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实验室环境测量与控制技术探讨

qhd1965

2011/10/07

私聊

实验室管理/LIMS

实验室环境测量与控制技术探讨

贾文学秦皇岛市建设工程质量监督站

关键词：实验室环境；环境测量与控制；实验室

文摘：论述了符合要求的实验室环境条件建立和维持的正确途径，指出了工程质量检测行业在实验室环境测量与控制方面普遍存在的问题。

1．引言

实验室的环境条件和环境设备的技术条件对检测结果的质量有着十分重要影响，《实验室资质认定评审准则》在设施与环境一节中规定“实验室的检测和校准设施以及环境条件应满足相关法律法规、技术规范或标准的要求。设施和环境条件对结果的质量有影响时，实验室应监测、控制和记录环境条件。”因此必须对实验室环境条件和环境设备进行正确配置、测量与控制。

2．实验室环境条件和环境设备的正确配置

2.1 实验室和环境设备计量要求的确定

有环境条件要求的实验室和环境设备的计量要求是由检测方法标准导出的。由检测方法标准导出计量要求，首先须明确标准对环境的要求，其次要了解实验室和环境设备的技术特性。标准中一般并不对仪器设备的技术特性作出规定，而是只给出检测/校准环境条件的技术参数，如温度20±2℃，相对湿度50±5％。配置实验室环境控制系统和选择符合要求的环境设备必须对其技术特性有着详细的了解，比如温度场分布、湿度场分布、波动度、温湿度调节措施与调节特性等。不周详考虑上述因素影响，进行配置和选择，是难以使实验室和环境设备真正满足检测方法标准要求的。比如有温湿度要求的几十立方米容积的实验室，如果只设一个温湿度测控点，就有可能由于实验室不可能形成十分均匀的温湿度场，而导致远离测控点的地方温湿度达不到标准要求。

由检测方法标准结合实验室和环境设备技术特性导出的对实验室和环境设备的计量要求内容主要包括（不限于）：

——温湿度场均匀度要求；

——温湿度调节措施；

——环境控制参数（考虑温度场均匀度问题然后确定）；

——测量点数量及分布和控制点的选择。

环境测量点数量应足够，并合理分布，以能全面反映温湿度场的情况。尽可能选择有效使用空间内的环境温湿度值的中间值作为环境控制参数的中间值。可使用单个传感器测量值或多个传感器测量值的平均值。这里称环境控制参数中间值与测量最大值和最小值间的差的绝对值中的较大者为偏差值。实验室环境控制参数应由标准要求的上下限值分别减去偏差值而得到。

2.2 测量控制仪表计量要求的确定

实验室和环境设备所使用的测量控制仪表其计量特性须满足检测方法标准、实验室环境控制系统、环境设备对其提出的计量要求。测量控制仪表计量要求主要包括：

——测量范围；

——测量准确度（不确定度）或最大允许误差；

——防尘、抗结露等。

由于未能正确地确定对测量控制仪表的计量要求，而使环境控制失效的情况是比较普遍的。

《普通混凝土力学性能试验方法标准GB50081—2002》中规定混凝土标准养护室环境要求为温度20±2℃，相对湿度≥95％。该标准并未对测量控制仪表提出任何要求。如果温度测量仪表的最大允许误差大于1℃（20℃时），那么就无法对温度参数进行有效测控；如果湿度控制仪表最大允许误差大于2％，也无法对湿度参数进行有效测控；如果湿度测量仪表不具备抗结露功能，也难以得到真实的湿度测量结果。

2.3 正确配置环境调节系统

环境调节方式和系统配置对实验室环境的控制特性具有极其重要的影响，必须对其精心设计正确配置。尽量使实验室温湿度场均匀度高，波动度低，稳定性好。尽量避免使用大温差集中空调送风对实验室进行温度调节，这种调节方式的致命缺陷就是，送风升降温时，送风口及其附近温度过高或过低。

3．测量控制仪表控制限的正确设定

必须对测量控制仪表的控制限进行正确的设定，才能使实验室或环境设备的环境条件满足标准要求。对测量控制仪表的控制限进行设定时，必须考虑测量控制仪表的准确度（不确定度）或最大允许误差对测量结果及合格评定的影响。

环境控制要求为温度20±1℃，相对湿度≥95％的混凝土标准养护室，如果温度测量仪表最大允许误差为0.5℃（20℃时），那么温度控制限（在不考虑温度场均匀度的情况下）就应设定为上限不超过20.5℃，下限不低于19.5℃。也就是以实验室环境控制要求的上下限值分别减和加仪表的最大允许误差作为测量控制仪表的上下控制限值。现在普遍的做法是直接以标准要求的温湿度上下限值作为测量控制仪表的控制限值。如混凝土标准养护室测量控制仪表直接设定为上限22℃，下限18℃。考虑到仪表最大允许误差的影响，仪表显示低于19℃或高于21℃时，测量结果的真值就有很大可能是低于18℃或高于22℃的。在进一步考虑到温度场均匀度的影响，实际使用中的混凝土标准养护室环境技术条件不符合标准要求的可能性就更大了。

3．工程质量检测机构实验室环境控制要求及存在的问题

3.1 工程质量检测机构实验室检测环境控制要求

工程质量检测机构实验室检测环境控制要求

序号	名称	标准要求	标准代号
1	混凝土标准养护室	温度20±2℃，相对湿度≥95％	GB50081—2002
2	水泥恒温恒湿养护箱	温度20±1℃，相对湿度≥90％	GB/T17671—1999
3	混凝土膨胀剂限制膨胀率试件养护箱	温度20±2℃，相对湿度60±5％	GB23439—2009
4	聚氨酯防水涂料实验室	温度23±2℃，相对湿度60±15％	GB/T19250—2003
5	保温材料燃烧性能实验室	温度23±5℃，相对湿度50±20％	GB/T8626—2007
6	保温材料燃烧性能试样状态调节室	温度23±2℃，相对湿度50±5％	EN13238：2001

3.2 工程质量检测机构实验室检测环境控制中存在的问题

不能正确地从检测方法标准导出对实验室、环境设备、有关测量控制仪表的计量要求。不重视有环境条要求的实验室、环境设备、有关测量控制仪表的计量特性（均匀度、波动度、稳定性、测量准确度、抗结露功能等）对环境测量控制有效性的影响。普遍存在以下问题：

——不考虑测量仪表准确度对测量控制的影响，直接以检测标准对环境条件的要求作为控制限，导致环境控制失效；

——不考虑环境温湿度场分布的均匀度问题对测量控制的影响，只设一个测量控制点，导致对实验室环境的全面控制不能有效实现；

——不考虑高湿条件下传感器探头结露问题对湿度测量准确度的影响，在高湿环境下使用不带抗结露功能的湿度传感器，导致环境湿度控制失效；

——环境系统配置与调节方式对环境测量测控的影响，导致环境条件难以建立和维持。

4．实验室环境条件正确配置、测量与控制的全面解决方案（以混凝土标准养护室为例说明）

（1）确定检测过程对实验室环境的计量要求。

根据《GB/T19022—2003/ISO/IEC10012：2003测量管理体系测量过程和测量设备的要求》的要求，测量过程对测量设备的计量要求由技术规范、方法标准导出。

《普通混凝土力学性能试验方法标准GB50081—2002》中规定混凝土标准养护室环境要求为温度20±2℃，相对湿度≥95％。一般情况下混凝土标准养护室面积在十几平方米到几十平方米之间，容积在几十立方米到几百立方面之间。由此导出如下计量要求：

A．试件放置处温度20±2℃，相对湿度≥95％；

B．采用多点测量，选中间点进行控制，确保A款要求实现；

C．实验室尽可能采用外保温，以获得良好的温度稳定性，降低波动度，尽量降低对测量控制仪表的要求；

D．尽量采用低温差调温方式，以建立尽可能均匀的温度场；

E．尽量不选用送风调温方式，以避免冷凝除湿排水并增大能耗；

F．考虑温度均匀度对环境测控的影响，当最不利两点分别温度分别比控制点温度高或低不超过1℃时，即偏差≤1℃时，确定实验室环境控制参数为温度20±1℃，相对湿度≥95％，就可满足A款要求；

（2）确定对测量控制仪表的计量要求。

确定对测量控制仪表的计量要求的依据主要是检测方法标准和检测过程对实验室环境的计量要求。因此确定对测量控制仪表的计量要求为：

A．温度传感器测量范围为0～40℃，准确度为±0.5℃；

B．湿度传感器测量范围为相对湿度30～100％，准确度为相对湿度±2％（≥95％时），带抗结露功能；

C．由于温湿度传感器抗结露功能的启用会影响温度测量的准确度，因此须要求另设附加的专用测温探头。

（3）环境调节系统的配置

① 为获得良好的稳定性，实验室可采取以下措施：

——外保温；

——选用高蓄热能力的墙体材料如混凝土；

——在内墙、天花板、地面等处敷设水管，增加蓄热能力；

——在室内设置其他蓄热体。

② 为获得较均匀的温度场，可采取以下措施：

——使用恒温水辐射调温系统（在内墙、天花板、地面等处敷设水管，通入恒温水），辅以恒温水湿膜加湿小温差多点送风系统。恒温水采用高精度变频恒温冷热水设备制备；

——使用自动控制（开门进人时自动关闭）的恒温水淋水调温加湿系统；

（4）设定测量控制仪表的控制限

标准规定的混凝土标准养护室环境要求为温度20±2℃，相对湿度≥95％。考虑温度均匀度对环境测控的影响，确定实验室环境控制参数为温度20±1℃，相对湿度≥95％。再进一步考虑到测量控制仪表的计量特性（准确度）对测量控制的影响，确定测量控制仪表的控制限如下表：

混凝土标准养护室测量控制仪表控制限

项目	控制下限	控制上限
温度控制限 ℃	19.5	20.5
湿度控制限相对湿度％	97	98

5．结论

（1）为建立和维持符合标准要求的环境技术条件，应由检测标准方法正确导出对实验室环境、环境设备、测量控制仪表的计量要求。应对实验室进行精心规划，合理配置环境调节系统，正确选择测量控制仪表。

（2）为建立和维持符合标准要求的环境技术条件，应对环境测量控制仪表的控制限值进行正确地设定。设定环境测量控制仪表的控制限值时应考虑测量控制仪表测量准确度或最大允许误差对测量结果和合格评定的影响。

（3）工程质量检测机构实验室检测环境控制中普遍存在以下问题：

——不考虑测量仪表准确度对测量控制的影响，直接以检测标准对环境条件的要求作为控制限，导致环境控制失效；

——不考虑环境温湿度场分布的均匀度问题对测量控制的影响，导致对实验室环境的全面控制不能有效实现；

——不考虑高湿条件下传感器探头结露问题对湿度测量准确度的影响，在高湿环境下使用不带抗结露功能的湿度传感器，导致环境湿度控制失效。