环境试验设备新旧校准规范差异分析及其适用

陈健果

(龙岩市计量所，福建 龙岩 364000)

1 概述

环境试验设备在工程试验及产品可靠性测试中发挥着极其重要的作用。通过提供高温、低温、高湿和低湿的人工模拟环境，对产品进行温、湿度试验，使其暴露设计或制造等环节中可能存在的各种缺陷，以此验证产品在温、湿度环境的适应性以及预测产品的工作寿命。环境试验设备的发展随着科技进步也日趋于宽温度范围和大温变率。因此《环境试验设备温度、湿度校准规范》(JJF 1101-2003)已不再适用当下及未来环境试验设备的校准。于是，2020年3月27日起开始实施《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》(JJF 1101-2019)。较JJF 1101-2003而言，此校准规范对主要技术指标及其算法、校准方法、布点数量都做出了根本性变更，值得仔细研读其修订内容，深刻悟透其内在思想，并在日常校准工作中反复摸索和执行，这样才有利于温度、湿度参数的有效量传，有助于环境试验设备性能提升和产业发展。

2 对JJF 1101-2019修订内容的理解

2.1 更改了环境试验设备技术要求的有关内容

JJF1101-2019将对设备的技术要求更改为对温度、湿度参数的要求。另外，对环境试验设备温度范围的分区，也仅分为-80℃～200℃和200℃～300℃，不再将0℃～100℃单独列出制定更高技术指标。同时，交变湿热设备在新规范中也未体现，而是与湿热试验设备合并考虑。

2.2 删除了温度测量标准时间常数的要求

JJF 1101-2003指出，温度测量标准时间常数应小于15s，而新规范并未提及时间常数。有研究指出，温度传感器的响应时间对测量结果有显著影响，影响程度因导热介质不同而不同。假如导热介质为空气，当空气发生相对较快的温度变化时，响应时间较大的温度传感器测得值与实际值相差较大，反之响应时间较小的温度传感器测得值与实际值相差较小。由此可见，温度测量标准中的温度传感器响应时间也是重要的技术参数。但JJF 1101-2003未言明其时间常数是液体还是空气，易引起校准人员的困惑。而且接触式测温传感器的响应时间如何确定和测量也没有相关的国家标准或校准规范，这些都可能是JJF1101-2019未考虑时间常数的原因。但当参照JJF1101-2019校准冷热冲击试验箱或快速温度变化试验箱等特殊环境试验设备时，则需考虑温度测量标准的时间常数。

2.3 修改了温度、湿度偏差和温度、湿度波动度的计算方法

环境试验设备由箱体工作室、控制仪表、调节系统及其他辅助组成。新校准规范只对箱体工作室进行温湿度参数的校准，不再考虑控制仪表的显示值。箱体工作室也不再强调工作空间中心点概念，不再以中心点数据来评判被校设备温湿度场的计量性能，而以所有测量点的所有实测值来衡量被校设备。环境试验设备稳定状态下，工作空间各测量点在规定时间内实测最高值、最低值与设定值的差值分别为上、下偏差。以容积0.05m3～2m3干燥箱为例，其偏差等于9个测量点每16组数据中的最大值、最小值与设定值的差值，不再是5号中心点的平均值与干燥箱温控仪表的显示值之差。

波动度同理，不再单一地以中心点数据作为判断依据。而是通盘考虑被校环境试验设备各个测量点的实际情况。稳定状态下，将规定时间内测量点的最高值与最低值的差值最大者作为波动度校准结果。

2.4 明确了环境试验设备稳定状态的定义

较JJF1101-2003而言，新校准规范对环境试验设备稳定状态作了明确地定义：环境试验设备工作空间内任意点的温度、相对湿度变化量达到设备本身性能指标要求时的状态。同时对稳定时间也做了相应规定：温度达到设定值至开始记录数据所等待的时间不超过60min。但因被校环境试验设备质量未可知，可通过观察主机的自动监测软件中实时曲线的波动情况来判断设备是否达到稳定状态。当达到设定值且出现有规律的波动曲线时，可认为达到稳定状态，可以开始校准。

2.5 提高了记录时间间隔和数据记录次数的灵活性

JJF 1101-2019不再以记录时间间隔2min、记录次数16组作为唯一的采样依据。7.2.4和7.2.5部分明确提出可以根据设备运行状况和用户校准需求来确定时间间隔和数据记录次数。当设备的控制周期较短时，可以缩短记录时间间隔，提高校准工作效率；当设备控制周期较长时，则需要适当延长记录时间间隔，甚至增加数据记录次数，以此覆盖整个控制周期。如此，校准数据才能完整地反映被校设备的真实情况。

2.6 增加了工作空间内测量点布点的自主性

JJF1101-2019提到当环境试验设备容积小于0.05m3或大于50m3时，可根据实际需要或用户需求减少或增加测量点数量并图示说明。这大大增加了测量点布设的自主性，但仍需根据被校环境试验设备的计量性能做出恰当估算。有些环境试验设备容积小但均匀性差，而有些环境试验设备容积虽大但均匀性较好，所以工作空间内测量点的布设最好能依据往年数据进行预判，预估被校环境试验设备的计量性能，真正达到计量体检的目的。

3 在实际校准工作中需注意的事项

3.1 温度测量标准的选择和使用

目前，市面上工业铂电阻温度计的感温元件主要有薄膜式或线绕式。薄膜元件具有体积小、响应速度快、抗震性好及廉价等特点，所以用于温度测量标准的铂电阻传感器主要采用薄膜元件制成，但国内外难以找到满足A级要求且量程范围为-80℃～300℃的薄膜元件。所以建议将铂电阻传感器根据使用条件、测量范围以及准确度要求进行分组使用，比如可以考虑-80℃～100℃或-80℃～150℃的量程范围的传感器更加注重其防水性能，可在水等液体介质下使用；而0℃～300℃或-30℃～300℃的传感器主要用在空气介质，高温测量后的传感器其密封性可能出现问题，避免再用于液体介质的测量。当然也可以使用线绕式的传感器来满足全量程A级的技术要求，但无论使用哪种传感器，在温度测量标准的使用过程中均建议带上修正值，以确保温度测量的准确可靠。

3.2 附录B环境试验设备校准证书内页参考格式给出的数据量不充分

JJF1101-2019更改了偏差的计算方法，对被校环境试验设备整个工作空间的计量特性提出了更高要求，将推动环境试验设备出厂质量再上新台阶。但目前各实验室所使用的环境试验设备质量参差不齐，尤其是部分老旧的国产环境试验设备技术指标较差。这直接导致了部分环境试验设备的偏差无法满足用户的实验要求，具体会出现以下几种情况(见表1)。

表1 环境试验设备偏差不满足实验要求时的几种情况

除了④可以通过微调自整定参数或者告知用户实验时对设定值进行修正使用，其他三种情况下，校准人员很难对被校设备采取措施，使得上下偏差都符合实验要求。但这并不代表该环境试验设备不满足实验要求，因为其他测量点在稳定状态下测量数据范围是可能落在实验要求的区间内的。

例如，图1是一台分辨力0.1℃的电热鼓风干燥箱校准证书内页。用户使用这台干燥箱的实验要求是105℃±1℃。当我们采用了附录B给出的校准证书内页参考格式时，出具校准证书只有图1中的“1.校准点分布示意图”和“3.校准结果”。用户对该份证书进行校准结果确认时只能得出该被校对象不符合实验使用要求的结论，需淘汰或者维修。但如果出具的校准证书内页中包含“2.校准数据”时，明确给出各个测量点在稳定状态下的测量数据范围。此时用户就会得知其实只有位于靠门一侧的四个测量点(3、4、8、9)的校准数据不符合105℃±1℃的要求，在此基础上进行校准结果确认，再在具体实验布样时避开3、4、8、9这四个测量点即可。如此一来，节约用户更换或维修设备的成本，切实站在用户角度实现设备利用最大化。

图1 电热鼓风干燥箱校准证书内页

3.3 附录C环境试验设备温度、相对湿度偏差标准不确定度分量重复引入

与JJF1101-2003最大的不同，JJF1101-2019校准的是环境试验设备的温度场，不再考虑环境试验设备的温控仪表。所以，测量重复性就是指标准器的测量重复性。由于分辨力对测量结果重复性有影响，二者只需取大值即可。但在附录C中，同时引入了标准器测量重复性和标准器分辨力，导致温湿度偏差的标准不确定度分量重复引入。根据校准规范6.3.3对温湿度测量标准分辨力最低要求分别是0.01℃和0.1%RH，按照均匀分布考虑，温湿度分辨力引入的标准不确定分量分别是0.003℃和0.03%RH。显然，一般情况下温湿度测量标准的分辨力引入的标准不确定度分量非常小，可以忽略不计。所以即使在附录C中重复考虑这两个分量并未对最终结果造成影响，但易引起基层计量人员不必要的误解。

3.4 环境试验设备日常维护保养对校准结果的影响

环境试验设备日常维护保养得当对校准结果有着积极影响。恒温设备的循环系统是通过风机带动设备内的恒温介质流动，加速能量的传递，保障工作区域的各点温度都在设定范围内。若风机不工作或工作不正常，会直接导致温度偏差较高或均匀性较差。另外，物品摆放切勿将环境试验设备的传感器遮挡住。传感器被遮挡住导致其测量的区域与其他区域隔绝，测温和控温同时滞后，导致校准结果不准确。恒湿设备的干湿球传感器是否配置完好，湿球传感器探头是否湿润，是否使用专用的“湿球纱布”，是否将纱布紧密缠绕传感器，湿球传感器供水是否使用纯净水或蒸馏水，加湿器水量是否充足。这些种种因素都会影响湿度测得值。

4 结论

较JJF1101-2003而言，JJF1101-2019更改了环境试验设备技术要求有关内容，将对设备的技术要求更改为对温度、湿度参数的要求；删除了温度测量标准时间常数的要求，但特殊环境试验设备参照JJF1101-2019校准时，仍需考虑温度测量标准的时间常数；修改了温度、湿度偏差和温度、湿度波动度的计算方法；明确了环境试验设备稳定状态的定义；提高了记录时间间隔和数据记录次数的灵活性；增加了工作空间内测量点布点的自主性，以满足不同性能、多种多样环境试验设备的校准需求。虽然新规范在一定程度上便利了在基层一线从事环境试验设备校准的计量工作者，但计量人员也要站在客户角度上提供充足的校准数据，避免不必要的客户疑虑和资源浪费。另外，应主动告知客户需对环境试验设备进行日常维护保养，以达到设备处于最佳工作状态，使得校准结果符合使用要求。