环境试验设备温度偏差校准结果不确定度分析

王剑锋++田驰++李乃洁

摘 要：环境试验设备是质检机构常用的样品检验前期处理设备，其安全稳定运行和准确的示值，是产品下一步性能试验出具可靠数据的保障和前提。为保证恒温箱等环境试验设备处于良好的状态，示值准确无误，需对此类设备进行温湿度校准。根据校准数据得出设备的总不确定度、重复性，判断其是否符合JJF1101-2003技术规范的要求，是否可以开展恒温、恒湿箱的检定工作。为此，该文以恒温箱为研究对象，建立了环境试验设备温湿度校准装置，将巡检仪传感器放入被检箱体内，分为上、中、下3层区域进行多点位测量，并对温度偏差校准结果进行不确定度分析，给产品检验提供技术保证，为相关设备的校准提供参考依据。

关键词：恒温箱 环境试验 检定校准 多点位测量 温度偏差 不确定度

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0133-02

1 定义

测量不确定度定义为“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。测量不确定度用于定量表示测量结果的可靠程度，它是“说明了置信水准的区间的半宽度”。从词义上理解，意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果的质量的一个参数。实际上由于测量不完善和人们的认识不足，所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，而是以一定的概率分散在某个区域内的许多个值[1]。虽然客观存在的系统误差是一个不变值，但由于人们不能完全认知或掌握，只能认为它是以某种概率分布存在于某个区域内，而这种概率分布本身也具有分散性。测量不确定度就是说明被测量之值分散性的参数，它不说明测量结果是否接近真值。不确定度的来源通常有：测量人员引入的不确定度、测量设备引入的不确定度、测量方法引入的不确定度、被测对象引入的不确定度以及测量环境引入的不确定度。

2 目的

由于测量设备是测量不确定度来源之一，为得到可信的检验结果，就需要对设备本身的准确性进行了解和明确。以恒温箱为例，主要是用于样品试验前的处理的环境试验设备，被许多检验机构大量使用。此类设备的准确示值和稳定运行，是样品进行下一步试验的基础和保障。为保证设备处于良好的状态，示值准确无误，该文建立环境试验设备温湿度校准装置，对恒温箱进行校准，给产品检验提供技术保证，为相关设备的校准提供参考依据。

3 计量标准的工作原理及校准方法

该文采用比较法，使用环境试验设备温湿度巡检仪（温度：±0.2 ℃；湿度：±1.5%RH），将巡检仪传感器放入被检箱体内进行多点位测量。先后共选取箱内中心以及4个角的数值。测试点分布在工作室内的上、中、下3层，中层为工作室几何中心平行于底面的工作面，测试点与内壁的距离不小于各边长的1/10，可加大但不能大于500 mm。测量方法如下：首先，设定试验相应的温度、相对湿度，待温、湿度恒定后，读取巡检仪及被检箱温湿度仪表的显示值，做好记录。其次，用修正后的巡检仪的示值减去被检箱仪表显示值，即得到被检箱内温、湿度值修正值。若被测的恒温箱内有样品架，则下层测试点可位于样品架上方10 mm处。以中心点测量箱体温度波动度，以温度测量最大值与最小值差算出温场均匀性。

4 计量标准的主要技术指标

环境试验设备温湿度巡检仪测量参数如下：温度测量范围：-60 ℃～1 000 ℃；分辨力：0.01 ℃；允差：±0.2 ℃。湿度测量范围：（10.0～99.0）%RH；分辨率：0.01%RH；允差：±1.5%RH。

5 环境条件

为保证试验结果准确，检查试验条件：室温，湿度≤85%，无振动影响，有排水，均符合要求。

6 不确定度分析

温度测量设备有温度传感器和数字温度显示仪组成，该套设备具有温度修正值。温度偏差是指设备温度显示仪表示值与中心点实际温度之差[1]。

6.1 数学模型

（1）

式中：为温度偏差，℃；

为被检设备温度显示仪表显示温度，℃；

为数字温度显示仪读数，℃；

为温度测量装置的修正值（指整体检定），℃。

6.2 方差与灵敏系数

式（1）中，，互为独立，因而得：

，，

故

6.3 不确定度来源及分析

（1）由引入的不确定度。对环境试验设备做15次独立重复测量。从设备显示仪上读取15次显示值，记为，，…，，平均值记为，其测量值分别为：100.1、100.0、99.9、99.9、100.0、100.1、100.1、100.0、99.9、100.0、100.0、99.9、100.0、99.9、99.8。

根据公式 （2）

計算得算术平均值的实验标准差=0.02 ℃。则由15次独立重复测量引入的标准不确定度分量 ℃，自由度v。

（2）由引入的不确定度。对环境试验设备作15次独立重复测量，从数字温度显示仪上读取15次显示值，记为，，…，，平均值记为，其测量值分别为：100.16、100.04、100.06、100.05、99.93、100.08、100.24、100.20、100.15、100.13、100.31、100.25、100.18、100.24、100.13.

根据公式（2），计算得算术平均值的实验标准差=0.098 21 ℃。则由15次独立重复测量引入的标准不确定度分量 ℃，自由度。

（3）由引入的不确定度。从检定证书知：温度测量装置修正值的扩展不确定度=0.1 ℃，以正态分布估计，=1.960，=0.1 ℃/1.960=0.051 ℃，。

6.4 不确定度分量

来源1：被测设备仪表读数重复性=0.02 ℃，自由度14。

来源2：温度测量装置读数重复性=0.098 21 ℃，自由度14。

来源3：温度测量装置误差=0.051 ℃，自由度。

（1）合成标准不确定度：

℃

（2）有效自由度：

根据公式eff

计算得eff=1792，取自由度为。

（3）扩展不确定度：

c=0.22℃，k=2。

7 结语

通过对恒温箱进行校准，并对校准结果进行不确定度分析，得到结论：该装置的总不确定度、重复性，符合JJF1101-2003技术规范的要求，可以开展恒温、恒湿箱的检定工作。这对于产品后续试验示值准确，检验结果客观、可靠提供了技术参数和保证。

参考文献

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[2] 王珏，田芬.工作用辐射温度计不确定度评定[J].计量与测试技术，2011，38（6）：72.

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[6] 田唯学，文丽松，庞景宇.环境试验设备温度偏差校准结果测量不确定度评定[C]//全国温度测量与控制技术交流会.2012.