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试论电热恒温水浴锅校准方法

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：覃泽请

[导读] 笔者结合工作经验，分析电热恒温水浴锅的分类与组成结构等，从电热恒温水浴锅的温度均匀性的测量结果不确定度评定、校准条件、校准方法、校准设备和校准项目等入手，探讨了电热恒温水浴锅温度参数的校准方式，以供参考。

覃泽请
        桂林市计量测试研究所广西桂林541004

        摘要：笔者结合工作经验，分析电热恒温水浴锅的分类与组成结构等，从电热恒温水浴锅的温度均匀性的测量结果不确定度评定、校准条件、校准方法、校准设备和校准项目等入手，探讨了电热恒温水浴锅温度参数的校准方式，以供参考。
        关键词：电热恒温水浴锅；温度参数；校准方法；不确定度
        前言
        电热恒温水浴锅(以下简称水浴锅)由锅体、温控系统以及电热体几个部分构成。一般而言，电热恒温水浴锅的内胆（锅）经过化学处理后的紫铜板构成，其外壳用优质钢板冲压成型，其中层填充有隔热保温材料以及矿渣棉等。在水浴锅的成型中，往往按照双列式和单列式的方式进行排列。在本文的研究中，笔者就结合实际经验，深入分析电热恒温水浴锅温度参数的校准方式[1]。
        1校准条件
        在电热恒温水浴锅的校准过程中，往往要维持环境温度在（15～35）℃左右，保证空气中相对湿度在85%以下，控制测量设备周围没有腐蚀性气体，且设备周围没有强烈的震动感，必须避免环境中热源和冷源的影响。
        2校准设备
        温度校准设备的测量范围：（0～100）℃，分度值或分辨力不大于0.1℃，扩展不确定度U(K=2)应符合被校水浴锅技术指标的测量要求（即不确定度值不大于均匀性和波动度绝对值的1/3）。
        3校准项目
        3.1校准项目
        在电热恒温水浴锅校准过程中，需要校准的项目有温度均匀度、温度偏差和温度波动度等。
        3.2外观检查
        用目测的方法进行检查。水浴锅的外观结构应完好，附件、备件齐全；设备铭牌上面必须要有规格型号、产品名称、出厂编号、制造厂、电源电压、控温范围；内胆注水后无漏水现象，出口不应有堵塞及渗水现象；指针式或数字式温控器能正常调节温度，控温系统工作正常。
        4电热恒温水浴锅校准方法
        4.1校准温度的选择
        在电热恒温水浴锅的校准过程中，往往选择设备使用范围的中间点、上限和下限等作为校准温度点，除此之外，我们还可以综合考虑客户的实际需求，选择实际常用的温度点作为校准温度。
        4.2传感器布点位置
        4.2.1有孔结构的水浴锅传感器布点位置
        温度传感器置于每个孔对应的工作空间的几何中心。
        4.2.2无孔结构的水浴锅传感器布点位置
        在工作空间的几何中心（5）以及距工作内胆壁不小于各边边长1/10的左上、右上、右下、左下四个点为测温点（1、2、3、4）。亦可根据实际工作区域进行布点。
        4.3温度的校准
        校准通常在空载状态下进行。校准前应确认水位正常，按要求布放温度传感器，注意使传感器有合适的浸没深度，将水浴锅的温度控制器设定到所需校准的温度，使水浴锅的温度示值稳定在标称温度上或围绕着标称温度作上下变化的稳定状态。待稳定10min或水浴锅使用说明书规定的时间后开始读数，每2min至少记录所有测试点的温度值一次，在30min内共记录n次（至少15次）。亦可根据用户校准需求确定时间间隔和记录数据，并在原始记录和校准证书中进行说明。
        当温度控制无法满足稳定状态，或是为了取得较好的校准结果，可以对温度控制器进行相应的调整，包括设定值、传感器修正值、控制参数或自整定等，调整应给予记录并在校准证书中体现。
        4.4数据处理
        4.4.1温度偏差
        按下列公式计算各测试点i的温度上偏差和温度下偏差。
        Δtimax=timax-tN    （1）
        Δtimin=timin-tN    （2）
        式中：Δtimax-测试点i的温度上偏差，℃；Δtimin-测试点i的温度下偏差，℃；timax-测试点i在规定时间内n次测量的最高温度，℃；timin-测试点i在规定时间内n次测量的最低温度，℃；tN-校准标称温度，℃。
        取所有测试点中，Δtimax和Δtimin绝对值最大者作为水浴锅的温度上偏差和温度下偏差。
        4.4.2温度波动度
        在n次测量中，计算同一个测试点在n次测量中测得的最高温度和最低温度之差（共i个），取最大值者的一半，并冠以“±”号，作为温度波动度。

        式中：Δtf-温度波动度，℃；timax-测试点i在n次测量中的最高温度，℃；timin-测试点i在n次测量中的最低温度，℃。
        4.4.3温度均匀度
        单孔或只布置一个传感器的设备，没有本校准项目。
        对于多个温度测试点，在n次测量中，取各个测试点在同一次测量中测得的最高温度和最低温度之差（共n个）的平均值作为温度均匀度。

        式中：Δtu-代表温度均匀度，单位为℃；tjmax-代表每一个测试点第j次测量获得的最高温度值，单位为℃；tjmin-代表每一个测试点第j次测量获取的最低温度值，单位为℃；n-代表测量的次数。
        5电热恒温水浴锅温度均匀性测量结果的不确定度评定
        5.1概述
        以无孔结构的水浴锅为例，布设测量点，采用直接测量法进行测量。评定依据JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》。
        测量标准：温湿度试验设备自动检定系统，温度指示分辨力为0.01℃；测量时带修正值使用，温度修正值扩展不确定度=0.06℃，=2。
        5.2测量模型

        式中：Δtu-温度均匀度，℃；tjmax-各测试点在次测量中的最高温度，℃；tjmin-各测试点在次测量中的最低温度，℃；n-测量次数；-n次测量中的n个最大值的平均值，℃；-n次测量中的n个最小值的平均值，℃。
        对公式（5）各分量求偏导，得到各分量的灵敏系数：
        ，
        设和引入的标准不确定度分量分别为和，其影响因素有些存在正相关（相互抵消而不考虑），有些不相关，则温度均匀度合成标准不确定度方差表示为：

        5.3标准不确定度分量评定
        影响和测量不确定度因素有：测量重复性、测量仪器不同通道示值的不一致性、测量标准温度分辨力、测量标准温度修正值。
        5.3.1输入量引入的标准不确定度u1
        ⑴测量重复性引入的标准不确定度u11
        水浴锅校准标称温度设为50℃，进行重复性测量，共计15次，采用合并样本标准偏差的计算公式得：u11=0.057℃。
        ⑵测量仪器不同通道示值的不一致性引入的标准不确定度u12
        由上级计量部门提供的证书可知，此次校准所用的五个通道在50℃时的校准示值分别为49.95℃、50.15℃、49.95℃、49.99℃、50.00℃，不确定度半宽为0.10℃，按均匀分布处理，不同通道示值不一致性引入的标准不确定度：
        u12=0.10℃/=0.058℃
        ⑶测量标准温度分辨力引入的标准不确定度u13
        测量标准温度分辨力为0.01℃，不确定度区间半宽为0.005℃，按均匀分布处理，则测量标准温度分辨力引入的标准不确定度：
        u13=0.005℃/=0.003℃
        ⑷测量标准温度修正值引入的标准不确定度u14
        由测量标准的校准证书可知，其温度示值的校准结果扩展不确定度=0.06℃，k=2，实际取15个最大值的平均值，则测量标准温度修正值引入的不确定度为：
        u14=0.06℃/2/=0.008℃
        5.3.2输入量引入的标准不确定度u2
        ⑴测量重复性引入的标准不确定度u21=0.057℃。
        ⑵测量仪器不同通道示值的不一致性引入的标准不确定度：不同通道示值不一致性的影响已包含在的u12分量中，因此不再重复计算，即认为：u22=0.000℃。
        ⑶测量标准温度分辨力引入的标准不确定度u23=0.003℃。
        ⑷测量标准温度修正值引入的标准不确定度u24=0.008℃。
        5.4合成标准不确定度的计算
        合成标准不确定度uc按下式计算：
        0.100℃
        5.5扩展不确定度的确定
        取包含因子k=2，温度均匀度的校准结果扩展不确定度为：0.20℃。
        5.6结果及其不确定度报告
        水浴锅温度均匀度为：Δtu=0.51℃，温度均匀度的校准结果扩展不确定度：U=0.20℃，k=2。
        结语
        综上所述，本文对电热恒温水浴锅的校准条件、设备、项目和方法等进行了深入的分析和探讨，并以无孔结构的水浴锅为例，评定了电热恒温水浴锅温度均匀性测量结果的不确定度，为电热恒温水浴锅的校准提供了借鉴与参考，有效确保了电热恒温水浴锅的精确性。

        参考文献
        [1]刘凤萍.电热恒温水浴锅温度场(温度均匀性)测量值的不确定度评定[J].计量与测试技术,2016,43(01):84-85.