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试验箱温度均匀度、波动度与偏差:GB/T 5170 的检定怎么做

买试验箱时,样本上常写均匀度不超过两度、波动度正负零点五度,进场一测却发现对不上。多数情况不是箱子突然变差,而是三个指标被混着理解,或者测量条件与厂家声明的前提根本不是一回事。

GB/T 5170 系列给出的是环境试验设备的检验方法:总则规定术语、测量条件与结果处理,后面的分册分别对应温度、湿热、振动等设备。本文按温度试验设备这一部分,把布点、稳定判据、采样与计算走一遍,并给出一张能直接照抄的记录表。

图1 实验室测试工位:温度指标的检定,靠的是布点、稳定与记录三件事
图1 实验室测试工位:温度指标的检定,靠的是布点、稳定与记录三件事

一、三个指标,三件不同的事

偏差说的是整体偏不偏:箱内各测点的平均值与设定值差多少。均匀度说的是各处差多少:同一时刻,箱内最热的地方和最冷的地方相差多少。波动度说的是单点在时间里抖多少:一个测点在稳定后的一段时间内,上下起伏多大。

三者互不替代。一台箱子可能均匀度很好但整体偏高,也可能偏差为零而均匀度很差。只报一个数字,等于只说了三分之一的实话,而验收报告里最常见的写法恰恰就是只写一个均匀度。

还有一个容易混淆的概念是温度梯度,它描述空间上随位置变化的趋势,通常用于评价气流组织是否合理,不是验收指标。把它当成均匀度的另一种说法,会让讨论从一开始就偏掉。

二、先把术语对齐:设定值、实测值、偏差

设定值是仪表上输入的目标温度。实测值是测点传感器在稳定后记录到的温度。偏差是实测平均值减去设定值,带正负号,说明偏热还是偏冷。

有些厂家把温度偏差写成温度误差,也有人把显示偏差混进来——那是箱体自带传感器与标准传感器之间的差,属于仪表校准范畴,不是箱内温度场的指标。签技术协议时,把每个词对应到哪个公式写清楚,能省掉后面大量争执。

参考温度同样常被忽略。有的方法要求用规定位置布置的环境温度传感器,有的直接采用箱体显示值。两者算出来的偏差可以差出一两度,足以让一台合格的箱子被判不合格。

三、布点:九个点怎么放

图2 九点布点:三层各四角,中心只在中层设一点,探头离壁且不正对风口
图2 九点布点:三层各四角,中心只在中层设一点,探头离壁且不正对风口

常见的布点是三层:上层四角、中层四角加中心、下层四角,合起来九个点。也有按容积减少到五个点的做法,小箱子用五点就够。具体数量与位置以所依据的检验方法为准,不要凭经验随意减点。

位置有两条硬要求:一是离内壁、内顶、箱底和样品要保持距离,通常取内边长的十分之一;二是不能正对出风口,也不能贴着搁架或蒸发器。探头贴着金属壁,测到的是壁温;正对风口,测到的是那股射流的温度。两者都不代表箱内空气。

探头本身也要注意:细丝热电偶响应快,但容易受辐射影响;带护套的响应慢,但读数稳。同一组测点要用同型号、同线径的探头,否则相互之间的差异里混进了探头差异,算出来的均匀度一半是假的。

四、稳定判据:什么时候才能开始记录

箱内温度从室温升到设定值,需要一段时间才能进入热平衡。这段时间里所有数据都不能用于计算指标。判断是否稳定,一般看所有测点在单位时间内的变化量是否小于某个小阈值,并持续若干分钟。

常见做法是:所有测点的温度变化率连续一段时间小于每分钟零点几度,才认为进入稳定状态。具体阈值与持续时长按检验方法的规定执行,不要为了赶时间自己缩短。

提前开始记录是最常见的错误。升温阶段的曲线看着很漂亮,但算出来的均匀度会大得离谱,最后得出箱子不合格的结论,其实只是没等它稳下来。这种情况在验收现场几乎每次都会遇到一次。

五、采样:时长、间隔与数据取舍

稳定之后才开始计时,通常记录半小时以上。采样间隔要足以捕捉波动,一般几秒到几十秒一次。间隔太长会把波动抹平,算出来的波动度偏小,看起来特别好,实际是采样不足造成的假象。

记录期间门不能开,不能往里放样品,不能调整设定值。任何一次开门都会带来一个明显的温度台阶,这段数据应当整段剔除并重新计时,而不是平滑掉。平滑之后数字好看,但已经不是箱子的真实表现了。

数据要保留原始记录。只留平均值和极差,事后无法复核,也无法判断异常出现在哪一段时间。带时间戳的原始曲线是最省事的证据,出了问题一眼就能看出是开门、除霜还是控制超调。

六、空载与带载:指标成立的前提

厂家标称的均匀度、波动度通常是在空载、规定环境温度、规定电源电压下测得的。箱内放了样品,气流被挡住,均匀度变差是必然的。带载测试有意义,但它测的是这套负载下的箱内环境,不能直接和空载指标比。

如果工艺要求带载,就要在技术协议里写清负载的材质、体积、摆放方式与发热量,并按同样的条件验收。否则双方各测各的,永远对不上,最后只能拿一台谁都不服气的数据收场。

样品的摆放还影响结果的可重复性:样品离出风口太近,局部温度偏低;样品堆在底部,下层气流被堵。同一台箱子,换一种摆法,均匀度能差出一倍。

七、测量链:传感器、巡检仪与修正值

检定用的测量链通常由标准铂电阻或热电偶、数据采集器或巡检仪组成,整条链要在有效期内,并有可溯源的证书。传感器与采集器之间的修正值要实际用上,不能只把证书夹在报告里。

采集器的冷端补偿、通道间的一致性都会引入误差。多通道设备在低电平信号下,通道之间的偏差可能有零点几度,这个量级在波动度只有半度的场合不能忽略。九点测量用一台八通道表加一路扩展,就是常见的隐患。

布线也有讲究:补偿导线与探头引线要走同一路径、避开风机与加热器,线束不要贴着箱壁。引线从门缝或测试孔穿出时,穿孔处要密封,否则漏热会在局部形成冷点或热点,位置恰好就在出线口附近。

八、计算:一张表把三个指标算清

图3 三个指标的算法:偏差看均值、均匀度看极差、波动度看单点起伏
图3 三个指标的算法:偏差看均值、均匀度看极差、波动度看单点起伏

计算顺序是:先对每个测点在稳定段内求平均值与最大值、最小值;再由各点平均值求箱内总平均,与设定值相减得到偏差;由各点平均值中的最大值减最小值得到均匀度;由每个测点的极差除以二得到该点波动度,取其中最大者作为整箱波动度。

测点平均值最大值最小值极差波动度
上层 181.682.181.11.0±0.5
上层 282.382.881.90.9±0.45
中层 中心80.280.679.80.8±0.4
下层 179.480.078.91.1±0.55
整箱80.982.379.4—±0.55

表里的数值是按八十度设定编的示意,用来演示算法,不是实测数据。最后一行放整箱结果:偏差、均匀度、波动度,以及三个判据各自是否合格。合格判定要按技术协议或检验方法给出的限值,不要用记忆里的数字。

九、不合格时先查什么

均匀度超标,先查气流:风机转向对不对、风道有没有被样品或包装挡住、蒸发器是否结霜、回风口是否被堵。再看门封与测试孔是否漏气,漏热会在靠近门的一侧形成明显低温区,位置往往和出线口重合。

波动度超标,先查控制:加热与制冷的切换是否有明显超调、传感器位置是否合理、控制参数是否被改过、固态继电器是否偶发丢波。压缩机启停频繁的箱子,波动度天然偏差,这类问题不是调参数能解决的。

偏差整体偏移,多半是箱体显示值或控制传感器需要校准,而不是温度场本身的问题。先做一次箱体仪表与标准表的比对,再决定是否调整;顺序反了,会把一台好箱子调乱。

十、检定周期与验收条款怎么写

周期通常按使用频次、工艺重要性和历史稳定性来定,一年一次是常见做法;关键工序或频繁开关门的箱子可以缩短。大修、搬迁、更换压缩机或控制仪表之后,应当重新检定,而不是接着用上一张证书。

技术协议里建议写清五件事:依据的检验方法、测点数量与位置、空载还是带载及负载描述、稳定判据与记录时长、三个指标各自的限值与判定规则。写清这五项,验收当天就不会有我以为的空间。

图4 仪器操作与记录:原始曲线带时间戳,比一张汇总表更能说明问题
图4 仪器操作与记录:原始曲线带时间戳,比一张汇总表更能说明问题

最后提醒一句:出厂报告上的数字是在厂家条件下测的,进场验收是在你的现场测的。环境温度、电源电压、放置间距不同,结果有差异是正常的;要判断箱子有没有问题,最好在同一现场、同一条件下做一次复测,而不是拿两个不同条件下的数字直接对比。

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