基于液體低溫恒溫器的溫度偏差不確定度評定方法研究

孫浩 蔣靜

摘 要 本文基于液體低溫恒溫器的溫度偏差特性，推導了一種不確定度的評定方法。該方法能有效計算出待測設備的溫度偏差不確定度，為評估設備性能提供可靠的依據。試驗表明，這種評定方法可以有效表示其不確定度，并且計算方法簡單有效。

關鍵詞 低溫恒溫槽;不確定度;參數測試;測試標準

引言

在低溫領域中，樣品的各種低溫性能（熱物理性質、機械性能、光學物理性能、磁熱性能及超導性能等）通常需在低溫恒溫條件下進行測試。低溫恒溫器就是這樣一種利用低溫流體或其他方法使樣品處于恒定或所需方式變化的溫度中，并與外界熱絕緣的低溫裝置，具有廣泛的應用。液體低溫恒溫器用于提供準確、穩定的低溫溫度場，它的計量性能優劣直接關系到科研試驗結果或產品質量。因此，液體低溫恒溫器計量特性的校準具有重要的應用意義和極大的市場需求。測試中對其不確定度的評價方法也可以有效提高測量精確度，保證試驗結果。本文提出了一種基于液體低溫恒溫器的不確定度評價方法，能夠準確計算出液體低溫恒溫器的測量性能，保證測量品質[1]。

1 液體恒溫器測量方法

1.1 測試條件

環境條件應滿足測量標準和恒溫試驗設備正常使用的要求。主要包括溫度為15℃～35℃，相對濕度不大于85%RH，周圍應無強烈振動及腐蝕性氣體存在，同時避免其他冷、熱源影響。選擇在空載條件下校準。

1.2 測量點的位置

溫度傳感器布放位置為設備溫度性能測試時的測量點位置，測量點序號用1、2、3……數字表示，數量為9個，溫度傳感器應布放在工作空間上、下水平面及空間幾何中心點，見圖1所示。

1.3 溫度的測試

在設備空載條件下進行測試。在確認設備液位正常后，將設備控制溫度設定到測試溫度，并開啟運行設備，待其達到設定溫度并處于穩定狀態后開始記錄各測量點溫度。應每2min測量一次，測量過程應包括一個以上的完整溫度變化周期，測量時間應在30min以上。

2 溫度偏差不確定度評價

2.1 溫度偏差公式

2.2 靈敏度系數

對公式1.1和1.2各分量求偏導，得到各分量的靈敏系數：

2.3 標準不確定度分量

（1）溫度偏差重復性測量和標準器的分辨力引入的標準不確定度分量

標準器溫度分辨力為0.001℃，不確定度區間半寬0.0005℃，服從均勻分布，則分辨力引入的標準不確定度分量：

（3）標準器穩定性引入的標準不確定度分量。本標準器相鄰兩次測試溫度修正值最大變化0.10℃，按均勻分布，由此引入的標準不確定度分量。

（4）被校設備溫度設定值分辨力引入的不確定度。水槽溫度設定值分辨力為0.01℃，區間半寬0.005℃，按均勻分布，則分辨力引入的不確定度分量為[3]。

由此，得到了各個不確定度的分量。下面合成標準不確定度。

最后，計算擴展不確定度。

3 試驗測試

測試型號為DC8015的液體低溫恒溫槽，溫度范圍為：（-80～5）℃，溫度設定分辨力：0.1℃，測試點：溫度-40.0℃。使用PR205型溫度巡檢儀，溫度測量范圍（-80～300）℃，溫度指示分辨力：0.01℃;測量時帶修正值使用，不確定度=0.05℃，=2。

得到如下不確定度分析結果：

4 結束語

本文基于液體低溫恒溫槽推導了其溫度偏差不確定度的評定方法，并通過試驗證明此方法可靠、有效。除此之外還可以按照本文思路推導其溫度均勻度和溫度波動度的不確定度評定方法，這是今后研究的重點和方向。

參考文獻

[1] 李海洋，姚新紅，張進明.高準確度靜態質量法液體流量標準裝置及其不確定度評價[J].計量與測試技術，2020（5）：65-68.

[2] 蔣靜，沈文杰，田昀.一體化溫度變送器現場自動校準裝置的設計及實驗研究[J].中國計量，2015（6）：2-4.

[3] 白波，胡海韜，袁寶，等.中國散裂中子源4 K 低溫恒溫器溫度校正[J].低溫工程，2019（1）：12-14，19.

[4] 液體恒溫試驗設備溫度性能測試規范：JJF 1059.1—2012[S].北京：中國計量出版社，2012.

作者簡介

孫浩（1983-），男;職稱：工程師，現就職單位：天津市計量監督檢測科學研究院，研究方向：計量測試技術。