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浅析高低温试验箱校准温度的选择

编辑: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2021.05.06
    高低温试验箱是开展温度环境适应性试验必不可少的硬件设备。定期校准是保证设备性能指标有效性的常用手段。本文阐明了影响温度准确性的原因、风险和解决思路,有助于实验室校准温度的选择。

    引言

    高低温试验箱(以下简称“设备”)是实现环境温度试验的硬件设备。为了保证设备性能满足标准方法要求,实验室一般都按照JJF 1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》第6.1条款开展定期校准,校准项目包括温度偏差、温度均匀度和温度波动度。
    在三个校准项目中,温度偏差用于评价设备空间中心点温度与设备显示温度的偏离情况,温度均匀度用于评价设备工作舱空间温度场分布,温度波动度用于评价设备温度重复性。其中,温度偏差是最容易出问题的项目,而且隐蔽性强,需要实验室重点关注。
    在实际工作中,某些实验室在选择校准温度时,会选择能体现设备温度范围的极限温度和常用温度进行校准,认为只要这些温度点的温度偏差满足标准方法要求,则所有温度点的温度偏差都满足标准要求。这种校准温度的选择实际上存在一定的局限性,不一定适用实验室使用的高低温试验箱。

    01、影响温度偏差变化的主要原因

    高低温试验箱的主要组成包括温度测量系统、电气控制系统、制冷/加热系统和空气循环系统等四个部分。图1位温度调节过程示意图。

温度调节过程示意图

    温度测量系统通过温度传感器把感受到的温度转化成电信号传输给电气控制系统,同时也通过A/D转换显示在设备面板,即显示温度。由于温度测量系统的温度传感器参与控制,所以又叫温度控制传感器。电气控制系统将测量结果与设备内置的温度特征参数进行比对,然后通过一系列的动作调节制冷/加热系统的能量输出。输出能量通过空气循环系统散布到设备工作空间,形成一个闭环系统进行温度调节。
    设备空间中心的温度值与温度测量系统的测量值之间的差值就是温度偏差。影响温度偏差的因素包括温度测量系统的稳定性和精度,控制系统的能量输出和空气循环系统的能量传递效果。在这些因素综合作用下,温度偏差是不可避免的。
    当设备加工调试完毕后,控制系统和空气循环系统的对温度偏差的影响基本就固化下来,一般不会发生大的变化。而温度测量系统在设备使用过程中,相关参数容易产生偏移,导致温度偏差发生变化。所以设备投用后,温度测量系统的稳定性和精度是温度偏差发生变化的主要原因和常见原因。

    02、温度测量系统的设计原理概况

    2.1温度-阻值非线性原理
    温度测量系统由温度传感器和接口电路构成。温度传感器有热电阻和热电偶两类。在不同温度作用下,热电阻的电阻值或热电偶的电流会产生变化。接口电路把电阻或电流变化情况转变成可用电信号,经过调校后输出到电气控制系统对设备进行温度调节。因此,温度测量系统的输出是否准确与温度传感器和接口电路都有直接关系。

    高低温试验箱常用的温度传感器是PT100铂电阻传感器。PT表示传感器材质为铂金,100表示0℃的电阻为100欧姆。PT100温度测量范围为-200℃~650℃,属于正电阻型传感器,即温度传感器的阻值随着温度升高变大,反之则变小。阻值与温度的对应关系如图2中实线所示。

阻值与温度的对应关系

    铂电阻的阻值与温度的对应关系可以表示成两个数学函数关系:
    200 ℃~0 ℃,阻值与温度的函数关系:
    Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]
    0 ℃~650 ℃,阻值与温度的函数关系:
    Rt=R0[1+At+Bt2]
    其中,Rt是t ℃的电阻值,R0是0 ℃时的电阻值。
    A、B、C为特定常数。
    从以上两个函数关系表达式可以看出,两个函数中都包含变量Bt2,所以Rt特征曲线是一条单调上凸的曲线,温度和电阻值不是线性对应关系。PT100作为铂电阻温度传感器,其电阻值与温度也是非线性关系。
    温度传感器输出的是非线性信号,试验设备电气控制系统需要输入的是线性信号,两者之间就需要接口电路进行线性化信号调校。目前,铂电阻的线性化调校方法有读表法、作图法和数学公式法。读表法就是按照公开发布的阻值-温度分度表,选取特定的参数作为基准进行信号处理设计。其余温度点,则通过阻值补偿,使输出信号贴近分度表给出的参数。
    在GB/T 30121-2013/IEC60751:2008《工业铂热电阻及铂感温元件》分度表中,明确规定了PT100各温度点下的温度-阻值对应值,数据详细统一,广泛应用在国内外高低温试验箱接口电路线性化调校算法中,属于高低温试验箱测量系统设计的基础参数之一。
    2.2设备调校方式
    虽然设备厂家在信号处理算法设计中,基本上都采用GB/T30121-2013/IEC60751:2008标准中温度-阻值分度表给出的参数,但由于厂家算法不一样,信号调校的方式也存在差异,归纳起来就是存在整体调校和多点调校两种。具体是采用哪种方式进行调校的,需要查询厂家提供的设备资料。
    整体调校设计是以设备温度范围的上下限温度对应的阻值作为基准,将两点连线作为基准线,选取中间某几点温度的阻值作为参照,模拟出一条温度-阻值线性变化线段作为特征曲线。整体调校的设备,整个温度范围内的温度变化趋势是相互关联的。当某个温度点出现变化,整条特征曲线都会发生变化,上下限温度一定会同时或单独发生同向变化。
    多点调校设计是将设备温度范围分成多个温度段,每段选取两个端点温度的阻值作为基准,将两点连线作为基准线,模拟出一条温度-阻值线性变化特征曲线。由于设备整个温度范围内的特征曲线通过多条折线模拟的,业界也称之为多点折线调校。多点调校的设备,只有处于同一温度段的温度才存在关联关系。当某一温度发生偏移,只有处于同一段的温度才会受影响,不影响其他温度段的温度。

    03、案例分析

    国内某知名科研院所实验室的年度校准计划中,按照GB/T5170.2-2017/8.1.2条款推荐,结合实验室使用需求,校准温度统一选取了-70℃、-55℃、-10℃、40℃、85℃、125℃、150℃等7个温度点。
    案例一
    查阅某型号高低温试验箱校准证书,其温度偏差数据见表1。查询设备相关资料,设备容积为1立方米,温度范围为-70℃~150℃,满足GB/T2423.1和GB/T2423.2试验方法要求。根据厂方提供的资料,该设备温度属于多点调校设计,温度调校点为-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
    如果只看校准数据,按照GB/T2423.1或GB/T2423.2对温度偏差的要求,这些温度点的温度偏差都小于±2℃,满足标准方法规定。但是,当利用这些校准数据进一步分析设备整个温度范围的温度偏差时,就会发现以下两个方面问题:
     1)校准温度-70℃和-55℃属于设备-70℃~-45℃温度调校段。由于同一温度段的温度偏移变化趋势是一致的,所以按此趋势经过推算,-45℃温度偏差约为+2.5℃,已经超出了标准方法规定。同理,校准温度85℃和125℃属于设备70℃~125℃温度调校段,则可以算出70℃的温度偏差约为-0.6℃。

    2)设备-10℃~-5℃和-5℃~40℃温度段分别都只有一个温度点,无法推算出-5℃的温度偏差,无法判断这两段温度的变化趋势,因此无法判断-10℃~-5℃~40℃区间的温度偏差是否满足不大于±2℃的要求。

温度偏差数据

    案例二
    查阅某型号高低温试验箱校准证书,其温度偏差数据见表2。查询设备相关资料,设备容积为0.2立方米,温度范围为-70℃~150℃,满足GB/T2423.1和GB/T2423.2试验方法要求。根据厂方提供的资料,该设备温度属于整体调校设计。

    以X轴为温度轴,Y轴作为温度偏差轴。根据校准数据,将-70℃和150℃的温度偏差连起来,可以发现该连线围绕X轴的某一温度点发生了旋转,其它温度都随着连线的旋转方向产生同向偏移。所有校准温度的温度偏差都满足标准方法要求。

校准温度的温度偏差

    案例一中的设备属于多点调校,实验室选取的校准温度就不足以反映设备的整体性能,只能代表校准温度的偏移情况。案例二中的设备属于整体调校,实验室选取的校准温度能反映设备的整体性能。所以实验室选取的校准温度不恰当,不能完全适用实验室所用的试验设备。

    04、风险与防范

    选择的校准温度不合理,会给实验室带来技术风险和经济风险,进而影响相关组织或用户对实验室质量控制工作的质疑,造成社会负面影响。
    技术风险方面,会影响实验室检测结果的有效性,导致实验室报告的检测结果存在错误。温度试验有两种形式:白盒法和黑盒法。白盒法就是已知试验温度,考核产品在该温度下的性能和功能。黑盒法则是根据产品的某个信号,要求实验室给出对应的温度值。对于多点调校的设备,实验室如使用非校准温度点开展白盒法试验,或试验方法属于黑盒法,校准温度选择不合理则检测结果存在风险,影响实验室的外部质量控制结果,进而影响相关组织对实验室资质的认可或认定,造成社会负面影响。
    经济风险方面,会增加实验室校准成本,耽误设备投用时间。计量机构的标准报价中一般都只包含4~5个温度点。校准温度选择的不合理,除了不能反映设备的整体性能以外,还可能因为校准温度点数量过多,增加校准支出。同时,实验室对设备校准前状态不清楚,在温度偏差已经超差的情况下进行校准,导致二次校准,不仅耽误时间也会造成额外的校准成本。
    测量人员应充分理解GB/T 2423.1-2008和为了避免校准温度选择风险,兼顾实验室的设备校准成本支出,实验室在开展设备校准管理时,应注意以下几个事项:
     实验室在制定校准计划前,应查阅设备资料,了解设备温度调校设计方式,编制设备校准方案并实时更新,引导设备校准计划制定。
    首次校准时,选择的校准温度应能充分反映设备的整体状态。
     每次校准后,实验室应尽量收集保存设备当前状态的相关数据,留作后续校准计划的制定参考。
    在新一轮校准计划制定时,实验室应对设备当前状态进行确认,对比以前的数据,分析可能存在的温度偏差超差点,采取必要的维护维修工作。
     如果实验室选择的校准温度值或温度点数量不能充分反映设备的整体性能,实验室应分析可能存在的风险,并告知设备使用者。

    结论

    实验室在选择高低温试验箱校准温度时,应充分了解设备的相关信息,分析设备使用状态,制定文件化的校准方案,建立科学系统的管理方式,才能降低校准温度选择风险,避免可能遇到的技术风险和经济风险,提升检测结果的有效性,实现低风险、低成本、高质量的校准管理。
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