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高低溫試驗箱是開展溫度環(huán)境適應(yīng)性試驗不可少的硬件設(shè)備。定期校準是保證設(shè)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。
高低溫試驗箱是實現(xiàn)環(huán)境溫度試驗的硬件設(shè)備。為了保證設(shè)備性能滿足標準方法要求,實驗室一般都按照JJF 1101-2003《環(huán)境試驗設(shè)備溫度、濕度校準規(guī)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(shè)備空間中心點溫度與設(shè)備顯示溫度的偏離情況,溫度均勻度用于評價設(shè)備工作艙空間溫度場分布,溫度波動度用于評價設(shè)備溫度重復性。其中,溫度偏差是最容易出問題的項目,而且隱蔽性強,需要實驗室重點關(guān)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(xiàn)設(shè)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。
高低溫試驗箱的主要組成包括溫度測量系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、制冷/加熱系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)等四個部分。圖1位溫度調(diào)節(jié)過程示意圖。
溫度測量系統(tǒng)通過溫度傳感器把感受到的溫度轉(zhuǎn)化成電信號傳輸給電氣控制系統(tǒng),同時也通過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)將測量結(jié)果與設(shè)備內(nèi)置的溫度特征參數(shù)進行比對,然后通過一系列的動作調(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,形成一個閉環(huán)系統(tǒng)進行溫度調(diào)節(jié)。
設(shè)備空間中心的溫度值與溫度測量系統(tǒng)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(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)的對溫度偏差的影響基本就固化下來,一般不會發(fā)生大的變化。而溫度測量系統(tǒng)在設(shè)備使用過程中,相關(guān)參數(shù)容易產(chǎn)生偏移,導致溫度偏差發(fā)生變化。所以設(shè)備投用后,溫度測量系統(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。
2.1溫度-阻值非線性原理
溫度測量系統(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,經(jīng)過調(diào)校后輸出到電氣控制系統(tǒng)對設(shè)備進行溫度調(diào)節(jié)。因此,溫度測量系統(tǒng)的輸出是否準確與溫 度傳感器和接口電路都有直接關(guān)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(zhì)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(yīng)關(guān)系如圖2中實線所示。
鉑電阻的阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系可以表示成兩個數(shù)學函數(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 ℃時的電阻值。
A、B、C為特定常數(shù)。
從以上兩個函數(shù)關(guān)系表達式可以看出,兩個函數(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,試驗設(shè)備電氣控制系統(tǒng)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(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)作為基準進行信號處理設(shè)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(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各溫度點下的溫度-阻值對應(yīng)值,數(shù)據(jù)詳細統(tǒng)一,廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外高低溫試驗箱接口電路線性化調(diào)校算法中,屬于高低溫試驗箱測量系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)之一。
2.2設(shè)備調(diào)校方式
雖然設(shè)備廠家在信號處理算法設(shè)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(shù),但由于廠家算法不一樣,信號調(diào)校的方式也存在差異,歸納起來就是存在整體調(diào)校和多點調(diào)校兩種。具體是采用哪種方式進行調(diào)校的,需要查詢廠家提供的設(shè)備資料。
整體調(diào)校設(shè)計是以設(shè)備溫度范圍的上下限溫度對應(yīng)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(diào)校的設(shè)備,整個溫度范圍內(nèi)的溫度變化趨勢是相互關(guān)聯(lián)的。當某個溫度點出現(xiàn)變化,整條特征曲線都會發(fā)生變化,上下限溫度一定會同時或單獨發(fā)生同向變化。
多點調(diào)校設(shè)計是將設(shè)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(shè)備整個溫度范圍內(nèi)的特征曲線通過多條折線模擬的,業(yè)界也稱之為多點折線調(diào)校。多點調(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。當某一溫度發(fā)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。
國內(nèi)某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(jié)合實驗室使用需求,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
查閱某型號的高低溫試驗箱校準證書,其溫度偏差數(shù)據(jù)見表1。查詢設(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試驗方法要求。根據(jù)廠方提供的資料,該設(shè)備溫度屬于多點調(diào)校設(shè)計,溫度調(diào)校點為-70℃、-45℃、-10℃、-5℃、40℃、70℃、125℃、150℃。
如果只看校準數(shù)據(jù),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(guī)定。但是,當利用這些校準數(shù)據(jù)進一步分析設(shè)備整個溫度范圍的溫度偏差時,就會發(fā)現(xiàn)以下兩個方面問題:
1)校準溫度-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是一致的,所以按此趨勢經(jīng)過推算,-45℃溫度偏差約為+2.5℃,已經(jīng)超出了標準方法規(guī)定。同理,校準溫度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(qū)間的溫度偏差是否滿足不大于±2℃的要求。
案例二
查閱某型號的高低溫試驗箱校準證書,其溫度偏差數(shù)據(jù)見表2。查詢設(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。
以X軸為溫度軸,Y軸作為溫度偏差軸。根據(jù)校準數(shù)據(jù),將-70℃和150℃的溫度偏差連起來,可以發(fā)現(xiàn)該連線圍繞X軸的某一溫度點發(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。所有校準溫度的溫度偏差都滿足標準方法要求。
案例一中的設(shè)備屬于多點調(diào)校,實驗室選取的校準溫度就不足以反映設(shè)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(shè)備屬于整體調(diào)校,實驗室選取的校準溫度能反映設(shè)備的整體性能。所以實驗室選取的校準溫度不恰當,不能都適用實驗室所用的試驗設(shè)備。
選擇的校準溫度不合理,會給實驗室?guī)砑夹g(shù)風險和經(jīng)濟風險,進而影響相關(guān)組織或用戶對實驗室質(zhì)量控制工作的質(zhì)疑,造成社會負面影響。
技術(shù)風險方面,會影響實驗室檢測結(jié)果的有效性,導致實驗室報告的檢測結(jié)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(chǎn)品在該溫度下的性能和功能。黑盒法則是根據(jù)產(chǎn)品的某個信號,要求實驗室給出對應(yīng)的溫度值。對于多點調(diào)校的設(shè)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(jié)果存在風險,影響實驗室的外部質(zhì)量控制結(jié)果,進而影響相關(guān)組織對實驗室資質(zhì)的認可或認定,造成社會負面影響。
經(jīng)濟風險方面,會增加實驗室校準成本,耽誤設(shè)備投用時間。計量機構(gòu)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(shè)備的整體性能以外,還可能因為校準溫度點數(shù)量過多,增加校準支出。同時,實驗室對設(shè)備校準前狀態(tài)不清楚,在溫度偏差已經(jīng)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(yīng)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(shè)備校準成本支出,實驗室在開展設(shè)備校準管理時,應(yīng)注意以下幾個事項:
實驗室在制定校準計劃前,應(yīng)查閱設(shè)備資料,了解設(shè)備溫度調(diào)校設(shè)計方式,編制設(shè)備校準方案并實時更新,指導設(shè)備校準計劃制定。
一開始校準時,選擇的校準溫度應(yīng)能充分反映設(shè)備的整體狀態(tài)。
每次校準后,實驗室應(yīng)盡量收集保存設(shè)備當前狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù),留作后續(xù)校準計劃的制定參考。
在新一輪校準計劃制定時,實驗室應(yīng)對設(shè)備當前狀態(tài)進行確認,對比以前的數(shù)據(jù),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(shù)量不能充分反映設(shè)備的整體性能,實驗室應(yīng)分析可能存在的風險,并告知設(shè)備使用者。
實驗室在選擇高低溫試驗箱校準溫度時,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),制定文件化的校準方案,建立科學系統(tǒng)的管理方式,才能降低校準溫度選擇風險,避免可能遇到的技術(shù)風險和經(jīng)濟風險,提升檢測結(jié)果的有效性,實現(xiàn)低風險、低成本、高質(zhì)量的校準管理。