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淺析高低溫試驗箱校準溫度的選擇

作者：網絡編輯：瑞凱儀器來源：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、電氣控制系統、制冷/加熱系統和空氣循環系統等四個部分。圖1位溫度調節過程示意圖。

溫度調節過程示意圖

    溫度測量系統通過溫度傳感器把感受到的溫度轉化成電信號傳輸給電氣控制系統，同時也通過A/D轉換顯示在設備面板，即顯示溫度。由于溫度測量系統的溫度傳感器參與控制，所以又叫溫度控制傳感器。電氣控制系統將測量結果與設備內置的溫度特征參數進行比對，然后通過一系列的動作調節制冷/加熱系統的能量輸出。輸出能量通過空氣循環系統散布到設備工作空間，形成一個閉環系統進行溫度調節。
    設備空間的溫度值與溫度測量系統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的穩定性和精度，控制系統的能量輸出和空氣循環系統的能量傳遞效果。在這些因素綜合作用下，溫度偏差是不可避免的。
    當設備加工調試完畢后，控制系統和空氣循環系統的對溫度偏差的影響基本就固化下來，一般不會發生大的變化。而溫度測量系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。所以設備投用后，溫度測量系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、溫度測量系統的設計原理簡介

2.1溫度-阻值非線性原理
溫度測量系統由溫度傳感器和接口電路構成。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生變化。接口電路把電阻或電流變化情況轉變成可用電信號，經過調校后輸出到電氣控制系統對設備進行溫度調節。因此，溫度測量系統的輸出是否準確與溫度傳感器和接口電路都有直接關系。

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系如圖2中實線所示。

阻值與溫度的對應關系

    鉑電阻的阻值與溫度的對應關系可以表示成兩個數學函數關系：
    200 ℃～0 ℃，阻值與溫度的函數關系：
    Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
    0 ℃～650 ℃，阻值與溫度的函數關系：
    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。
    從以上兩個函數關系表達式可以看出，兩個函數中都包含變量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校。目前，鉑電阻的線性化調校方法有讀表法、作圖法和數學公式法。讀表法就是按照公開發布的阻值-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。
    在GB/T 30121-2013/IEC60751：2008《工業鉑熱電阻及鉑感溫元件》分度表中，明確規定了PT100各溫度點下的溫度-阻值對應值，數據詳細統一，廣泛應用在國內外高低溫試驗箱接口電路線性化調校算法中，屬于高低溫試驗箱測量系統設計的基礎參數之一。
    2.2設備調校方式
    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，但由于廠家算法不一樣，信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，需要查詢廠家提供的設備資料。
    整體調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。整體調校的設備，整個溫度范圍內的溫度變化趨勢是相互關聯的。當某個溫度點出現變化，整條特征曲線都會發生變化，上下限溫度一定會同時或單獨發生同向變化。
    多點調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的特征曲線通過多條折線模擬的，業界也稱之為多點折線調校。多點調校的設備，只有處于同一溫度段的溫度才存在關聯關系。當某一溫度發生偏移，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，其溫度偏差數據見表1。查詢設備相關資料，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。根據廠方提供的資料，該設備溫度屬于多點調校設計，溫度調校點為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果只看校準數據，按照GB/T2423.1或GB/T2423.2對溫度偏差的要求，這些溫度點的溫度偏差都小于±2℃，滿足標準方法規定。但是，當利用這些校準數據進一步分析設備整個溫度范圍的溫度偏差時，就會發現以下兩個方面問題：
     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，所以按此趨勢經過推算，-45℃溫度偏差約為+2.5℃，已經超出了標準方法規定。同理，校準溫度85℃和125℃屬于設備70℃～125℃溫度調校段，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℃區間的溫度偏差是否滿足不大于±2℃的要求。

溫度偏差數據

案例二
查閱某型號的高低溫試驗箱校準證書，其溫度偏差數據見表2。查詢設備相關資料，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。根據廠方提供的資料，該設備溫度屬于整體調校設計。

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℃的溫度偏差連起來，可以發現該連線圍繞X軸的某一溫度點發生了旋轉，其它溫度都隨著連線的旋轉方向產生同向偏移。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，會給實驗室帶來技術風險和經濟風險，進而影響相關組織或用戶對實驗室質量控制工作的質疑，造成社會負面影響。
    技術風險方面，會影響實驗室檢測結果的有效性，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：白盒法和黑盒法。白盒法就是已知試驗溫度，考核產品在該溫度下的性能和功能。黑盒法則是根據產品的某個信號，要求實驗室給出對應的溫度值。對于多點調校的設備，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果存在風險，影響實驗室的外部質量控制結果，進而影響相關組織對實驗室資質的認可或認定，造成社會負面影響。
    經濟風險方面，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量過多，增加校準支出。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。
     每次校準后，實驗室應盡量收集保存設備當前狀態的相關數據，留作后續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進行確認，對比以前的數據，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。