实验室温场控制对测量结果的影响

冯明涛

1大庆油田设计院有限公司

2中国石油天然气集团有限公司原油及成品油计量检测重点实验室

3国家石油天然气大流量计量站

温度变送器校准执行的现行规范JJF1183—2007 《温度变送器校准规范》[1]中明确指出，为保障校准具有尽可能小的不确定度，建议校准应在以下的标准环境条件下进行：环境温度20 ℃±2 ℃（0.1 级～0.2 级变送器），20 ℃±5 ℃（0.5 级～2.5级变送器）。压力变送器检定执行的现行规程JJG 882—2019 《压力变送器》[2]与JJG 882—2004《压力变送器》[3]相比，在环境条件上对温场提出了更高的要求。新规程在准确度等级较高仪表的检定要求的温度范围更精确，对气体流动提出了新的要求（表1）。

表1 新旧压力变送器检定规程中温度条件要求差异Tab.1 Temperature condition differences between the old and new pressure transmitter verification regulations

1 控温设备存在的问题和改造要求

改造前实验室控温设施是立式空调，放置在实验室角落。其特点是价格便宜、维修简单、调节温度方便。但是在实际使用中，发现具有以下问题：

（1）送风方向朝向实验室对角，风速对角高边缘低，产生很强的气流流动。

（2）送风方式是固定方向时，风速衰减快，温度近场高、远场底。

（3）送风方式是摆动时，造成风场周期性变化，射流的扩散和混合不好。

上述的原因造成了温场的不准确、不均匀且波动很大。由于温场不均匀，造成温度计测量的温度和设备所在位置的实际温度有差别，忽高忽低，常常超出校准条件允许的范围，必须要进行送风方式的改造。

温场改造除了要满足检定规程和校准规范对环境温度的要求外，结合实际情况，提出下列要求：

①工作区温场要均匀，区域温差和室温波动范围不能过大；②工作区风速均匀而较小，不能产生很强的气流流动；③实验室处于全封闭环境，为保证人员呼吸需要，要求单位面积送风量比较大。

2 实验室改造方案和实际效果

通过研究国内其他实验室改造的实例[4-9]，对侧面送风、散流器送风、孔板送风、喷口送风和条缝送风等几种送风方式进行比较，最终选择了孔板送风方式进行实验室改造。

孔板送风是空气经过开有若干圆形或条缝形小孔的孔板进入房间的方式。顶棚上面空间为稳压层，空气由送风管进入稳压层后，在静压作用下，通过在顶棚上（扣除布置照明灯具的面积）均匀布置孔板，均匀进入空调房间内进行送风，回风口均匀布置在房间下部。孔板送风气流流型如图1所示。

图1 孔板送风气流流型Fig.1 Airflow pattern of orifice air supply

孔板送风方式的特点是射流的扩散和混合较好，射流的混合过程很短，温差和风速衰减快，因而工作区温度和速度分布均匀。孔板送风时，风速均匀而较小，区域温差也很小。因此，对于区域温差和工作区风速要求严格、单位面积送风量比较大、室温允许波动范围较小的有恒温及净化要求高的空调房间，宜采用孔板送风的方式。改造完成后的孔板实际图见图2。

图2 改造完成后的孔板实际效果Fig.2 Actual effect of orifice plate after modification

3 改造效果评价和对测量结果的影响

实验室改造完成后，经过评定，达到了所需的效果。离墙0.5 m 外工作区各测试点温差均达到要求。人员多次开门进出实验室，离门近的测试点温度略有波动，但基本没有产生明显气流。设备运行正常，能很好地控制室内温度一直处于要求范围内，最终测试结果满足要求。改造后对实验室开展的仪表检定测量结果准确性有着明显的提升。以温度实验室为例，在实验室内对温度变送器进行电流输出测量结果的不确定度评定[10]，被校对象为与铂热电阻配用的温度变送器（带传感器）。选用的标准设备如表2所示。

表2 选用标准设备基本信息Tab.2 Basic information of selected standard equipment

3.1 测量模型

温度变送器示值误差的测量模型[2]为

式中：ΔI为温度变送器各被校点的测量误差，mA；Id为温度变送器被校点实际输出电流的值，mA；Im为温度变送器的输出量程，mA；tm为温度变送器的输入量程，℃；I0为温度变送器输出的理论下限值，mA；t为标准温度计测得的温度值，℃；t0为温度变送器输入范围的下限值，℃。

3.2 测量不确定度来源分析

分析温度变送器示值误差的测量模型（1）可以发现，影响测量误差的主要因素来自于输出量Id和输入量t[3]。

3.2.1 输出量Id引入的标准不确定度u(Id)的评定

输出量Id的不确定度来源主要有两部分：被测变送器输出电流的重复性和多功能过程校验仪MC6的测量误差。

（1）输出电流重复性导致的不确定度u()Id1。在每个被校点对变送器进行六次重复测量，取平均值作为测量结果。则标准不确定度（A类）可以用实验标准偏差来评估。本例中以每一被校点变送器输出值（换算到被校温度点）单次测量的实验标准偏差最大值s的平均值作为测量结果，

（2）多功能过程校验仪MC6 的测量误差引入的不确定度u(Id2)。u(Id2)可根据上级校准证书得到，在量程为0～30 mA 时，其电流输入的最大扩展不确定度为U=0.000 8 mA，k=2，其区间半宽α=0.000 8 mA，则

（3）标准不确定度u(Id)的计算。由于u(Id1) 和u(Id2)彼此相互独立，因此

3.2.2 输入量t的不确定度u(t)的评定

输入量t的不确定来源主要是二等标准铂电阻引入的不确定度、恒温槽引入的不确定度和测温仪引入的不确定度。

（1）二等标准铂电阻引入的不确定度u(t1) 。二等标准铂电阻引入的不确定度主要包括标准器自热效应引入的不确定度和标准铂电阻温度计水三相点变化引入的不确定度。

按标准铂电阻温度计检定规程要求，二等标准铂电阻温度计在水三相点处的自热不超过4.0 mK，即≤0.004 0 ℃，则其区间半宽α=0.004 0 ℃，按均匀分布，取，则二等标准铂电阻温度计自热效应引入的不确定度

按标准铂电阻温度计检定规程要求，二等标准铂电阻温度计在水三相点处的允许变化量为10 mK，即≤±0.010 ℃，则其区间半宽α=0.010 ℃，按均匀分布，取，则标准铂电阻温度计水三相点变化引入的不确定度

二等标准铂电阻引入的不确定度u(t1) 为：

（2）低温恒温槽FLUKE7341 引入的标准不确定度u(t2)。恒温槽引入的标准不确定度主要包括恒温槽工作区域温场均匀性（水平温差、垂直温差）引入的不确定度和温场波动性引入的不确定度分量。

根据低温恒温槽FLUKE7341 的校准证书，-45～150 ℃范围内，最大水平温差为0.01 ℃，则其区间半宽α=0.01 ℃，按均匀分布，取，则恒温槽温度水平温差校准结果引入的标准不确定度

根据低温恒温槽FLUKE7341 的校准证书，-45～150 ℃范围内，最大垂直温差为0.02 ℃，则其区间半宽α=0.02 ℃，按均匀分布，取，则恒温槽温度垂直温差校准结果引入的标准不确定度

从恒温槽校准证书上可以得到，-45～150 ℃范围内，恒温槽温场波动性为±0.01 ℃/15 min，其区间半宽α=0.01 ℃，按均匀分布，取则恒温槽工作区域温场波动性引入的标准不确定度

则恒温槽引入的标准不确定度u()t2为：

二等标准铂电阻温度计本身非常稳定，其读数的变化反映的是恒温槽内温场的变化。改造前用立式空调控温时，由于温场不稳定，导致低温恒温槽控温波动性较大，通过标准温度计测量，波动达到±0.03 ℃/15 min。改造后，标准温度计读数波动能稳定在±0.01 ℃/15 min 之内，波动降低了0.02 ℃。改造前后标准温度计读数对比如表3所示。

表3 改造前后标准温度计读数对比Tab.3 Comparison of readings of standard thermometers before and after modification

（3）自动测温电桥FLUKE1529 引入的不确定度u(t3)。自动测温电桥FLUKE1529 校准证书引入的不确定度U=0.005 ℃，k=2，其区间半宽，则u(t3)=0.002 5 ℃。

（4）标准不确定度u(t)的计算。由于u(t1)、u(t2)和u(t3)彼此相互独立，因此

3.3 合成不确定度uc 的评定

3.3.1 标准不确定度汇总

标准不确定度汇总结果如表4所示。

表4 标准不确定度汇总Tab.4 Summary of standard uncertainty

3.3.2 合成不确定度的计算

由于Id和t相互间彼此独立，所以合成不确定度可按下式得到

3.4 扩展不确定度U 的评定

被测仪表的测量结果的扩展不确定度U=2uc=0.006 4 mA，k=2。对于测量范围为10～90 ℃的变送器而言，用输入温度变量表示时，

4 结论

（1）用立式空调控制实验室温度，给检定设备尤其是温度仪表检定设备温场的稳定性和波动性造成很大影响，不确定度大大提高，对整个测量结果造成很大影响。

（2）使用孔板送风方式，可降低室内温湿度梯度、缩小波动范围[11]，温差和风速衰减快，所以风速分布均匀且较小，工作区温度区域温差也很小。

（3）实验室改造后，被测仪表的重复性有了很大的提高。主要原因是孔板送风方式降低了区域温差和风速，减少了扰动气流的影响，使恒温水浴槽的波动性大大降低，波动对比改造之前降低了近0.02 ℃。