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淺析高低溫試驗箱校（xiào）準溫度的選擇

作（zuò）者：網絡編輯（jí）：草莓视频网站儀器來源（yuán）：網絡發布日期： 2021.05.06

高（gāo）低溫試驗箱是開展溫度環境適應性試驗必不可少的硬（yìng）件設備。定期校準是保證（zhèng）設備性能指標有效性的常用手段。本文闡明（míng）了影響溫度準確性的原因、風險和解決思路，有助於實驗室校準溫（wēn）度的（de）選擇。

引言

    高低溫試驗箱（以下簡稱（chēng）“設備”）是實現環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、濕度校準規範（fàn）》第（dì）6.1條（tiáo）款開展定期校準，校準項目包括溫度偏差、溫（wēn）度均勻度和溫（wēn）度波動度。
    在三個校（xiào）準項（xiàng）目中，溫度偏差用於評價設備空間點溫度與設備顯示溫度的偏（piān）離情況，溫度均勻度用於評價設備工作艙空間溫度（dù）場分布，溫度波（bō）動度用於評價設備溫度重複性。其中，溫度偏差是（shì）容易出問題的項目，而且（qiě）隱蔽性（xìng）強，需要實驗室（shì）重點關注。
    在實際工作中，某些（xiē）實驗室在選擇校準溫度時，會選擇能體現設備溫度範圍（wéi）的極限溫（wēn）度和常用溫度進行校準，認為隻（zhī）要（yào）這些溫度點的溫度偏差滿（mǎn）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（shì）使（shǐ）用的（de）高低溫試驗箱。

01、影響溫度偏差變化的主要（yào）原因

高低溫（wēn）試（shì）驗箱的主要組成包（bāo）括溫度測量係統、電氣控製係統、製冷/加（jiā）熱係統和空氣循環係統等四個部分。圖1位溫度調節過程示意圖。

溫度調節過程示意圖

    溫度測量係統通過溫度傳感器把感受到的（de）溫（wēn）度轉化成電（diàn）信號傳輸給（gěi）電氣控製係統，同時也通過A/D轉換顯示在設備麵板，即（jí）顯示溫度。由於溫度測量係統的溫度傳感器參與（yǔ）控製，所以又叫溫（wēn）度控（kòng）製傳感器。電氣控製係（xì）統將測量結果與設備內置的溫度特征參數進行比對（duì），然後通（tōng）過一係列的動作調節製冷/加熱（rè）係統的能量（liàng）輸出（chū）。輸出能量通過（guò）空氣循環係統散布到設備工作空間，形成一個閉環係統進行溫度調節。
    設備空間的溫度值與溫度測量係統的測量（liàng）值之間的差（chà）值（zhí）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，控製係統的能量輸出和空氣（qì）循環係（xì）統的能量傳遞（dì）效果。在這些因素綜（zōng）合作用下，溫度偏差（chà）是不可避免的（de）。
    當設備加工調試完畢後，控製係統和空氣循環係統的對（duì）溫度偏差的（de）影響基本就固化（huà）下來，一般不會發生大的變化。而溫度測量係統在設備使用過程中，相關參數容易產生偏移，導致溫度偏差發生變化。所以（yǐ）設備投用後，溫度測量係統（tǒng）的穩定性和精度是（shì）溫度偏差（chà）發生變化的主（zhǔ）要原因和常見原因。

02、溫度測量（liàng）係統的設（shè）計原理簡介

2.1溫度-阻值非線性原理（lǐ）
溫（wēn）度測量係統由溫度傳感器和接口電路構成。溫（wēn）度傳感器有（yǒu）熱電阻和熱電（diàn）偶兩類。在（zài）不同溫度（dù）作用下（xià），熱電阻的電阻（zǔ）值或熱電偶的電流會產（chǎn）生變化。接口（kǒu）電路（lù）把電阻或電（diàn）流變化情況轉變成可用電信號（hào），經過調校後輸出到電氣控製係統對設備進行溫度調節。因此（cǐ），溫度測量係統的輸出是否準確與溫度傳（chuán）感器和接口電路都有直接關係。

高低溫試驗箱常用（yòng）的溫度傳感器是PT100鉑電阻傳感器。PT表示傳感器材質為鉑金，100表示0℃的電阻為100歐姆。PT100溫度測量（liàng）範（fàn）圍為-200℃～650℃，屬於正電阻型傳感器（qì），即溫度傳感器的阻值（zhí）隨著溫度升高（gāo）變大，反之則（zé）變小。阻值與溫度的對應關係如圖2中實線所示。

阻值（zhí）與溫度的對（duì）應關係

    鉑（bó）電阻的阻值（zhí）與溫度的對應關係可以表示成（chéng）兩個數學函數關係：
    200 ℃～0 ℃，阻值與溫度的函數關係：
    Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
    0 ℃～650 ℃，阻值與（yǔ）溫度的函數關（guān）係：
    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（tè）定常數。
    從以（yǐ）上兩個（gè）函數關係表達式可以（yǐ）看（kàn）出，兩個函數中都（dōu）包含變量Bt2，所以Rt特征曲線是一條單調上凸的曲線，溫度和電阻值不是線性對應關係。PT100作為鉑電阻（zǔ）溫度傳（chuán）感器，其電阻值與（yǔ）溫度也是非（fēi）線性（xìng）關係。
    溫度傳感器輸出的是非線性（xìng）信號，試驗設備電（diàn）氣控製係統需要輸入的是線性信號，兩者之間就需要接口電路進（jìn）行線性化信（xìn）號（hào）調校。目前，鉑電（diàn）阻（zǔ）的線性化調校方法有讀表法、作圖法和數學公式法（fǎ）。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（zhǔn）進行信號處理設（shè）計。其餘溫度點，則通過阻（zǔ）值補償，使輸出信（xìn）號貼（tiē）近分度表給出的參數。
    在GB/T 30121-2013/IEC60751：2008《工業鉑熱電阻及鉑感溫元（yuán）件》分度（dù）表中，明確規定了PT100各溫度點下的溫度-阻（zǔ）值對應（yīng）值，數據詳（xiáng）細（xì）統一，廣泛（fàn）應用（yòng）在國內外高低溫試驗箱接口電路線性化調校算法中，屬於高低溫（wēn）試驗箱測量係（xì）統（tǒng）設計的基礎參數之一。
    2.2設備（bèi）調校（xiào）方式
    雖然設備廠家在信號處理算法設計中（zhōng），基本上都采用GB/T30121-2013/IEC60751：2008標準中溫度（dù）-阻值分度表給出的參（cān）數，但由於廠家算法不一樣（yàng），信（xìn）號調校的方式也存在差異，歸納起來就是存在整體調校和多點調校兩種。具體是采用哪種方式進行調校的，需要查（chá）詢廠家提（tí）供的設備資料。
    整體調校設計（jì）是以設備溫度範圍（wéi）的上下限溫度（dù）對應（yīng）的阻值作（zuò）為基準，將兩點連線作為基準線，選取中間某（mǒu）幾點溫度的阻值作為參照，模擬出一條（tiáo）溫度-阻值線性變（biàn）化線段作為特征曲線。整體（tǐ）調校的設備（bèi），整個溫（wēn）度範圍內的（de）溫（wēn）度（dù）變化趨勢是相互關聯的。當某個溫度點出現變化（huà），整條特征曲線（xiàn）都會發生變化（huà），上下限溫度一定（dìng）會同時或單獨發生同（tóng）向變化。
    多點調校設計是將（jiāng）設（shè）備溫度範圍（wéi）分成（chéng）多個溫度（dù）段，每段選取（qǔ）兩個（gè）端點溫度的阻值作為基準，將兩點連線作（zuò）為基準線，模擬出（chū）一條溫度-阻值線性變化特征曲線。由於（yú）設備整個溫度範圍內的特征曲（qǔ）線通過多（duō）條折線模擬的，業界也稱之為（wéi）多點（diǎn）折線調校。多點（diǎn）調（diào）校的設備，隻有處於同一溫度段的溫（wēn）度才存在關聯關係。當某一溫度發生（shēng）偏移，隻有處於同一段的溫度才會受影響，不影響其他溫（wēn）度段的（de）溫度。

03、案例分析

    國內某知名科研院所實驗（yàn）室（shì）的年度校（xiào）準計劃中，按照GB/T5170.2-2017/8.1.2條款推薦，結合實驗室使（shǐ）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（yuè）某型號的高低溫試驗箱校準證書，其溫度（dù）偏差數據（jù）見表1。查詢設備相關資料，設（shè）備容積為1立方米，溫度範圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試（shì）驗（yàn）方法要求。根據廠方提供的資料，該設（shè）備溫度屬於多點調校設計，溫度調校（xiào）點為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果隻看校準數據，按（àn）照GB/T2423.1或（huò）GB/T2423.2對溫度（dù）偏差（chà）的要（yào）求，這些（xiē）溫度（dù）點的溫（wēn）度偏差都小於±2℃，滿足標準方（fāng）法規定。但（dàn）是，當利用這些校準數據進一步分析設備整（zhěng）個溫度（dù）範圍的溫度偏差時，就會發現以下兩個方麵（miàn）問題：
     1）校準溫度-70℃和-55℃屬於設備-70℃～-45℃溫（wēn）度（dù）調校段。由於同一溫度段（duàn）的（de）溫度偏移變化（huà）趨勢是一致（zhì）的，所以按此趨勢經過推算，-45℃溫度偏差約為+2.5℃，已（yǐ）經超出了（le）標準（zhǔn）方法規定（dìng）。同理，校準溫度85℃和125℃屬於（yú）設備70℃～125℃溫（wēn）度調校段，則可以算出70℃的溫度（dù）偏差約為-0.6℃。

2）設備-10℃～-5℃和-5℃～40℃溫度段分別都隻有一個溫度點，無法推（tuī）算出-5℃的溫（wēn）度偏差，無法判斷（duàn）這兩段溫度的變化（huà）趨勢，因此無法判斷-10℃～-5℃～40℃區間的溫度偏差是否滿足不大（dà）於±2℃的要求。

溫度偏差數據

案例二（èr）
查閱（yuè）某型號的高低溫試驗箱校準證書，其溫度偏差數據見（jiàn）表2。查詢設備（bèi）相關資料，設備（bèi）容積為0.2立方米（mǐ），溫度範圍為-70℃～150℃，滿足GB/T2423.1和GB/T2423.2試驗方法要求。根據（jù）廠方（fāng）提供的資料，該（gāi）設備溫度屬於整體調校設計。

以X軸為溫度軸（zhóu），Y軸作為溫度偏差軸。根據校準（zhǔn）數據，將-70℃和150℃的溫（wēn）度偏（piān）差連起來，可以發現（xiàn）該連線圍（wéi）繞X軸的（de）某一溫度點（diǎn）發生了旋（xuán）轉，其它溫（wēn）度都隨著（zhe）連線的旋轉方向產生同向（xiàng）偏移（yí）。所（suǒ）有校準溫度的（de）溫度偏差都滿足標準方法要求。

校準（zhǔn）溫度的溫度偏（piān）差

案例一中的設（shè）備（bèi）屬於多點（diǎn）調校，實驗室選取的校準溫（wēn）度就不足以反映設備的整體性能，隻能代表校準溫（wēn）度（dù）的偏移（yí）情況。案例（lì）二中的（de）設備屬於整體調校，實驗室選取的校（xiào）準溫度能反映設備的整體性能。所以實驗室（shì）選取的校準溫度不恰當，不能完全適用實（shí）驗室所用的試驗設備。

04、風險（xiǎn）與防（fáng）範

    選擇的校準溫度不合（hé）理，會給實驗室帶（dài）來技術風險和（hé）經濟風險，進而影響相關組織或用（yòng）戶對實驗室質量控製工作（zuò）的質疑，造成社會負麵影響。
    技術風險方（fāng）麵，會影響實驗室檢測（cè）結果的有效性，導致實驗室報告的檢測結果存在錯誤。溫度試驗有兩種形式：白盒法（fǎ）和黑盒法。白盒法（fǎ）就是已知試驗（yàn）溫度，考核產品在該溫度下的性（xìng）能和功能。黑盒法則是根據產品的某個信號，要求實（shí）驗室給出對應的溫度值。對於多點調校的設備，實驗（yàn）室如使用非（fēi）校準溫度點開展白盒法試驗，或試驗方法屬（shǔ）於黑盒法，校準溫度選（xuǎn）擇不合理則檢（jiǎn）測結果存在風（fēng）險，影響實驗室的外部質量控製結果，進而影響相關組織對實驗（yàn）室資（zī）質（zhì）的認可或認定，造成社會負麵影響。
    經濟風險方麵，會增加實驗室校準成本（běn），耽誤設備投用時（shí）間。計量機構的標準報價中一般都隻包含（hán）4～5個溫度點。校準溫度選擇的不合理，除了不能（néng）反映設備的整體性能以外，還（hái）可能因為校準溫度（dù）點數量過多，增加校（xiào）準支（zhī）出。同時，實驗室對設備校準前狀態不清楚，在溫度偏差已經超差的情況（kuàng）下進行校準，導致（zhì）二（èr）次校準，不僅耽誤時間也會造成額外的校準成本。
    測量人（rén）員應充分（fèn）理解GB/T 2423.1-2008和為了（le）避（bì）免校準（zhǔn）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（yīng）注（zhù）意以下幾個事項：
     實驗室在製（zhì）定校準計劃前，應查閱設備資料，了解設備（bèi）溫度調校設（shè）計方式，編製設備校準方案並實（shí）時更新，指（zhǐ）導設備校準計劃製定。
    首次校準時，選擇的校準溫度應能充分反映設備的整（zhěng）體狀態。
     每次校準後，實驗室應盡量收集保存設（shè）備當前狀態的相（xiàng）關數據，留作後續校準計劃的（de）製定參考。
    在新一輪校準計劃製定時，實驗室應對（duì）設備當前狀態進行確認，對比以（yǐ）前的數據，分析可（kě）能存在的溫度偏差超差（chà）點（diǎn），采取（qǔ）必要（yào）的維護維修工作。
     如（rú）果實驗室選擇的校準溫度值或溫度點數量不能充分反映設備的整體性能，實驗（yàn）室應分析（xī）可能存在的風險，並告（gào）知設備使用者。

結論

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信息，分（fèn）析（xī）設備使用狀（zhuàng）態，製定文（wén）件（jiàn）化的校準方案，建立科學係統的管理方式，才能降低校準溫（wēn）度選擇風（fēng）險，避免可能遇到的（de）技（jì）術風險和經濟風險，提升檢測結果的有效性，實現低風險、低成本、高質（zhì）量的校準管理。

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