高低溫試驗(yàn)箱校準(zhǔn)溫度的選擇

高低溫試驗(yàn)箱是開展溫度環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)不可少的硬件設(shè)備。定期校準(zhǔn)是保證設(shè)備性能指標(biāo)有效性的常用手段。本文闡明了影響溫度準(zhǔn)確性的原因、風(fēng)險(xiǎn)和解決思路，有助于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)溫度的選擇。

    引言

    高低溫試驗(yàn)箱是實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度試驗(yàn)的硬件設(shè)備。為了保證設(shè)備性能滿足標(biāo)準(zhǔn)方法要求，實(shí)驗(yàn)室一般都按照J(rèn)JF 1101-2003《環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度校準(zhǔn)規(guī)范》第6.1條款開展定期校準(zhǔn)，校準(zhǔn)項(xiàng)目包括溫度偏差、溫度均勻度和溫度波動(dòng)度。
    在三個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目中，溫度偏差用于評(píng)價(jià)設(shè)備空間中心點(diǎn)溫度與設(shè)備顯示溫度的偏離情況，溫度均勻度用于評(píng)價(jià)設(shè)備工作艙空間溫度場(chǎng)分布，溫度波動(dòng)度用于評(píng)價(jià)設(shè)備溫度重復(fù)性。其中，溫度偏差是最容易出問題的項(xiàng)目，而且隱蔽性強(qiáng)，需要實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)關(guān)注。
    在實(shí)際工作中，某些實(shí)驗(yàn)室在選擇校準(zhǔn)溫度時(shí)，會(huì)選擇能體現(xiàn)設(shè)備溫度范圍的極限溫度和常用溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，認(rèn)為只要這些溫度點(diǎn)的溫度偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)方法要求，則所有溫度點(diǎn)的溫度偏差都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這種校準(zhǔn)溫度的選擇實(shí)際上存在一定的局限性，不一定適用實(shí)驗(yàn)室使用的高低溫試驗(yàn)箱。

    01、影響溫度偏差變化的主要原因

    高低溫試驗(yàn)箱的主要組成包括溫度測(cè)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(gè)部分。圖1位溫度調(diào)節(jié)過程示意圖。

    溫度測(cè)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(hào)傳輸給電氣控制系統(tǒng)，同時(shí)也通過A/D轉(zhuǎn)換顯示在設(shè)備面板，即顯示溫度。由于溫度測(cè)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(cè)量結(jié)果與設(shè)備內(nèi)置的溫度特征參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，然后通過一系列的動(dòng)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(shè)備工作空間，形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
    設(shè)備空間中心的溫度值與溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(cè)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(dāng)設(shè)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(duì)溫度偏差的影響基本就固化下來(lái)，一般不會(huì)發(fā)生大的變化。而溫度測(cè)量系統(tǒng)在設(shè)備使用過程中，相關(guān)參數(shù)容易產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致溫度偏差發(fā)生變化。所以設(shè)備投用后，溫度測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)介

    2.1溫度-阻值非線性原理
    溫度測(cè)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(huì)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(hào)，經(jīng)過調(diào)校后輸出到電氣控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。因此，溫度測(cè)量系統(tǒng)的輸出是否準(zhǔn)確與溫 度傳感器和接口電路都有直接關(guān)系。

    高低溫試驗(yàn)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(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2中實(shí)線所示。

    鉑電阻的阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以表示成兩個(gè)數(shù)學(xué)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(shí)的電阻值。
    A、B、C為特定常數(shù)。
    從以上兩個(gè)函數(shù)關(guān)系表達(dá)式可以看出，兩個(gè)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(duì)應(yīng)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(hào)，試驗(yàn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)需要輸入的是線性信號(hào)，兩者之間就需要接口電路進(jìn)行線性化信號(hào)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(xué)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(zhǔn)進(jìn)行信號(hào)處理設(shè)計(jì)。其余溫度點(diǎn)，則通過阻值補(bǔ)償，使輸出信號(hào)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(diǎn)下的溫度-阻值對(duì)應(yīng)值，數(shù)據(jù)詳細(xì)統(tǒng)一，廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外高低溫試驗(yàn)箱接口電路線性化調(diào)校算法中，屬于高低溫試驗(yàn)箱測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)之一。
    2.2設(shè)備調(diào)校方式
    雖然設(shè)備廠家在信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)中，基本上都采用GB/T30121-2013/IEC60751：2008標(biāo)準(zhǔn)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(hào)調(diào)校的方式也存在差異，歸納起來(lái)就是存在整體調(diào)校和多點(diǎn)調(diào)校兩種。具體是采用哪種方式進(jìn)行調(diào)校的，需要查詢廠家提供的設(shè)備資料。
    整體調(diào)校設(shè)計(jì)是以設(shè)備溫度范圍的上下限溫度對(duì)應(yīng)的阻值作為基準(zhǔn)，將兩點(diǎn)連線作為基準(zhǔn)線，選取中間某幾點(diǎn)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(shè)備，整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)是相互關(guān)聯(lián)的。當(dāng)某個(gè)溫度點(diǎn)出現(xiàn)變化，整條特征曲線都會(huì)發(fā)生變化，上下限溫度一定會(huì)同時(shí)或單獨(dú)發(fā)生同向變化。
    多點(diǎn)調(diào)校設(shè)計(jì)是將設(shè)備溫度范圍分成多個(gè)溫度段，每段選取兩個(gè)端點(diǎn)溫度的阻值作為基準(zhǔn)，將兩點(diǎn)連線作為基準(zhǔn)線，模擬出一條溫度-阻值線性變化特征曲線。由于設(shè)備整個(gè)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(diǎn)折線調(diào)校。多點(diǎn)調(diào)校的設(shè)備，只有處于同一溫度段的溫度才存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)某一溫度發(fā)生偏移，只有處于同一段的溫度才會(huì)受影響，不影響其他溫度段的溫度。

    03、案例分析

    國(guó)內(nèi)某科研院所實(shí)驗(yàn)室的年度校準(zhǔn)計(jì)劃中，按照GB/T5170.2-2017/8.1.2條款推薦，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室使用需求，校準(zhǔn)溫度統(tǒng)一選取了-70℃、-55℃、-10℃、40℃、85℃、125℃、150℃等7個(gè)溫度點(diǎn)。
    案例一
    查閱某型號(hào)的高低溫試驗(yàn)箱校準(zhǔn)證書，其溫度偏差數(shù)據(jù)見表1。查詢?cè)O(shè)備相關(guān)資料，設(shè)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(yàn)方法要求。根據(jù)廠方提供的資料，該設(shè)備溫度屬于多點(diǎn)調(diào)校設(shè)計(jì)，溫度調(diào)校點(diǎn)為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果只看校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，按照GB/T2423.1或GB/T2423.2對(duì)溫度偏差的要求，這些溫度點(diǎn)的溫度偏差都小于±2℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定。但是，當(dāng)利用這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析設(shè)備整個(gè)溫度范圍的溫度偏差時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)方面問題：
     1）校準(zhǔn)溫度-70℃和-55℃屬于設(shè)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(shì)是一致的，所以按此趨勢(shì)經(jīng)過推算，-45℃溫度偏差約為+2.5℃，已經(jīng)超出了標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定。同理，校準(zhǔn)溫度85℃和125℃屬于設(shè)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(shè)備-10℃～-5℃和-5℃～40℃溫度段分別都只有一個(gè)溫度點(diǎn)，無(wú)法推算出-5℃的溫度偏差，無(wú)法判斷這兩段溫度的變化趨勢(shì)，因此無(wú)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。

    案例二
    查閱某型號(hào)的高低溫試驗(yàn)箱校準(zhǔn)證書，其溫度偏差數(shù)據(jù)見表2。查詢?cè)O(shè)備相關(guān)資料，設(shè)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(yàn)方法要求。根據(jù)廠方提供的資料，該設(shè)備溫度屬于整體調(diào)校設(shè)計(jì)。

    以X軸為溫度軸，Y軸作為溫度偏差軸。根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將-70℃和150℃的溫度偏差連起來(lái)，可以發(fā)現(xiàn)該連線圍繞X軸的某一溫度點(diǎn)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(zhǔn)溫度的溫度偏差都滿足標(biāo)準(zhǔn)方法要求。

    案例一中的設(shè)備屬于多點(diǎn)調(diào)校，實(shí)驗(yàn)室選取的校準(zhǔn)溫度就不足以反映設(shè)備的整體性能，只能代表校準(zhǔn)溫度的偏移情況。案例二中的設(shè)備屬于整體調(diào)校，實(shí)驗(yàn)室選取的校準(zhǔn)溫度能反映設(shè)備的整體性能。所以實(shí)驗(yàn)室選取的校準(zhǔn)溫度不恰當(dāng)，不能都適用實(shí)驗(yàn)室所用的試驗(yàn)設(shè)備。

    04、風(fēng)險(xiǎn)與防范

    選擇的校準(zhǔn)溫度不合理，會(huì)給實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響相關(guān)組織或用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制工作的質(zhì)疑，造成社會(huì)負(fù)面影響。
    技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)方面，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果的有效性，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室報(bào)告的檢測(cè)結(jié)果存在錯(cuò)誤。溫度試驗(yàn)有兩種形式：白盒法和黑盒法。白盒法就是已知試驗(yàn)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(gè)信號(hào)，要求實(shí)驗(yàn)室給出對(duì)應(yīng)的溫度值。對(duì)于多點(diǎn)調(diào)校的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室如使用非校準(zhǔn)溫度點(diǎn)開展白盒法試驗(yàn)，或試驗(yàn)方法屬于黑盒法，校準(zhǔn)溫度選擇不合理則檢測(cè)結(jié)果存在風(fēng)險(xiǎn)，影響實(shí)驗(yàn)室的外部質(zhì)量控制結(jié)果，進(jìn)而影響相關(guān)組織對(duì)實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)的認(rèn)可或認(rèn)定，造成社會(huì)負(fù)面影響。
    經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)方面，會(huì)增加實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)成本，耽誤設(shè)備投用時(shí)間。計(jì)量機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)價(jià)中一般都只包含4～5個(gè)溫度點(diǎn)。校準(zhǔn)溫度選擇的不合理，除了不能反映設(shè)備的整體性能以外，還可能因?yàn)樾?zhǔn)溫度點(diǎn)數(shù)量過多，增加校準(zhǔn)支出。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室對(duì)設(shè)備校準(zhǔn)前狀態(tài)不清楚，在溫度偏差已經(jīng)超差的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)，導(dǎo)致二次校準(zhǔn)，不僅耽誤時(shí)間也會(huì)造成額外的校準(zhǔn)成本。
    測(cè)量人員應(yīng)充分理解GB/T 2423.1-2008和為了避免校準(zhǔn)溫度選擇風(fēng)險(xiǎn)，兼顧實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備校準(zhǔn)成本支出，實(shí)驗(yàn)室在開展設(shè)備校準(zhǔn)管理時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)事項(xiàng)：
     實(shí)驗(yàn)室在制定校準(zhǔn)計(jì)劃前，應(yīng)查閱設(shè)備資料，了解設(shè)備溫度調(diào)校設(shè)計(jì)方式，編制設(shè)備校準(zhǔn)方案并實(shí)時(shí)更新，指導(dǎo)設(shè)備校準(zhǔn)計(jì)劃制定。
    一開始校準(zhǔn)時(shí)，選擇的校準(zhǔn)溫度應(yīng)能充分反映設(shè)備的整體狀態(tài)。
     每次校準(zhǔn)后，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡量收集保存設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，留作后續(xù)校準(zhǔn)計(jì)劃的制定參考。
    在新一輪校準(zhǔn)計(jì)劃制定時(shí)，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)對(duì)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)比以前的數(shù)據(jù)，分析可能存在的溫度偏差超差點(diǎn)，采取必要的維護(hù)維修工作。
     如果實(shí)驗(yàn)室選擇的校準(zhǔn)溫度值或溫度點(diǎn)數(shù)量不能充分反映設(shè)備的整體性能，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)分析可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并告知設(shè)備使用者。

    結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)室在選擇高低溫試驗(yàn)箱校準(zhǔn)溫度時(shí)，應(yīng)充分了解設(shè)備的相關(guān)信息，分析設(shè)備使用狀態(tài)，制定文件化的校準(zhǔn)方案，建立科學(xué)系統(tǒng)的管理方式，才能降低校準(zhǔn)溫度選擇風(fēng)險(xiǎn)，避免可能遇到的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提升檢測(cè)結(jié)果的有效性，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、高質(zhì)量的校準(zhǔn)管理。