超低温冰箱的计量校准分析

肖龙飞 廖涵 肖桂林

（赣州市综合检验检测院，江西赣州 341000）

超低温冰箱通常用于存储和保持极低温度下的生物样本、化学试剂和其他实验材料，因此对温度要求极为严苛，如果温度管控不当，会导致存储物品的活性和稳定性丧失，因此出于正确实现温度控制的目的，对超低温冰箱进行温度计量十分必要，定期进行计量校准有助于发现和解决超低温冰箱的性能问题，通过及时的维护和校准，可以延长设备的寿命并减少设备故障的风险。基于计量校准对于超低温冰箱的重要性，分析超低温冰箱中计量校准的要点并探索相应的策略，就显得尤为必要，故需要对家电计量中超低温冰箱的计量校准展开分析。

1.1 温湿度测量及控制

温度测量和湿度控制是超低温冰箱关键的技术参数，对于存储生物化学样本等敏感物品非常重要。超低温冰箱通常需要在极低的温度范围内工作，冰箱需要能够快速达到所需的超低温，尤其是在新样本放入时。降温时间应记录和控制以确保样本的质量，且温度在整个冰箱内应保持均匀，避免存在明显的热点或冷点。这可以通过多点温度传感器来监测和调整。工作人员还要定期对温度传感器进行校准，以确保其准确性和可靠性[1]。校准频率应符合国家计量技术规范JJF 1101-2019《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》的标准和建议，对此，需要建立温度异常报警系统，一旦冰箱温度超出允许范围，立即发出警报，以采取紧急措施并保护存储的样本。

湿度方面，需要使用湿度传感器监测箱内湿度水平。这些传感器应位于箱内不同位置，以确保湿度均匀性。如果需要，在冰箱中安装湿度控制系统，以根据需求增加或降低湿度。这对于特定实验条件非常重要。与温度传感器一样，湿度传感器也需要定期校准，以确保其测量湿度的准确性。如果湿度超出预定范围，建立湿度异常报警系统，以确保湿度的稳定性并防止样本受损。

1.2 校准点的合理选择

在选择超低温冰箱的计量校准点时，需要考虑多个因素，以确保测量的准确性和可靠性。首先，校准点的选择是确保超低温冰箱内部温度维持在适当范围的关键步骤。这一步骤至关重要，因为超低温冰箱通常用于存储重要的生物样本，这些样本需要在极低温度下保存，以保持其质量和可用性。根据JJF 1101-2019《环境试验设备温度、湿度参数校准规范》中的相关指南，通常将温度传感器布置在超低温冰箱的三个不同层面，即上、中、下三层。其中，中层是根据操作空间的几何中心水平与底部的校准作业面来确定的。这种布点方式的关键考虑因素之一是传感器位置与设备内壁的间距，通常约为各边长的1/10[2]。

其次，校准点的数量也需要考虑。根据设备容量的划分，通常超低温冰箱的容量在0.05 m³～2 m³之间，而测量点的数量通常为9 个。这些测量点通常置于仪器设备的中层几何中心部位，以确保温度测量的均匀性和全面性。在选择校准点时，不仅需要遵循标准规定，还需要考虑特定的工作要求和环境条件。在这种情况下，需要充分了解样本的保存条件。样本对温度和湿度的敏感性可能会影响校准点的选择。校准工作平面的温度必须高于样本存放面的实际温度，以确保样本的完整性和稳定性。

因此，选择超低温冰箱的计量校准点是一项复杂而关键的任务，需要综合考虑设备规格、标准要求和实际工作需求。只有在正确选择校准点的情况下，才能确保超低温冰箱内部的温度控制稳定，从而保护珍贵的生物样本，以及确保相关实验工作的可靠性和精确性。

1.3 测量数据的准确计算

在超低温冰箱的温度数据计算中，重要的是考虑到温度误差、温度均匀率以及温差波动率。温度误差是测量值与真实值之间的偏差。计算时可以将每个温度记录与所需温度设定值进行比较，并计算其差值。然后，取这些差值的平均值，即可得到平均温度误差。温度均匀率衡量了不同位置的温度差异。计算时将所有测量点的温度记录进行比较，并计算它们之间的差异。通常，使用温度标准偏差来表示均匀率，标准偏差越小，表示温度均匀性越好。温差波动率反映了温度在一定时间内的变化情况[3]。计算时可以使用温度记录的最高值和最低值之差，以及一定时间内的温度变化幅度来表示。通过对这些参数的计算和分析，可以评估超低温冰箱的温度测量性能。校准和数据计算过程的严谨性和准确性对于确保冰箱内温度的稳定性至关重要，通过精确的计算，才能确保存储的生物样本或者药品的安全性和有效性。

2.1 针对传感器建立系统化维护管理

传感器在超低温冰箱的计量校准中起着至关重要的作用，因为温度传感器的准确性直接影响冰箱内部温度的测量和控制。为保证校准精度，需使用准确性高、可追溯的标准温度探头或标准温度源来进行校准，确保标准温度源的稳定性和准确性。同时需要对传感器进行有效的管理和维护。因此要定期对超低温冰箱内的温度传感器进行校准，根据制造商的建议和行业标准。此外需定期检查传感器的外观，确保其表面干净、无损伤或腐蚀。避免污染或液体进入传感器，并连续记录传感器的读数，观察是否存在异常波动或漂移。记录传感器校准的日期、结果以及使用的标准。建立传感器的校准历史记录，以便追溯和监测性能变化。若发现问题，则需要进一步调查或更换传感器，除了定期校准，还应定期验证传感器的性能，以确保在校准之间仍然满足精确度要求。这可以通过使用标准参考材料进行周期性验证来完成，并准备备用传感器，以备需要时替代，减少中断时间。这有助于确保连续性和可用性[4]。其维护管理的判定依据可参照表1 制定。

表1 传感器维护管理判定指标

2.2 引入计算工具确定校准点

当选择校准点时，可以考虑使用简单的线性插值公式来确定中间温度点的校准值。线性插值一般用于估算两个已知数据点之间的未知数据点的值。在线性插值中，假设两个已知数据点之间的数据变化是线性的，因此可以通过直线来连接这两个点，并使用这条直线来估算中间位置的值。例如有两个已知的温度点和对应的校准值，温度点1 标记为T1，对应的校准值标记为C1；
温度点2 标记为T2，对应的校准值标记为C2。根据这两个点之间的温度进行校准，假设要校准的温度为T，并且T1＜T＜T2，则可以使用线性插值公式来计算T处的校准值C：

其中：C为在温度T处的校准值，T1和T2为已知温度点，C1和C2分别为已知温度点对应的校准值。公式通过线性关系来估算在两个已知校准点之间的温度T处的校准值C。不过，该计算方式要求T在已知温度点T1和T2之间，否则插值不适用。

在无法使用线性插值公式确定校准点的情况下，可以引入多项式插值估算已知数据点之间的未知数据点的值，并通过多项式函数来逼近数据的关系。计量人员需收集已知的温度数据点和相应的校准值，并决定使用多项式插值的阶数，通常可以选择1 阶（线性）、2 阶（二次）、3 阶（三次）等。阶数越高，插值多项式越复杂，但也更能适应复杂的数据关系。使用选定的阶数构建插值多项式。两个常见的多项式插值方法是拉格朗日插值和牛顿插值。

拉格朗日插值使用拉格朗日基函数构建插值多项式。对于N个已知数据点，插值多项式的形式为：

其中：P(x)为插值多项式，f(xi)为已知数据点的值，Li(x)为拉格朗日基函数。拉格朗日基函数的计算公式为：

牛顿插值使用差商构建插值多项式。插值多项式的形式为：

其中，f(x0)为第一个数据点的值，f(x0,x1)为两个数据点的差商，以此类推。使用构建的插值多项式，将想要校准的温度点的值代入多项式中，即可计算校准点的值。多项式插值可以适应更复杂的数据模式，因为其可以选择不同阶数的多项式，从而更好地拟合数据。尤其是数据之间的关系是非线性时，多项式插值通常可以提供比线性插值更高的插值精度。且因为多项式插值允许计量人员选择插值多项式的阶数，因此可以在灵活性和复杂性之间进行权衡，以满足特定需求。但当使用高阶多项式时，多项式插值容易过拟合数据，特别是在数据中存在噪声的情况下，这可能导致插值多项式在已知数据点之间波动较大。且在均匀间隔的数据点上使用高阶多项式插值可能会导致龙格现象，即插值多项式在数据点之间产生振荡。因此选择多项式插值的阶数需要慎重考虑，过高的阶数可能会导致数值不稳定性和计算复杂度增加。

2.3 运用拟合算法提高校准精度

通过运用拟合线性算法对各种计量校准参数进行整合，形成一条直线或者曲线线段，若所有的参数点均处于线段上方，那么超低温冰箱计量并不处在失配的状态下；
若所有参数点均未处在线段上方，那么超低温冰箱计量即呈现为失配状态。为此，在计量校准中，通过线性拟合算法来实现对参数量的拟合处理，并基于失配情况来确定其准确性[3]。

运用变量的线性关系来呈现线性关系，因超低温冰箱在计量期间，表现出多种变量，设定其变量集合为X={X1，X2，…，Xn}，其中X主要用于对超低温冰箱变量进行表示，n则用于对超低温冰箱变量总数目进行表示；
拟合曲线方程式为l(x)，那么各点的误差平方和S计算公式如下：

上述公式中，Y主要用于表示直线拟合，即Y(X)=aX+b，其中a、b分别表示斜率、截距；
A(x)用于对拟合函数进行表示，确定点横坐标带入拟合方程l(x)之后即可得到相应向量。根据公式（5）来看，确定超低温冰箱变量集合数据为(xi，xj)，并且i≠j，结合Y(X)=aX+b即可作为直线拟合获得变量均方程差A(a，b)，计算公式如下：

上述公式中均方误差A(a，b)属于一个二元函数，通过对其进行计算即可获得相应一元偏导，并进行如下公式计算：

上述公式中，α主要用于对偏导数的符号进行表示。根据公式（3）即可获取A(a，b) 的偏导方程，矩阵一定满足如下公式：

综合上述公式，即属于线性拟合算法对超低温冰箱计量失配的计算过程。此时需要获得直线拟合公式Y(X)=aX+b中的a与b，具体计算公式如下：

根据上述公式（10）和（11）即可获得a、b，随后将其带入到公式（5）～（8）中即可掌握a的变化情况，即a出现变化表示超低温冰箱计量处于正常状态，a出现明显改变表示其处于失配状态，需要实施校准。

超低温冰箱的计量校准是确保其温度测量和控制系统准确的重要步骤，因此需要针对超低温冰箱的计量建立系统化的传感器维护管理方案，并引入合理的计算工具确定校准点，运用拟合算法修正超低温冰箱的计量偏差，从而确保超低温冰箱的温度控制合理性，让存储样品的安全性得到保障。

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