表面温源加热装置校准方法及不确定度评定
2019-01-08喻文婷
洪 玲，喻文婷
（江西省计量测试研究院，南昌 330022）
随着科学技术的发展，温度的测量和控制已经越来越广泛的应用在安全生产、环境监测、医疗卫生、食品药品等行业当中。采用电加热方式，将热量传给金属恒温块，并利用金属恒温块的表面为被加热物体加热，通过控制恒温块的温度来满足实际使用的需要，这就是本文中所阐述的表面温源加热板类装置及仪器设备（以下简称表面温源）。该类仪器设备的温度示值的准确性，在保证产品质量、提高生产效率、加强食品药品和医疗卫生安全管理等诸多方面起到了十分重要的作用。为保证表面温源加热装置的准确性，必须对该类仪器设备进行量值溯源和计量检测。在实际计量中，使用表面温度计或柔性T型热电偶温度传感器，计量表面温源表面的温度或其自身恒温块校准孔内的温度。本文是根据多年的热工检测经验总结出的一种校准方法。
1 校准条件
本方法适用于表面温源加热板类装置及仪器设备，如电热板、消解实验仪等通过表面加热提供热源的仪器设备。适用温度范围为（50～400）℃。
1.1 计量特性
1.1.1 外观
（1）仪器设备外形结构应完好，无明显缺陷，能够正常加热升温及明显恒温。
（2）表面温源有效加热区域应平整、光滑，无设计外的明显凹凸不平、破损及其它不能正常工作或者影响测量准确度的缺陷。
（3）档位刻度应清晰可辨，数显屏幕各数位或带有小数点的各数码管显示应完整无缺。
1.1.2 设备示值误差
仪器设备在稳定状态下测得的设备示值与标准示值的差值。
1.1.3 温度波动度
被测仪器设备几何中心位置的温度最大值与最小值之差。
1.1.4 温度均匀度
将表面温源加热装置升温至目标温度点，分别计算各测量温度点位置1、位置2、位置3、位置4测量结果与该测量前后相邻两次位置0测量结果平均值的差值，取这4个值绝对值的最大值为相应温度点表面温源的温度均匀性。
1.2 校准条件
1.2.1 环境条件
（1）环境温度：推荐温度（15～35）℃，湿度≤85%RH，或符合校准用仪器所规定的环境条件。
（2）在校准工作过程中，校准实验室内不应有影响测量结果的环境因素。
1.2.2 测量标准及配套设备
（1）测量标准：对于平面式电加热板型的表面温源采用表面温度计测量，表面温度计校准结果扩展不确定度应符合U=2.0℃ k=2。对于干井式或有校准孔型的表面温源采用柔性T型热电偶温度传感器测量，柔性T型热电偶温度传感器连电测仪表整体检测应符合≤0.3℃。
（2）配套设备：表面温度计感温元件为表面热电偶，指示仪表一般应具有热电偶参考端温度自动补偿功能。配套电测仪表，要求符合0.1级及以上技术指标。
2 校准项目及校准方法
2.1 校准项目
根据仪器类别及仪器自身功能和客户的要求，校准项目见表1所示。
表1 表面温源类仪器校准项目
2.2 校准方法
2.2.1 温度示值误差
选取表面温源加热装置有效加热区域中心点为测量位置。首先将表面温源加热装置升温至目标温度稳定后，用表面温度计温度传感器的感温元件紧密贴附于表面温源加热装置，使其参考端温度与环境温度充分达到热平衡后方可进行测量，每隔1min测量1次，10min内测量11次，分别记录设备示值和标准示值，计算出11组测量结果的平均值，并将设备示值的平均值与标准器实际值的平均值之差作为该仪器当前温度点的示值误差。[1]视实际计量需求，在该点处测完其它相应项目再将表面温源加热装置升温至下一个温度点进行测量。计量点若无特殊要求通常选取整十或整百的温度点。
式中：
视实际需要，可依据客户选择，在带有校准孔的仪器设备中，将柔性T型热电偶温度传感器放置于校准孔内，并采用上述同样记录方法测量其温度示值误差，间隙较大时需采用隔热材料堵塞孔口处。[2]
2.2.2 温度波动度
选取表面温源加热装置有效加热区域中心点为测量位置。在各温度点的示值误差计量项目的10min内测量11次的数据中，计算出11组测量结果的最大值与最小值之差，作为该仪器当前温度点的温度波动度。视实际计量需求，在该点处测完其它相应项目再将表面温源设备升温至下一个温度点进行测量。
式中：
2.2.3 温度均匀度
（1）测量区域及测量位置的选择
典型的加热结构分为两类即方形和圆形，如图1所示，小圆圈代表传感器测量位置，数字为测试位置顺序编号，实线为仪器边缘，虚线为仪器有效加热区域。
图1 平面式表面温源测量位置选择
（2）温度均匀性测量
首先将表面温度源加热装置升温至温度点稳定后，使用表面温度计分别在图1中所示的五个测量位置，按照位置编号0-1-0-2-0-3-0-4-0的顺序，每隔1min测量一个位置点的温度，读数后迅速将表面温度计移至下一测量位置，共测一遍。然后将表面温源升温至下一个温度点，重复上述操作过程。
2.3 校准结果的表达
经校准后的设备发放校准证书，校准证书应给出相应示值误差及其它各测量项目的校准结果和对应的不确定度。
2.4 复校时间间隔
复校时间间隔建议不超过1年。在复校时间间隔内，如仪器经过较大的维修或出现明显偏差及对仪器性能表示怀疑时，应重新校准。
3 不确定度评定
3.1 测量方法
对于干井式或有校准孔型的表面温源采用温度巡检仪测量，对于平面式电加热板的表面温源采用表面温度计测量。选取表面温源加热装置有效加热区域中心点为测量位置，升温至目标温度稳定后，分别记录设备示值和标准示值，取二者平均值之差作为示值误差校准结果。
3.2 数学模型
3.3 合成方差和灵敏系数
故：
3.4 输入量的标准不确定度
对一个相对稳定的表面温源，根据其示值稳定性情况，对其重复性分段做重复性观测，在相对稳定的低温段（50～100）℃取100℃，波动稍大的中温段（100～200）℃取200℃、波动较大的高温段（200～300）℃取300℃，波动最大的400℃，在各温度点分别做10次独立重复观测，具体数据及计算如表2。
表2 测量数据及计算结果
表面温源指示仪表分辨力为1℃，则区间半宽为0.5℃，按均匀分布处理，则：
（2）标准器所在位置与表面温源自身传感器位置不一致引入的不确定度
实际应用中表面温源通常采用导热性能良好的金属来做温源的热板，具有良好的等温特性，鉴于两种方法的不同，对于带有校准孔的表面温源考虑到缝隙及热量损失，以温度巡检仪测量，其不一致性按经验估计分别为：当被测对象分辨力为1℃时误差为0.5℃，分辨力为0.1℃时误差为0.4℃，按照正态分布处理，则：
对于平面式表面温源以表面温度计测量，其不一致性按经验估计分别为：当被测对象分辨力为1℃时误差为0.5℃，分辨力为0.1℃时误差为0.3℃，按照正态分布处理，则：
（3）标准器所在位置与表面温源中心区域位置的温场不均匀引入的不确定度
标准器在表面温源中心区域位置的温差，按经验估计以温度巡检仪作标准器按分辨力1℃、0.1℃的不同取最大值分别为0.5℃、0.2℃，按照正态分布处理，则：
按经验估计以表面温度计作标准器按分辨力1℃、0.1℃的不同取最大值分别为0.8℃、0.8℃，按照正态分布处理，则：
由于输入量各分量之间互不相关，因此有：
分辨力为1℃时：
分辨力为0.1℃时：
以温度巡检仪作标准器不作修正使用。
3.5 合成标准不确定度
输入量的标准不确定度汇总表见表3。
表3 标准不确定度汇总表
由于各分量之间相互独立，互不相关，因此其合成标准不确定度为：
3.6 扩展不确定度
由上述合成标准不确定度，取k=2，得到扩展不确定：
（1）使用表面温度计作标准器时，则扩展不确定度见表4。
表4 表面温度计示值误差的扩展不确定度
（2）使用温度巡检仪作标准器时，则扩展不确定度见表5。
表5 温度巡检仪示值误差的扩展不确定度
4 结论
本文给广大的热工计量工作人员和企业相关工程人员提供了一套校准表面温源设备及不确定度评定的方法。
