浅谈计量实验室的仪器选型方法

zlshn830

摘　要]阐述了计量实验室建立的几个基本概念和仪器选型的基本方法,并以温度计量仪器的选型为例进行说明。

    计量实验室是能够提供测试设备、具有受到控制的环境条件和经过培训的人员的工作场所,其目的是维持测量及测试设备的正常工作,并保持其准确度。如何针对具体的计量参数和对象选择合适的计量仪器设备类型,是计量实验室的建立过程中重要环节之一。

    1　计量实验室建立的几个基本概念

    1·1　计量实验室

    计量学的主要工作是在各种实验室进行的。根据不同的计量需求,有五种类型的计量实验室,分别为:一级实验室、二级实验室、研究实验室、校准实验室、流动实验室[1]。其中,一级实验室是进行最高级的计量学工作的地方,有关各种更准确、更精确的测量方法的研究工作以及一级和二级标准的校准工作都在这里进行。二级实验室通常进行的最重要的工作是校准二级标准和工作标准。研究实验室由具体情况而定,可能需要最准确的标准或可能从事某些最抽象的课题。校准实验室的目标往往是使用由更高级别的实验室(一级或二级实验室)所支持的标准,来完成较大数量的生产性校准工作。而流动实验室是把校准器带到被校准的测试设备的现场,以便提供更好的校准后勤服务。根据具体需求,如需要现场校准,可选择便携式仪表设备,同时需要满足现场环境要求。

    1·2　量值溯源性

    量值溯源性是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链,使测试结果或计量标准的值能够在规定的参考标准,通常具有与国家计量基准或国际计量基准联系起来的特性。《检测和校准实验室能力认可准则》(CNAS-CL01: 2006) 6·6·1总则第二款给出,“实验室应制定设备的校准计划和程序”。《实验室资质认定评审准则》5·5·1第二款给出,“实验室应制定和实施仪器设备的校准和/或检定(验证)、确认的总体要求”。仪器设备在购买之初就要考虑“如何实现量值溯源”,避免购买后无法溯源[1]。

    2　计量仪器的选型方法

    2·1　计量仪器选型的基本步骤

    (1)需求分析

    对服务对象进行需求分析,按不同参数(如热学、电学、压力等),分别确定针对各个参数的待检定的传感器及仪表的种类、型号、精度、测量范围、接口尺寸、个数等。

    (2)仪器选型

    在建立计量实验室时,针对具体需求,对需要检定的参数,必须严格按照规程要求进行仪器选型。按规程要求并结合需求分析,选择标准器和检定装置。其中,计量仪器的量程要求覆盖待检仪器的量程;计量仪器的精度按具体规程要求,高于待检仪器,一般至少为待检仪器的3到4倍;通过待检仪器的接口尺寸等性能指标,考虑计量仪器及配件的其它参数;通过计量的方式为现场检定还是为实验室检定,考虑仪器的便携性要求;同时,还应考虑计量范围和计量仪器种类的可拓展性。

    (3)不确定度分析

    查阅选定仪器设备的使用说明书,根据其性能指标并结合标准器的不确定度,算出检定系统的不确定度,同时估算重复测量不确定度。由于不确定度的主要来源是对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验;生产部门提供的技术说明文件;校准证书、检定证书或其它文件提供的数据、准确度等级或级别;手册或某些资料给出的参考数据及其不确定度;规定实验方法的国家标准或类似技术文件中给出的重复性或复现性,因此,主要应用B类不确定度评定的方法,估算出检定系统的不确定度。与待检定仪器的不确定度进行比较,看是否能满足精度要求。

    (4)仪器台套数确定

    明确单人单套仪器设备检定单个仪表的平均时间,根据服务对象要求的检定工作时间(工作日个数),结合需求分析,计算出所需计量仪器台套数。

    (5)配件选型

    根据需求分析中的接口尺寸等参数,结合检定规程,选择配件。比如对于热电偶或热电阻检定,主要需要考虑传感器长度和宽度,用来确定插入深度和干式炉中插块插孔的大小;对于压力表检定,主要考虑传感器接口尺寸,选择合适的接口。

    (6)量值溯源

    制定和实施仪器设备的校准和/或检定(验证)、确认的总体要求。确定量值溯源的方式、周期和机构。

    2·2　实例分析

    热学参数是计量各参数中较为普遍的一个参数。这里,以计量热电偶温度传感器的仪器选型方法为例进行说明。

    (1)需求分析

    对服务对象进行需求分析。针对某型船用机电设备所使用的温度测量装置为检定对象,其热电偶温度传感器部分信息见表1。

    (2)设备选型

    查阅检定规程,选择计量仪器设备。检定对象为E型热电偶时,根据JJG 351—1996《工作用廉金属热电偶》,对检定条件的要求[2]如下:

    ①标准器: 1等、2等标准铂铑10-铂热电偶各一支,测量范围为(-30~300)℃的2等标准水银温度计一组,也可选用2等标准铂电阻温度计。

    ②仪器设备:低电势直流电位差计一套,准确度不低于0·02级,最小步进值不大于1μV,或同等精度的其它电测设备。

    ③多点转换开关,寄生电势不大于1μV。

    ④参考端恒温器,恒温器内温度为(0±0·1)℃。

    ⑤油恒温槽,在有效工作区域内,温差小于0·2℃。

    ⑥管式炉,长度为600mm,加热管内径约为40mm。管式炉常用最高温度为1200℃,最高均匀温场中心与炉子几何中心沿轴线上偏离不大于10mm;在均匀温场长度不小于60mm,半径为14mm范围内,任意两点温差不大于1℃,炉中心置一耐高温恒温块。

    ⑦控温设备。

    ⑧热电偶测量端焊接设备。

    ⑨钢卷尺,游标卡尺。

    ⑩读数望远镜或3~5倍放大镜。由检定条件,选择满足要求的标准器及其辅助设备。初步选定仪器类型见表2。

    (3)不确定度分析

    不确定度来源分析:

    ①由于各种随机因素影响而引起的读数不重复;

    ②管式炉的不确定度;

    ③数字温度计的不确定度;

    ④热电偶校准时引入的标准不确定度。

    ⑤使用标准器为S型热电偶5650-20C,使用仪器为管式炉9112B和堆栈式测温仪时, E型热电偶检定系统分别在300℃时(含内部冷端补偿)和在1100℃时(含内部冷端补偿)时,采用B类不确定度评定,不确定度的计算如表3和表4所示。

    按表3、表4数据计算合成标准不确定度uc(300℃)和扩展不确定度为:

同理可得,1100℃时, E型热偶(含内部冷端补偿)合成标准不确定度uc(1100℃)和扩展不确定度为:

    由分析可知:热电偶检定系统精度为: t=300℃时,精度为±0·333℃; t= 1100℃时,精度为±0·566℃。

     由规程可知[3],E型热偶的精度要求为:级精度为±1·5℃或±0·4%t,级精度为±2·5℃或±0·75%t。即t=300℃时,Ⅰ级的精度为±1·2℃,级的精度为±2·25℃;t=1100℃时,Ⅰ级的精度为±1·5℃,级的精度为±2·5℃。通过比较,所选满足精度要求。

    (4)仪器设备台套数确定

    每次检一支热电偶,一般检三个温度点,根据选定的仪器说明书,加热3次共用时45min,冷却25min。预计检定一支热偶的时间需2h。而一个检定炉能同时检定多支热偶。具体个数由检定炉插孔大小和热偶的粗细决定。因此,就三个工作日而言,本例中,选择一套设备即可。

    (5)配件选型

    选择配件为钢卷尺、游标卡尺,其主要用于热电偶的外观检查;读数望远镜用于读数。

    (6)量值溯源

    参考规程JJF 1184—2007《热电偶检定炉温度场测试技术规范》和JJG 833—2007《标准组铂铑10-铂热电偶》,按规程要求时间,定期把仪器设备和标准送上级计量实验室检定。热电偶的检定周期一般为半年,特殊情况下可根据使用条件来确定。建议检定炉的复检时间最长不超过1年。

    3　结束语

    在选择计量仪器设备时,还需要从未来效益、性价比、使用环境、使用费用及仪器设备可靠性等多方面考虑。

    [参考文献]

    [1]杨红·浅议实验室仪器设备的溯源总体要求[J]·现代测量与实验室管理, 2008, 4: 24-25·

    [2] JJF 1059—1999,测量不确定度评定与表示[S]·

    [3] JJG 351—1996,工作用廉金属热电偶[S]·

    作者：李　婧  明廷锋

丹青-杜

非常好  先收下了~！继续努力 写个更全面的

PCBA

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