环境试验设备温度性能不确定度的评定

摘要：本文探讨了依据环境试验设备的在温度校准时所得的数据来评定其温度性能不确定度的方法，该方法简单、可操作性强，为环境试验的质量控制提供了科学依据。

1 引言

对产品的物理以及其他相关特性进行环境模拟测试已经成了产品研究开发、产品定型以及保障产品可靠性和安全性的重要试验手段，而环境试验设备的温度性能是影响环境模拟测试质量的重要因素。

为了确保能够满足与环境模拟试验相关的国际标准、国家标准、行业标准中对温度范围的要求，为了实现准确地判断环境测试条件是否满足规范中规定的温度上下限的要求，需要对环境试验中所采用的环境试验设备的温度性能进行量化的分析。在环境试验设备校准过程中对其温度性能测量不确定度进行全面评定是对其进行量化分析的有效途径。

目前，在我国环境试验设备温度的校准是依据标准JJF1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》开展的。

规范中介绍的“环境试验设备备温度偏差校准结果不确定度分析”只局限于试验箱内中心点温度偏差校准结果不确定度的分析 ，但是当环境试验箱容积较大时，内部不同位置的温度之间可能存在明显的差异，这种分析方法就不能全面地评定试验箱温度的不确定度。本文在对环境试验箱温度性能不确定度全面分析的基础上，充分利用环境试验箱温度校准时所得的数据，评定了其温度性能的不确定度。环境试验箱的温度性能不确定度主要来源于几个方面 ，分别是：主要是由环境试验箱校准过程中所使用的参考标准仪器的不确定度以及该参考标准仪器在使用过程中与其校准状态的差异引起的不确定度组成。在环境试验箱中某些区域的温度可能总是会比要求的标称温度高一些或者低一些，这是因为温度在空间分布上的差异存在，该差异通过在该区域测得温度的平均值与标称温度的差值来表示。另外，即使在同一区域，随着时间的变化，其温度也会有一定的波动，但影响较小。如环境试验箱性能的历史记录、负载状况以及环境温度等。

环境试验箱的校准有三种不同方法，在实际工作中需要依据实际情况选择最合适的方法，下面对这三种校准方法的优缺点进行介绍：该种方法的优点是：环境箱的整个工作区域都得到了校准、测试样品变更时不需要重新校准、能够对环境试验箱的适用性做出有效的评估；主要缺点是：不能评估测试样品对环境试验箱性能造成的的不确定度。

2 环境试验箱温度性能不确定度来源分析

环境试验箱的温度性能不确定度主要来源于几个方面 ，分别是：

2.1 环境试验箱校准的不确定度

主要是由环境试验箱校准过程中所使用的参考标准仪器的不确定度以及该参考标准仪器在使用过程中与其校准状态的差异引起的不确定度组成。

2.2 环境试验箱温度在空间分布上的差异和温度随时间的波动

在环境试验箱中某些区域的温度可能总是会比要求的标称温度高一些或者低一些，这是因为温度在空间分布上的差异存在，该差异通过在该区域测得温度的平均值与标称温度的差值来表示。另外，即使在同一区域，随着时间的变化，其温度也会有一定的波动，但影响较小。

2.3 其他影响因素

如环境试验箱性能的历史记录、负载状况以及环境温度等。

3 环境试验箱的校准方法

环境试验设备的校准有三种不同方法，在实际工作中需要依据实际情况选择最合适的方法，下面对这三种校准方法的优缺点进行介绍：

3.1 在无负载条件下开展校准

该种方法的优点是：环境箱的整个工作区域都得到了校准、测试样品变更时不需要重新校准、能够对环境试验箱的适用性做出有效的评估；主要缺点是：不能评估测试样品对环境试验箱性能造成的影响。

3.2 在有负载条件下开展校准

该种方法的优点是：能够比较准确地评估测试样品对环境试验箱性能的影响、易于得出测试样品关键部件或部位的环境试验的详细信息；主要缺点是：当更换测试样品时，需要重新校准。

3.3 在使用过程中的实时测量

该种方法不仅具有3.2所述的方法具有的优点，而且能够得到测试样品在环境试验过程中全面的环境参数，往往在对环境要求很高的产品试验时采用；它的主要缺点是：每次环境试验都需要使用测量设备。通常在环境试验箱校准时采用在无负载条件下的校准方法，本文为了便于评估环境试验箱的温度性能，也采用该方法进行分析。

4  环境试验设备温度性能不确定度的计算

在工作实践中，通常在无负载的情况下，依据标准JJF1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》开展对环境试验箱的校准，该校准规范规定的校准方法为：“温度校准时，按照规定在环境试验箱内部上、中、下三层布放温度传感器，将环境试验箱的温度控制器设定到所要求的标称温度，使设备正常工作。稳定后开始读数，每2min记录所有
测试点的温度一次，在30min内共测试15次” 。另外也规定了当环境试验箱的容积小于2 时，温度测试点为9个，当容积大于2 时，温度测试点为15个，当容积大于50 时，温度测试点可以适当增加。
在环境试验箱温度校准过程中，所得校准结果的平均值的数学表达式为：

依据环境试验箱温度性能不确定度的来源分析和所采用的校准方法以及温度校准结果平均温度的数学模型，可知，环境试验箱温度性能不确定度主要来源于温度平均值的实验标准偏差、不同测试点的温度差异、温度随时间变化的变异以及校准仪器的不确定度 ，具体表示为：
1)温度校准结果平均值的实验标准偏差 。

2)环境试验箱内不同测试位置间的差异引入的不确定度 ，它由各个测量传感器读数平均值的分散度求得，依据贝塞尔公式。

3)随着时间温度的变异引入的不确定度 ，它依据每次测量所有传感器读数平均值的分散度求得，依据贝塞尔公式。

4)校准设备引入的不确定度 依据其检定证书所提供的不确定度信息可以求得。

显然，各个分量之间是不相关的，因此环境试验箱温度性能的合成不确定度 的数学模型.

 5 实例分析

本文以笔者所在实验室的高低温环境试验箱在80℃校准时所得的数据为例来评定该环境试验箱温度性能的不确定度。
该环境箱在校准时，选取了15个测量点。校准供应商使用的校准仪器温度检测的测量不确定度。

6 结论
利用环境试验设备温度校准时所得的数据，充分考虑温度在环境箱中分布的差异情况，对环境试验箱温度性能不确定度进行评定，不仅方法简单、操作性强，而且评定结果全面准确、易于应用。