處理算法設計中，基本上都采用GB/T30121-2013/IEC60751：2008標準中溫度-阻值分度表給出的參數(shù)，但由于廠家算法不一樣，信號調(diào)校的方式也存在差異，歸納起來就是存在整體調(diào)校和多點調(diào)校兩種。具體是采用哪種方式進行調(diào)校的，需要查詢廠家提供的設備資料。
    整體調(diào)校設計是以設備溫度范圍的上下限溫度對應的阻值作為基準，將兩點連線作為基準線，選取中間某幾點溫度的阻值作為參照，模擬出一條溫度-阻值線性變化線段作為特征曲線。整體調(diào)校的設備，整個溫度范圍內(nèi)的溫度變化趨勢是相互關(guān)聯(lián)的。當某個溫度點出現(xiàn)變化，整條特征曲線都會發(fā)生變化，上下限溫度一定會同時或單獨發(fā)生同向變化。
    多點調(diào)校設計是將設備溫度范圍分成多個溫度段，每段選取兩個端點溫度的阻值作為基準，將兩點連線作為基準線，模擬出一條溫度-阻值線性變化特征曲線。由于設備整個溫度范圍內(nèi)的特征曲線通過多條折線模擬的，業(yè)界也稱之為多點折線調(diào)校。多點調(diào)校的設備，只有處于同一溫度段的溫度才存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。當某一溫度發(fā)生偏移，只有處于同一段的溫度才會受影響，不影響其他溫度段的溫度。

03、案例分析

    國內(nèi)某知名科研院所實驗室的年度校準計劃中，按照GB/T5170.2-2017/8.1.2條款推薦，結(jié)合實驗室使用需求，校準溫度統(tǒng)一選取了-70℃、-55℃、-10℃、40℃、85℃、125℃、150℃等7個溫度點。
    案例一
    查閱某型號的高低溫試驗箱校準證書，其溫度偏差數(shù)據(jù)見表1。查詢設備相關(guān)資料，設備容積為1立方米，溫度范圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試驗方法要求。根據(jù)廠方提供的資料，該設備溫度屬于多點調(diào)校設計，溫度調(diào)校點為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果只看校準數(shù)據(jù)，按照GB/T2423.1或GB/T2423.2對溫度偏差的要求，這些溫度點的溫度偏差都小于±2℃，滿足標準方法規(guī)定。但是，當利用這些校準數(shù)據(jù)進一步分析設備整個溫度范圍的溫度偏差時，就會發(fā)現(xiàn)以下兩個方面問題：
     1）校準溫度-70℃和-55℃屬于設備-70℃～-45℃溫度調(diào)校段。由于同一溫度段的溫度偏移變化趨勢是一致的，所以按此趨勢經(jīng)過推算，-45℃溫度偏差約為+2.5℃，已經(jīng)超出了標準方法規(guī)定。同理，校準溫度85℃和125℃屬于設備70℃～125℃溫度調(diào)校段，則可以算出70℃的溫度偏差約為-0.6℃。

2）設備-10℃～-5℃和-5℃～40℃溫度段分別都只有一個溫度點，無法推算出-5℃的溫度偏差，無法判斷這兩段溫度的變化趨勢，因此無法判斷-10℃～-5℃～40℃區(qū)間的溫度偏差是否滿足不大于±2℃的要求。

溫度偏差數(shù)據(jù)

案例二
查閱某型號的高低溫試驗箱校準證書，其溫度偏差數(shù)據(jù)見表2。查詢設備相關(guān)資料，設備容積為0.2立方米，溫度范圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試驗方法要求。根據(jù)廠方提供的資料，該設備溫度屬于整體調(diào)校設計。

以X軸為溫度軸，Y軸作為溫度偏差軸。根據(jù)校準數(shù)據(jù)，將-70℃和150℃的溫度偏差連起來，可以發(fā)現(xiàn)該連線圍繞X軸的某一溫度點發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，其它溫度都隨著連線的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生同向偏移。所有校準溫度的溫度偏差都滿足標準方法要求。

校準溫度的溫度偏差

案例一中的設備屬于多點調(diào)校，實驗室選取的校準溫度就不足以反映設備的整體性能，只能代表校準溫度的偏移情況。案例二中的設備屬于整體調(diào)校，實驗室選取的校準溫度能反映設備的整體性能。所以實驗室選取的校準溫度不恰當，不能完全適用實驗室所用的試驗設備。

04、風險與防范

    選擇的校準溫度不合理，會給實驗室?guī)砑夹g(shù)風險和經(jīng)濟風險，進而影響相關(guān)組織或用戶對實驗室質(zhì)量控制工作的質(zhì)疑，造成社會負面影響。
    技術(shù)風險方面，會影響實驗室檢測結(jié)果的有效性，導致實驗室報告的檢測結(jié)果存在錯誤。溫度試驗有兩種形式：白盒法和黑盒法。白盒法就是已知試驗溫度，考核產(chǎn)品在該溫度下的性能和功能。黑盒法則是根據(jù)產(chǎn)品的某個信號，要求實驗室給出對應的溫度值。對于多點調(diào)校的設備，實驗室如使用非校準溫度點開展白盒法試驗，或試驗方法屬于黑盒法，校準溫度選擇不合理則檢測結(jié)果存在風險，影響實驗室的外部質(zhì)量控制結(jié)果，進而影響相關(guān)組織對實驗室資質(zhì)的認可或認定，造成社會負面影響。
    經(jīng)濟風險方面，會增加實驗室校準成本，耽誤設備投用時間。計量機構(gòu)的標準報價中一般都只包含4～5個溫度點。校準溫度選擇的不合理，除了不能反映設備的整體性能以外，還可能因為校準溫度點數(shù)量過多，增加校準支出。同時，實驗室對設備校準前狀態(tài)不清楚，在溫度偏差已經(jīng)超差的情況下進行校準，導致二次校準，不僅耽誤時間也會造成額外的校準成本。
    測量人員應充分理解GB/T 2423.1-2008和為了避免校準溫度選擇風險，兼顧實驗室的設備校準成本支出，實驗室在開展設備校準管理時，應注意以下幾個事項：
     實驗室在制定校準計劃前，應查閱設備資料，了解設備溫度調(diào)校設計方式，編制設備校準方案并實時更新，指導設備校準計劃制定。
    首次校準時，選擇的校準溫度應能充分反映設備的整體狀態(tài)。
     每次校準后，實驗室應盡量收集保存設備當前狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，留作后續(xù)校準計劃的制定參考。
    在新一輪校準計劃制定時，實驗室應對設備當前狀態(tài)進行確認，對比以前的數(shù)據(jù)，分析可能存在的溫度偏差超差點，采取必要的維護維修工作。
     如果實驗室選擇的校準溫度值或溫度點數(shù)量不能充分反映設備的整體性能，實驗室應分析可能存在的風險，并告知設備使用者。

結(jié)論

實驗室在選擇高低溫試驗箱校準溫度時，應充分了解設備的相關(guān)信息，分析設備使用狀態(tài)，制定文件化的校準方案，建立科學系統(tǒng)的管理方式，才能降低校準溫度選擇風險，避免可能遇到的技術(shù)風險和經(jīng)濟風險，提升檢測結(jié)果的有效性，實現(xiàn)低風險、低成本、高質(zhì)量的校準管理。

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