表面溫源加熱裝置校準方法及不確定度評定

洪 玲，喻文婷

（江西省計量測試研究院，南昌 330022）

隨著科學技術的發展，溫度的測量和控制已經越來越廣泛的應用在安全生產、環境監測、醫療衛生、食品藥品等行業當中。采用電加熱方式，將熱量傳給金屬恒溫塊，并利用金屬恒溫塊的表面為被加熱物體加熱，通過控制恒溫塊的溫度來滿足實際使用的需要，這就是本文中所闡述的表面溫源加熱板類裝置及儀器設備（以下簡稱表面溫源）。該類儀器設備的溫度示值的準確性，在保證產品質量、提高生產效率、加強食品藥品和醫療衛生安全管理等諸多方面起到了十分重要的作用。為保證表面溫源加熱裝置的準確性，必須對該類儀器設備進行量值溯源和計量檢測。在實際計量中，使用表面溫度計或柔性T型熱電偶溫度傳感器，計量表面溫源表面的溫度或其自身恒溫塊校準孔內的溫度。本文是根據多年的熱工檢測經驗總結出的一種校準方法。

1 校準條件

本方法適用于表面溫源加熱板類裝置及儀器設備，如電熱板、消解實驗儀等通過表面加熱提供熱源的儀器設備。適用溫度范圍為（50～400）℃。

1.1 計量特性

1.1.1 外觀

（1）儀器設備外形結構應完好，無明顯缺陷，能夠正常加熱升溫及明顯恒溫。

（2）表面溫源有效加熱區域應平整、光滑，無設計外的明顯凹凸不平、破損及其它不能正常工作或者影響測量準確度的缺陷。

（3）檔位刻度應清晰可辨，數顯屏幕各數位或帶有小數點的各數碼管顯示應完整無缺。

1.1.2 設備示值誤差

儀器設備在穩定狀態下測得的設備示值與標準示值的差值。

1.1.3 溫度波動度

被測儀器設備幾何中心位置的溫度最大值與最小值之差。

1.1.4 溫度均勻度

將表面溫源加熱裝置升溫至目標溫度點，分別計算各測量溫度點位置1、位置2、位置3、位置4測量結果與該測量前后相鄰兩次位置0測量結果平均值的差值，取這4個值絕對值的最大值為相應溫度點表面溫源的溫度均勻性。

1.2 校準條件

1.2.1 環境條件

（1）環境溫度：推薦溫度（15～35）℃，濕度≤85%RH，或符合校準用儀器所規定的環境條件。

（2）在校準工作過程中，校準實驗室內不應有影響測量結果的環境因素。

1.2.2 測量標準及配套設備

（1）測量標準：對于平面式電加熱板型的表面溫源采用表面溫度計測量，表面溫度計校準結果擴展不確定度應符合U=2.0℃ k=2。對于干井式或有校準孔型的表面溫源采用柔性T型熱電偶溫度傳感器測量，柔性T型熱電偶溫度傳感器連電測儀表整體檢測應符合≤0.3℃。

（2）配套設備：表面溫度計感溫元件為表面熱電偶，指示儀表一般應具有熱電偶參考端溫度自動補償功能。配套電測儀表，要求符合0.1級及以上技術指標。

2 校準項目及校準方法

2.1 校準項目

根據儀器類別及儀器自身功能和客戶的要求，校準項目見表1所示。

表1 表面溫源類儀器校準項目

2.2 校準方法

2.2.1 溫度示值誤差

選取表面溫源加熱裝置有效加熱區域中心點為測量位置。首先將表面溫源加熱裝置升溫至目標溫度穩定后，用表面溫度計溫度傳感器的感溫元件緊密貼附于表面溫源加熱裝置，使其參考端溫度與環境溫度充分達到熱平衡后方可進行測量，每隔1min測量1次，10min內測量11次，分別記錄設備示值和標準示值，計算出11組測量結果的平均值，并將設備示值的平均值與標準器實際值的平均值之差作為該儀器當前溫度點的示值誤差。[1]視實際計量需求，在該點處測完其它相應項目再將表面溫源加熱裝置升溫至下一個溫度點進行測量。計量點若無特殊要求通常選取整十或整百的溫度點。

式中：

視實際需要，可依據客戶選擇，在帶有校準孔的儀器設備中，將柔性T型熱電偶溫度傳感器放置于校準孔內，并采用上述同樣記錄方法測量其溫度示值誤差，間隙較大時需采用隔熱材料堵塞孔口處。[2]

2.2.2 溫度波動度

選取表面溫源加熱裝置有效加熱區域中心點為測量位置。在各溫度點的示值誤差計量項目的10min內測量11次的數據中，計算出11組測量結果的最大值與最小值之差，作為該儀器當前溫度點的溫度波動度。視實際計量需求，在該點處測完其它相應項目再將表面溫源設備升溫至下一個溫度點進行測量。

式中：

2.2.3 溫度均勻度

（1）測量區域及測量位置的選擇

典型的加熱結構分為兩類即方形和圓形，如圖1所示，小圓圈代表傳感器測量位置，數字為測試位置順序編號，實線為儀器邊緣，虛線為儀器有效加熱區域。

圖1 平面式表面溫源測量位置選擇

（2）溫度均勻性測量

首先將表面溫度源加熱裝置升溫至溫度點穩定后，使用表面溫度計分別在圖1中所示的五個測量位置，按照位置編號0-1-0-2-0-3-0-4-0的順序，每隔1min測量一個位置點的溫度，讀數后迅速將表面溫度計移至下一測量位置，共測一遍。然后將表面溫源升溫至下一個溫度點，重復上述操作過程。

2.3 校準結果的表達

經校準后的設備發放校準證書，校準證書應給出相應示值誤差及其它各測量項目的校準結果和對應的不確定度。

2.4 復校時間間隔

復校時間間隔建議不超過1年。在復校時間間隔內，如儀器經過較大的維修或出現明顯偏差及對儀器性能表示懷疑時，應重新校準。

3 不確定度評定

3.1 測量方法

對于干井式或有校準孔型的表面溫源采用溫度巡檢儀測量，對于平面式電加熱板的表面溫源采用表面溫度計測量。選取表面溫源加熱裝置有效加熱區域中心點為測量位置，升溫至目標溫度穩定后，分別記錄設備示值和標準示值，取二者平均值之差作為示值誤差校準結果。

3.2 數學模型

3.3 合成方差和靈敏系數

故：

3.4 輸入量的標準不確定度

對一個相對穩定的表面溫源，根據其示值穩定性情況，對其重復性分段做重復性觀測，在相對穩定的低溫段（50～100）℃取100℃，波動稍大的中溫段（100～200）℃取200℃、波動較大的高溫段（200～300）℃取300℃，波動最大的400℃，在各溫度點分別做10次獨立重復觀測，具體數據及計算如表2。

表2 測量數據及計算結果

表面溫源指示儀表分辨力為1℃，則區間半寬為0.5℃，按均勻分布處理，則：

（2）標準器所在位置與表面溫源自身傳感器位置不一致引入的不確定度

實際應用中表面溫源通常采用導熱性能良好的金屬來做溫源的熱板，具有良好的等溫特性，鑒于兩種方法的不同，對于帶有校準孔的表面溫源考慮到縫隙及熱量損失，以溫度巡檢儀測量，其不一致性按經驗估計分別為：當被測對象分辨力為1℃時誤差為0.5℃，分辨力為0.1℃時誤差為0.4℃，按照正態分布處理，則：

對于平面式表面溫源以表面溫度計測量，其不一致性按經驗估計分別為：當被測對象分辨力為1℃時誤差為0.5℃，分辨力為0.1℃時誤差為0.3℃，按照正態分布處理，則：

（3）標準器所在位置與表面溫源中心區域位置的溫場不均勻引入的不確定度

標準器在表面溫源中心區域位置的溫差，按經驗估計以溫度巡檢儀作標準器按分辨力1℃、0.1℃的不同取最大值分別為0.5℃、0.2℃，按照正態分布處理，則：

按經驗估計以表面溫度計作標準器按分辨力1℃、0.1℃的不同取最大值分別為0.8℃、0.8℃，按照正態分布處理，則：

由于輸入量各分量之間互不相關，因此有：

分辨力為1℃時：

分辨力為0.1℃時：

以溫度巡檢儀作標準器不作修正使用。

3.5 合成標準不確定度

輸入量的標準不確定度匯總表見表3。

表3 標準不確定度匯總表

由于各分量之間相互獨立，互不相關，因此其合成標準不確定度為：

3.6 擴展不確定度

由上述合成標準不確定度，取k=2，得到擴展不確定：

（1）使用表面溫度計作標準器時，則擴展不確定度見表4。

表4 表面溫度計示值誤差的擴展不確定度

（2）使用溫度巡檢儀作標準器時，則擴展不確定度見表5。

表5 溫度巡檢儀示值誤差的擴展不確定度

4 結論

本文給廣大的熱工計量工作人員和企業相關工程人員提供了一套校準表面溫源設備及不確定度評定的方法。