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淺析高低溫試驗箱校（xiào）準溫度的選擇

作者：網絡編輯：草莓视频网站儀器（qì）來源：網絡發布日期： 2021.05.06

高低溫試驗箱是開展溫度環境適應性試驗必不可（kě）少的硬件設備。定期（qī）校準是保（bǎo）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（sī）路，有助於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《環境試驗設備溫度、濕（shī）度校準規範》第（dì）6.1條款開展定期校準，校準（zhǔn）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，溫度偏差用於評價設備空間點溫度與設備顯示溫（wēn）度（dù）的偏離情況，溫度均勻度用於評價設備工作艙空間溫（wēn）度場分布，溫（wēn）度波動度用於評價設備（bèi）溫度重複性（xìng）。其中，溫度偏差是容易出問題的項目，而且隱蔽（bì）性強，需要實驗（yàn）室重點關注。
    在實際工作（zuò）中，某些實驗室在選擇校準溫度時，會選擇能（néng）體現設備（bèi）溫度範圍的極限溫（wēn）度（dù）和常用溫度進行校準，認為隻要這些溫度（dù）點的溫（wēn）度偏（piān）差（chà）滿足（zú）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（zhè）種校準溫度的選擇實（shí）際上存在一定的局限性，不一定適（shì）用實驗室使用的高低（dī）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（de）主要組成包括溫度測量係統、電氣控製係統、製冷/加（jiā）熱係統和空氣循環（huán）係統等四個部分。圖1位溫度調節過程示意圖。

溫度調節（jiē）過程示意圖

    溫度測量係統（tǒng）通過溫度傳感器把感受到的溫（wēn）度轉化成電信號傳輸給電氣控製係統，同時也通（tōng）過（guò）A/D轉（zhuǎn）換顯示在設（shè）備（bèi）麵板（bǎn），即顯示溫度。由於溫（wēn）度測量係統的（de）溫度傳感器參與控製，所以又（yòu）叫溫度控製傳感器。電氣（qì）控製係統將測量結果與設備內置（zhì）的溫度特征參數進行比對，然後通過一係列的動作調節製冷/加熱係統的能量輸出。輸出能量通過空氣循環係統散布到設備工（gōng）作空間，形成一個閉環係統進行溫（wēn）度調節。
    設備空間的溫度值與溫度測量係統的（de）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係統的穩定性和精度，控製係（xì）統的能量輸出和空氣（qì）循環係統的能量傳遞效果。在這些因素綜合作用下，溫度偏差是（shì）不可避（bì）免的。
    當設備加工調試完畢後，控製（zhì）係統（tǒng）和空氣循環係統的對溫度偏差的影響基（jī）本就固化下來，一般不會發生大的變化。而溫度測（cè）量係統在設備使用過程中，相關參數容易產生偏移，導（dǎo）致溫度偏差發生變化。所以設備投用後，溫度測量係統的穩定性和精度是溫度偏差發生變化的主要原因和常見原因。

02、溫度測量係統的設計原理簡介

2.1溫度-阻值非線（xiàn）性原理
溫度測（cè）量係統由溫度傳感器和接（jiē）口電路構成。溫度傳感器有熱電阻（zǔ）和熱電偶兩類。在不同溫度作用下，熱電阻的電（diàn）阻值（zhí）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變成（chéng）可用電信號，經過調校後輸出到電氣控製係統對設備進行溫度調（diào）節（jiē）。因此，溫度測（cè）量係統的輸出是否（fǒu）準確與溫度傳感器和接口電路都有直接關係。

高低溫試驗箱常用的（de）溫度傳感器是PT100鉑電阻傳感器。PT表示傳感器材質為鉑金，100表示（shì）0℃的電阻為（wéi）100歐姆。PT100溫度測量範圍為-200℃～650℃，屬於正電阻型傳感器，即溫度傳感器的阻值隨著溫度升高變大，反之則（zé）變小。阻值與溫（wēn）度的對應關係如圖2中實線（xiàn）所示。

阻值與溫度的對應關（guān）係

    鉑電阻的阻值與溫度的對應（yīng）關（guān）係可以表示成兩個數學（xué）函數關係：
    200 ℃～0 ℃，阻值與溫（wēn）度的函數關係：
    Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
    0 ℃～650 ℃，阻值與溫（wēn）度的函數關係（xì）：
    Rt=R0[1+At+Bt2]
    其中，Rt是（shì）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（shàng）兩個函數關係表達式可以看（kàn）出，兩個函數中都包含變量Bt2，所以Rt特征曲線是一（yī）條單調上凸的曲線，溫度和電阻值不是線性對應關係。PT100作為鉑電（diàn）阻溫度傳感器，其電阻值（zhí）與溫度也是非線性（xìng）關係。
    溫度傳感器（qì）輸出的（de）是非線性信號，試驗設備電氣控製係統（tǒng）需要輸入的是線性信號（hào），兩（liǎng）者之間就需要接口電路進（jìn）行線性（xìng）化信號調校。目前，鉑電阻的線性化調校方法有讀（dú）表法、作圖（tú）法和數學公式（shì）法。讀表法就是按照公開發布的（de）阻值-溫度分度表，選取特定的參數作為基準進行信號處理設計。其餘溫度點，則通過阻值補償，使輸出信號貼近分度表給出的（de）參數。
    在GB/T 30121-2013/IEC60751：2008《工業鉑熱電阻及（jí）鉑感溫元件（jiàn）》分度表中，明確規定了PT100各溫（wēn）度點下的溫度-阻值（zhí）對應（yīng）值，數據詳細統（tǒng）一（yī），廣泛應用在國內外高低溫試驗箱接（jiē）口（kǒu）電路線性化調校算法中，屬於高低溫試驗箱測量係統設（shè）計的基礎參數之一。
    2.2設備調校方式
    雖（suī）然設備廠家在信號處理算法設計中，基本（běn）上都采用GB/T30121-2013/IEC60751：2008標準（zhǔn）中溫度-阻值分（fèn）度表給出的參（cān）數，但由於廠家算法（fǎ）不一（yī）樣，信（xìn）號調校的方式也存在差異，歸納起來就是存（cún）在整體調校和多點調校兩種。具體是（shì）采用哪種方式進行調校（xiào）的，需要查詢（xún）廠（chǎng）家提（tí）供的設備資（zī）料。
    整體調校設計是（shì）以設備（bèi）溫度範圍的上下限溫（wēn）度對應（yīng）的阻值作為基準，將兩點連線（xiàn）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（wéi）特征（zhēng）曲（qǔ）線。整體調校的設備，整個溫度（dù）範圍內的溫（wēn）度變化（huà）趨勢是相互關聯的。當某個溫度點出現變化，整條特征曲線都（dōu）會發生變化，上（shàng）下限溫（wēn）度（dù）一定會同時或單獨發生同（tóng）向變化。
    多點（diǎn）調（diào）校設計是將設備溫度範圍分成多個溫度段，每段選取兩個端點溫度的（de）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（xiàn）性變化特征曲線。由於（yú）設備整個溫度範圍內的特征曲線通過多條折線模擬的，業界（jiè）也稱之為多點折線調校。多點調校的設備（bèi），隻有處於同一溫（wēn）度段的溫度才（cái）存在關聯關係。當某一溫度發（fā）生偏移（yí），隻有處於同一段的溫度才會受影響，不影響其他溫度段的溫（wēn）度。

03、案例分析（xī）

    國內某知名科研院所（suǒ）實（shí）驗室的年度校準計劃中，按照GB/T5170.2-2017/8.1.2條款推薦，結合實驗室使用需求，校準溫度統一選取了-70℃、-55℃、-10℃、40℃、85℃、125℃、150℃等（děng）7個溫度點。
    案例一
    查閱某型號的（de）高低溫試（shì）驗箱校準證書，其溫度偏差數據見表1。查詢設備（bèi）相（xiàng）關資料，設備（bèi）容積為1立方米，溫度範圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試驗方法要求。根據廠方提供的資料，該（gāi）設備溫度屬於多點調校設計，溫度調校點為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果隻看校準數據，按照GB/T2423.1或GB/T2423.2對溫度偏差的要求，這些溫度點的（de）溫（wēn）度偏差都小於±2℃，滿足標（biāo）準方法（fǎ）規定。但是，當利用這（zhè）些校準數據進一步分析設備整個溫度範圍的（de）溫度偏差時，就會發現以下兩（liǎng）個方麵問（wèn）題：
     1）校準溫度（dù）-70℃和-55℃屬於設備-70℃～-45℃溫度調校段。由於同一溫度段的溫度偏移變化趨勢是一（yī）致的，所以按此趨勢經過（guò）推算，-45℃溫（wēn）度偏差約為+2.5℃，已經超出了標準方法規定。同（tóng）理，校準（zhǔn）溫度85℃和125℃屬於設（shè）備70℃～125℃溫度調校段，則可以算出（chū）70℃的溫度偏差約為（wéi）-0.6℃。

2）設備-10℃～-5℃和-5℃～40℃溫（wēn）度段分別都隻有（yǒu）一（yī）個溫度點，無法推（tuī）算出-5℃的溫度偏差，無法判斷（duàn）這兩段溫度的變化趨勢，因此無法判斷-10℃～-5℃～40℃區間的溫度偏差（chà）是否滿足不大於±2℃的要求。

溫（wēn）度偏差數（shù）據

案例二（èr）
查閱某型號的高低溫試（shì）驗箱校準證書，其溫度偏（piān）差數（shù）據見表2。查詢設備相關資料，設備容積為0.2立方米，溫度範圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試驗方法要（yào）求。根據廠方提供的資料，該設備溫度屬於整體調（diào）校（xiào）設計。

以X軸為溫度軸，Y軸作為溫度偏差軸。根據校準數據，將-70℃和150℃的（de）溫度偏差連起來，可以發現該連線圍繞（rào）X軸（zhóu）的某一溫度點發生了旋轉，其它（tā）溫度都隨著連線的旋（xuán）轉方（fāng）向產生同向偏移。所有校準（zhǔn）溫度的溫度偏差（chà）都滿足標準方法要求。

校準溫（wēn）度的溫度偏差（chà）

案例（lì）一中的設備屬於（yú）多點調校，實驗室選取的校準溫度就（jiù）不足以反映設備的整（zhěng）體性（xìng）能，隻能代表校準（zhǔn）溫度的偏移（yí）情況。案例二中的設備屬於整體調校，實（shí）驗室選取的校準溫（wēn）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（qià）當，不能完全適用實驗室所用的試驗設備。

04、風險與防（fáng）範

    選擇的校準（zhǔn）溫度不合理，會給實驗室帶來技術風險和經濟風險，進而影響（xiǎng）相關組織或用戶對實驗室質量控製工作的質疑，造成社會（huì）負麵影響。
    技術風（fēng）險方麵，會影響實驗室檢測結果的有效性，導（dǎo）致（zhì）實驗（yàn）室（shì）報告的檢測結果存在錯誤。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（wēn）度，考核產品在該溫度下的性能和功能。黑盒法（fǎ）則是根據產品的某個信號，要求實驗室給出對應的溫度值。對於多（duō）點調校的設備（bèi），實驗室（shì）如使用非校準溫度點開展白盒法試驗，或試驗方法屬於黑盒法，校（xiào）準（zhǔn）溫度選擇不合理則檢測結果存在風險，影（yǐng）響（xiǎng）實（shí）驗室的外部質量控製結果，進而（ér）影（yǐng）響相關組織對實驗室資質的認可（kě）或認定，造成社會負（fù）麵影響。
    經濟風險方麵，會增加實驗室校準成本，耽誤設備投用（yòng）時間。計量機構的標準報價中一般都隻包含4～5個溫度點。校準（zhǔn）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（wéi）校準（zhǔn）溫度點數量過多，增加校準支（zhī）出。同時，實驗（yàn）室對設備校準前狀態不（bú）清楚，在（zài）溫度偏差已經超差的情況下進行校準，導致二次校準（zhǔn），不僅耽誤（wù）時間也會（huì）造成額外的校準成本（běn）。
    測量人員應充分（fèn）理解（jiě）GB/T 2423.1-2008和為了避免校準溫度選擇風（fēng）險，兼顧實驗室的設備校準（zhǔn）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：
     實驗室在製定校準（zhǔn）計劃（huá）前，應查（chá）閱設備資料，了解設備溫度（dù）調校（xiào）設計方式，編（biān）製設備（bèi）校準方案並實時更新，指導設（shè）備校準計劃製定。
    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。
     每次校準後，實驗室應盡量收集保存設備當前狀態的（de）相關數據，留作後續校準計劃的製定參考。
    在新一輪校準計劃製定時，實驗室應對設備當前（qián）狀態進行確認，對比以（yǐ）前的數據，分析可能存在的溫度偏差超差（chà）點，采取必要的維護維修工作。
     如果實驗室選擇的校準溫度（dù）值（zhí）或溫度點（diǎn）數量不能充分反映設備的整（zhěng）體性能（néng），實驗室應分析可能存在的風險，並告知設備使（shǐ）用者。

結論

實驗（yàn）室在選擇高低溫試驗箱校準溫度時，應（yīng）充分了解設備的相關信息，分析設備使用狀態，製定文件化的校準方案，建立科學係統的管理方式，才能降低校準溫度選擇風險（xiǎn），避免可能（néng）遇到的技術風險和經濟風（fēng）險，提升檢（jiǎn）測結果的有效性（xìng），實（shí）現低風險、低成本、高質量的校準管理。

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