實驗室溫場控制對測量結果的影響

馮明濤

1大慶油田設計院有限公司

2中國石油天然氣集團有限公司原油及成品油計量檢測重點實驗室

3國家石油天然氣大流量計量站

溫度變送器校準執行的現行規范JJF1183—2007 《溫度變送器校準規范》[1]中明確指出，為保障校準具有盡可能小的不確定度，建議校準應在以下的標準環境條件下進行：環境溫度20 ℃±2 ℃（0.1 級～0.2 級變送器），20 ℃±5 ℃（0.5 級～2.5級變送器）。壓力變送器檢定執行的現行規程JJG 882—2019 《壓力變送器》[2]與JJG 882—2004《壓力變送器》[3]相比，在環境條件上對溫場提出了更高的要求。新規程在準確度等級較高儀表的檢定要求的溫度范圍更精確，對氣體流動提出了新的要求（表1）。

表1 新舊壓力變送器檢定規程中溫度條件要求差異Tab.1 Temperature condition differences between the old and new pressure transmitter verification regulations

1 控溫設備存在的問題和改造要求

改造前實驗室控溫設施是立式空調，放置在實驗室角落。其特點是價格便宜、維修簡單、調節溫度方便。但是在實際使用中，發現具有以下問題：

（1）送風方向朝向實驗室對角，風速對角高邊緣低，產生很強的氣流流動。

（2）送風方式是固定方向時，風速衰減快，溫度近場高、遠場底。

（3）送風方式是擺動時，造成風場周期性變化，射流的擴散和混合不好。

上述的原因造成了溫場的不準確、不均勻且波動很大。由于溫場不均勻，造成溫度計測量的溫度和設備所在位置的實際溫度有差別，忽高忽低，常常超出校準條件允許的范圍，必須要進行送風方式的改造。

溫場改造除了要滿足檢定規程和校準規范對環境溫度的要求外，結合實際情況，提出下列要求：

①工作區溫場要均勻，區域溫差和室溫波動范圍不能過大；②工作區風速均勻而較小，不能產生很強的氣流流動；③實驗室處于全封閉環境，為保證人員呼吸需要，要求單位面積送風量比較大。

2 實驗室改造方案和實際效果

通過研究國內其他實驗室改造的實例[4-9]，對側面送風、散流器送風、孔板送風、噴口送風和條縫送風等幾種送風方式進行比較，最終選擇了孔板送風方式進行實驗室改造。

孔板送風是空氣經過開有若干圓形或條縫形小孔的孔板進入房間的方式。頂棚上面空間為穩壓層，空氣由送風管進入穩壓層后，在靜壓作用下，通過在頂棚上（扣除布置照明燈具的面積）均勻布置孔板，均勻進入空調房間內進行送風，回風口均勻布置在房間下部。孔板送風氣流流型如圖1所示。

圖1 孔板送風氣流流型Fig.1 Airflow pattern of orifice air supply

孔板送風方式的特點是射流的擴散和混合較好，射流的混合過程很短，溫差和風速衰減快，因而工作區溫度和速度分布均勻。孔板送風時，風速均勻而較小，區域溫差也很小。因此，對于區域溫差和工作區風速要求嚴格、單位面積送風量比較大、室溫允許波動范圍較小的有恒溫及凈化要求高的空調房間，宜采用孔板送風的方式。改造完成后的孔板實際圖見圖2。

圖2 改造完成后的孔板實際效果Fig.2 Actual effect of orifice plate after modification

3 改造效果評價和對測量結果的影響

實驗室改造完成后，經過評定，達到了所需的效果。離墻0.5 m 外工作區各測試點溫差均達到要求。人員多次開門進出實驗室，離門近的測試點溫度略有波動，但基本沒有產生明顯氣流。設備運行正常，能很好地控制室內溫度一直處于要求范圍內，最終測試結果滿足要求。改造后對實驗室開展的儀表檢定測量結果準確性有著明顯的提升。以溫度實驗室為例，在實驗室內對溫度變送器進行電流輸出測量結果的不確定度評定[10]，被校對象為與鉑熱電阻配用的溫度變送器（帶傳感器）。選用的標準設備如表2所示。

表2 選用標準設備基本信息Tab.2 Basic information of selected standard equipment

3.1 測量模型

溫度變送器示值誤差的測量模型[2]為

式中：ΔI為溫度變送器各被校點的測量誤差，mA；Id為溫度變送器被校點實際輸出電流的值，mA；Im為溫度變送器的輸出量程，mA；tm為溫度變送器的輸入量程，℃；I0為溫度變送器輸出的理論下限值，mA；t為標準溫度計測得的溫度值，℃；t0為溫度變送器輸入范圍的下限值，℃。

3.2 測量不確定度來源分析

分析溫度變送器示值誤差的測量模型（1）可以發現，影響測量誤差的主要因素來自于輸出量Id和輸入量t[3]。

3.2.1 輸出量Id引入的標準不確定度u(Id)的評定

輸出量Id的不確定度來源主要有兩部分：被測變送器輸出電流的重復性和多功能過程校驗儀MC6的測量誤差。

（1）輸出電流重復性導致的不確定度u()Id1。在每個被校點對變送器進行六次重復測量，取平均值作為測量結果。則標準不確定度（A類）可以用實驗標準偏差來評估。本例中以每一被校點變送器輸出值（換算到被校溫度點）單次測量的實驗標準偏差最大值s的平均值作為測量結果，

（2）多功能過程校驗儀MC6 的測量誤差引入的不確定度u(Id2)。u(Id2)可根據上級校準證書得到，在量程為0～30 mA 時，其電流輸入的最大擴展不確定度為U=0.000 8 mA，k=2，其區間半寬α=0.000 8 mA，則

（3）標準不確定度u(Id)的計算。由于u(Id1) 和u(Id2)彼此相互獨立，因此

3.2.2 輸入量t的不確定度u(t)的評定

輸入量t的不確定來源主要是二等標準鉑電阻引入的不確定度、恒溫槽引入的不確定度和測溫儀引入的不確定度。

（1）二等標準鉑電阻引入的不確定度u(t1) 。二等標準鉑電阻引入的不確定度主要包括標準器自熱效應引入的不確定度和標準鉑電阻溫度計水三相點變化引入的不確定度。

按標準鉑電阻溫度計檢定規程要求，二等標準鉑電阻溫度計在水三相點處的自熱不超過4.0 mK，即≤0.004 0 ℃，則其區間半寬α=0.004 0 ℃，按均勻分布，取，則二等標準鉑電阻溫度計自熱效應引入的不確定度

按標準鉑電阻溫度計檢定規程要求，二等標準鉑電阻溫度計在水三相點處的允許變化量為10 mK，即≤±0.010 ℃，則其區間半寬α=0.010 ℃，按均勻分布，取，則標準鉑電阻溫度計水三相點變化引入的不確定度

二等標準鉑電阻引入的不確定度u(t1) 為：

（2）低溫恒溫槽FLUKE7341 引入的標準不確定度u(t2)。恒溫槽引入的標準不確定度主要包括恒溫槽工作區域溫場均勻性（水平溫差、垂直溫差）引入的不確定度和溫場波動性引入的不確定度分量。

根據低溫恒溫槽FLUKE7341 的校準證書，-45～150 ℃范圍內，最大水平溫差為0.01 ℃，則其區間半寬α=0.01 ℃，按均勻分布，取，則恒溫槽溫度水平溫差校準結果引入的標準不確定度

根據低溫恒溫槽FLUKE7341 的校準證書，-45～150 ℃范圍內，最大垂直溫差為0.02 ℃，則其區間半寬α=0.02 ℃，按均勻分布，取，則恒溫槽溫度垂直溫差校準結果引入的標準不確定度

從恒溫槽校準證書上可以得到，-45～150 ℃范圍內，恒溫槽溫場波動性為±0.01 ℃/15 min，其區間半寬α=0.01 ℃，按均勻分布，取則恒溫槽工作區域溫場波動性引入的標準不確定度

則恒溫槽引入的標準不確定度u()t2為：

二等標準鉑電阻溫度計本身非常穩定，其讀數的變化反映的是恒溫槽內溫場的變化。改造前用立式空調控溫時，由于溫場不穩定，導致低溫恒溫槽控溫波動性較大，通過標準溫度計測量，波動達到±0.03 ℃/15 min。改造后，標準溫度計讀數波動能穩定在±0.01 ℃/15 min 之內，波動降低了0.02 ℃。改造前后標準溫度計讀數對比如表3所示。

表3 改造前后標準溫度計讀數對比Tab.3 Comparison of readings of standard thermometers before and after modification

（3）自動測溫電橋FLUKE1529 引入的不確定度u(t3)。自動測溫電橋FLUKE1529 校準證書引入的不確定度U=0.005 ℃，k=2，其區間半寬，則u(t3)=0.002 5 ℃。

（4）標準不確定度u(t)的計算。由于u(t1)、u(t2)和u(t3)彼此相互獨立，因此

3.3 合成不確定度uc 的評定

3.3.1 標準不確定度匯總

標準不確定度匯總結果如表4所示。

表4 標準不確定度匯總Tab.4 Summary of standard uncertainty

3.3.2 合成不確定度的計算

由于Id和t相互間彼此獨立，所以合成不確定度可按下式得到

3.4 擴展不確定度U 的評定

被測儀表的測量結果的擴展不確定度U=2uc=0.006 4 mA，k=2。對于測量范圍為10～90 ℃的變送器而言，用輸入溫度變量表示時，

4 結論

（1）用立式空調控制實驗室溫度，給檢定設備尤其是溫度儀表檢定設備溫場的穩定性和波動性造成很大影響，不確定度大大提高，對整個測量結果造成很大影響。

（2）使用孔板送風方式，可降低室內溫濕度梯度、縮小波動范圍[11]，溫差和風速衰減快，所以風速分布均勻且較小，工作區溫度區域溫差也很小。

（3）實驗室改造后，被測儀表的重復性有了很大的提高。主要原因是孔板送風方式降低了區域溫差和風速，減少了擾動氣流的影響，使恒溫水浴槽的波動性大大降低，波動對比改造之前降低了近0.02 ℃。