付君君 武鑫財(cái) 姚燕燕 弓艷紅

(晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司理化計(jì)量中心，太原 030027)

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采用高精度數(shù)字溫度計(jì)代替標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的探討

付君君 武鑫財(cái) 姚燕燕 弓艷紅

(晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司理化計(jì)量中心，太原 030027)

高精度數(shù)字溫度計(jì)是近幾年發(fā)展較迅速的溫度測(cè)量?jī)x器，該儀器能否代替標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量傳，本文從標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在量傳系統(tǒng)中的作用與功能、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)存在的問(wèn)題、數(shù)字溫度計(jì)的特點(diǎn)等方面進(jìn)行闡述，通過(guò)采用數(shù)字溫度計(jì)對(duì)工作用玻璃液體溫度計(jì)進(jìn)行檢定測(cè)量，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，論證采用高精度數(shù)字溫度計(jì)代替水銀溫度計(jì)進(jìn)行量傳的可行性。

高精度數(shù)字溫度計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)；不確定度

0 引言

目前，在對(duì)溫度測(cè)量?jī)x器進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)時(shí)，一般采用二等水銀溫度計(jì)(JJG 161—2010中已改為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì))標(biāo)準(zhǔn)裝置。主標(biāo)準(zhǔn)器主要是標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、性能比較穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，但同時(shí)也具有使用范圍有限、檢定過(guò)程繁瑣、讀數(shù)誤差大、容易破損等缺點(diǎn)，而且水銀屬有毒物質(zhì)且不能分解，對(duì)環(huán)境造成污染。在JJG 161—2010中已取消了一等、二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的分級(jí)，使用二等鉑電阻溫度計(jì)代替原來(lái)的一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定二等水銀溫度計(jì)的情況。本文從標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)量傳現(xiàn)狀和存在的主要問(wèn)題以及數(shù)字溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)等方面，分析討論用數(shù)字溫度計(jì)代替二等溫度計(jì)檢定工作用溫度計(jì)的可行性。

1 標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)量傳現(xiàn)狀

1.1 標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)

水銀溫度計(jì)由裝有感溫液的感溫泡、玻璃毛細(xì)管和刻度標(biāo)尺三部分組成[1]。多年來(lái)標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在溫度量傳過(guò)程中一直發(fā)揮著重要的作用，在全國(guó)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)及各企業(yè)，多數(shù)開(kāi)設(shè)有溫度校準(zhǔn)與測(cè)試項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)室具有標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，但僅限于-60～300℃的溫區(qū)內(nèi)的工作用玻璃溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)等的檢定/校準(zhǔn)，受浸沒(méi)深度外形尺寸、材料特性等因素的影響，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)基本上無(wú)法勝任其它方面的校準(zhǔn)與測(cè)試，只能局限于在實(shí)驗(yàn)室與恒溫槽配套使用才會(huì)發(fā)揮其作用[2]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)量傳存在的問(wèn)題

目前的水銀溫度計(jì)量傳系統(tǒng)，存在送檢時(shí)間長(zhǎng)、攜帶不便，工作周期長(zhǎng)、容易破損等缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)-30～300℃溫區(qū)為七支，檢定程序復(fù)雜，每相隔10℃檢定一點(diǎn)，一支溫度計(jì)至少要檢定六個(gè)溫度點(diǎn)和兩個(gè)零位，在下限檢定完冷卻到室溫，測(cè)零位，按每隔10℃檢一溫度點(diǎn)到上限時(shí)，再進(jìn)行冷卻到室溫，再測(cè)零位。勞動(dòng)強(qiáng)度大，工時(shí)長(zhǎng)且效率低，檢定一套標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)需要7至10個(gè)工作日，檢定機(jī)構(gòu)對(duì)送檢的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)很難做到隨送隨檢，較低的工作效率已不能適應(yīng)當(dāng)今經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的需要[3]。在檢定和溫度計(jì)預(yù)熱過(guò)程中，容易發(fā)生溫度計(jì)破裂的情況。操作繁瑣，由于標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)一套為七支，每50℃一支，如果要檢定一支0～300℃的工作用溫度計(jì)，需要更換三支溫度計(jì)才能完成，而且要及時(shí)更換，若超過(guò)上限溫度會(huì)損壞溫度計(jì)。誤差大，由于檢定過(guò)程中所有數(shù)值都是由檢定員通過(guò)讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的，讀數(shù)誤差會(huì)增大，同時(shí)對(duì)檢定員的視力健康也有影響。

玻璃水銀溫度計(jì)的零點(diǎn)位移是考核其穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是誤差的主要來(lái)源，其通常用零位上升值和零位低降值來(lái)表示。零點(diǎn)位移是由玻璃內(nèi)部組織發(fā)生變化而引起熱后效引起的，會(huì)造成溫度計(jì)零位波動(dòng)，從而影響溫度計(jì)的示值[4]。目前所測(cè)量的零位并不是真正意義上的零位，玻璃溫度計(jì)在受熱后，感溫泡隨之膨脹，當(dāng)降溫時(shí)，膨脹了的感溫泡無(wú)法及時(shí)恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)，造成零位低降，因此這就涉及到溫度計(jì)冷卻時(shí)間，在溫度計(jì)各個(gè)溫度點(diǎn)上所用的零位均是在冷卻時(shí)間約為10～30min測(cè)得，考慮到玻璃的特性，對(duì)150℃以上的溫度計(jì)而言，冷卻時(shí)間不夠長(zhǎng)，(國(guó)外一些資料認(rèn)為高溫度點(diǎn)的零位應(yīng)在冷卻24h后測(cè)量)，顯然在這種情況下，所測(cè)量的零位只是溫度計(jì)在冷卻過(guò)程中的一個(gè)狀態(tài)值，使用價(jià)值值得懷疑。

另一方面，在檢定二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)時(shí)采用整十度檢定，只給出整十度的修正值，實(shí)際工作中常常遇到非整十度的檢定工作，因此只能采用內(nèi)插法求出某點(diǎn)的修正值。但是采用這種方法，由于玻璃溫度計(jì)玻璃毛細(xì)管和刻度的不均勻性還是常常帶來(lái)較大的誤差。

2 數(shù)字溫度計(jì)的特點(diǎn)

數(shù)字溫度計(jì)是采用溫度傳感器(如鉑電阻、熱電偶、半導(dǎo)體、熱敏電阻等)作為感溫元件，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，這個(gè)電信號(hào)可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給處理單元，內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào)和溫度聯(lián)系起來(lái)，成為可以顯示出溫度數(shù)值的測(cè)溫裝置，具有數(shù)值顯示直觀，溫度測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)。其基本結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 數(shù)顯溫度儀表組成框圖

隨著市場(chǎng)對(duì)量值傳遞和測(cè)溫需求的不斷提高以及計(jì)算機(jī)、儀器儀表和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,以現(xiàn)有的技術(shù)角度，嘗試采用以鉑電阻做傳感器的高精度數(shù)字溫度計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行檢定已經(jīng)勢(shì)在必行。但高精度數(shù)字溫度計(jì)至少應(yīng)具備以下性能:1)分辨力高。一般應(yīng)達(dá)到0.001℃,至少為0.01℃。2)穩(wěn)定性好。3)線(xiàn)性度高。在全量程范圍內(nèi),應(yīng)保證良好的線(xiàn)性。4)準(zhǔn)確度高。示值誤差應(yīng)保證不超過(guò)0.1℃甚至0.01℃。5)智能化。帶有設(shè)置、調(diào)整、存儲(chǔ)等功能。

圖2 1552A數(shù)字溫度計(jì)實(shí)物圖

以某公司生產(chǎn)的型號(hào)為1552A數(shù)字溫度計(jì)為例，該溫度計(jì)全量程年穩(wěn)定性為±0.05℃，分辨力0.001℃，測(cè)量范圍-80～300℃，溫度采樣率1s，傳感器內(nèi)置于不銹鋼護(hù)套中并且和溫度測(cè)量裝置集成在一起，電池供電，具有堅(jiān)固耐用、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。其實(shí)物圖如圖2所示。與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)相比，數(shù)字溫度計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)使用溫度范圍寬。一支數(shù)字溫度計(jì)代替了七支水銀溫度計(jì)。2)安全環(huán)保。因?yàn)榫哂袔П彻獾腖CD顯示屏，讀數(shù)直觀方便。3)準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度高。用戶(hù)可設(shè)置穩(wěn)定度/趨勢(shì)指示，從而知道溫度何時(shí)達(dá)到足夠穩(wěn)定度進(jìn)而開(kāi)始準(zhǔn)確測(cè)量。由于數(shù)字溫度計(jì)在全量程中準(zhǔn)確度一致,因此在檢定高精度數(shù)字溫度計(jì)時(shí),只需要選取幾個(gè)典型溫度點(diǎn)就可以完成。

用高精度數(shù)字溫度計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)不僅可以提高標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)性能和安全性能，而且可以減輕檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，改善工作條件，消除污染隱患。但是，數(shù)字溫度計(jì)存在一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的問(wèn)題，主要原因在于傳感器鉑電阻和其電路存在的缺陷。隨著科技的發(fā)展，測(cè)量電路和鉑電阻的非線(xiàn)性可以通過(guò)成熟的硬件電路和功能豐富的軟件達(dá)到比較理想的水平。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)工作用玻璃液體溫度計(jì)用數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行不確定度評(píng)估，以驗(yàn)證使用高性能的數(shù)字溫度計(jì)代替標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的可行性。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試

為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，首先必須確保數(shù)字溫度計(jì)的穩(wěn)定性。因此對(duì)1552A數(shù)字溫度計(jì)在恒溫油槽中進(jìn)行考核，恒溫油槽穩(wěn)定性為±0.01℃。為了與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在100℃年變化量相對(duì)比，因此測(cè)試其在100℃的穩(wěn)定性。由二等鉑電阻溫度計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1552A數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，四個(gè)月其示值修正值穩(wěn)定性為±0.004℃，而標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)100℃的年變化量為±0.05℃，滿(mǎn)足要求。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)1552A數(shù)字溫度計(jì)在100℃點(diǎn)測(cè)量結(jié)果 ℃

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)證明1552A數(shù)字溫度計(jì)穩(wěn)定性能良好，根據(jù)JJG 130—2011《工作用玻璃液體溫度計(jì)》檢定規(guī)程介紹的方法，采用1552A數(shù)字溫度計(jì)代替二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)對(duì)0.1分度的50～100℃溫度計(jì)在100℃溫度點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置恒溫油槽在100℃，待油槽穩(wěn)定后，插入溫度計(jì)，進(jìn)行測(cè)量，記錄并計(jì)算被檢溫度計(jì)與數(shù)字溫度計(jì)的偏差數(shù)。在100℃溫度進(jìn)行10次等精度測(cè)量,其結(jié)果(偏差數(shù))為：0.09，0.09，0.09，0.10，0.10，0.10，0.08，0.08，0.08，0.08℃。

3.3 不確定度評(píng)估

建立數(shù)學(xué)模型

x=t實(shí)-t

(1)

式中：x為工作用玻璃液體溫度計(jì)的示值修正值；t實(shí)為槽中實(shí)際溫度(數(shù)字溫度計(jì)的讀數(shù))；t為工作用玻璃液體溫度計(jì)的讀數(shù)(平均值)。

檢定過(guò)程中不確定度的主要來(lái)源有年穩(wěn)定性影響u1、數(shù)字溫度計(jì)分辨力的影響u2、溫場(chǎng)均勻性的影響u3、被檢溫度計(jì)的重復(fù)性影響u4、被檢溫度計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)的影響u5。

由于上述各分量獨(dú)立不相關(guān),所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

=0.03℃

取k=2，則擴(kuò)展不確定度：

U=kuc=0.03×2=0.06℃

使用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)采用相同的方法對(duì)同支被檢溫度計(jì)進(jìn)行評(píng)定，擴(kuò)展不確定度為：

U=kuc=0.02×2=0.04℃

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定時(shí),要用到其修正值,在進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)考慮標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的修正值引入誤差,且評(píng)定過(guò)程繁瑣[5]。對(duì)分度值為0.1℃的50～100℃被檢溫度計(jì)進(jìn)行不確定度分析，U=0.04℃,k=2。使用數(shù)字溫度計(jì)時(shí),并未使用其修正值,得到的不確定度為U=0.06℃,k=2，盡管擴(kuò)展不確定度偏大，使用數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行檢定和數(shù)據(jù)處理卻非常方便簡(jiǎn)潔，并且規(guī)程中要求檢定分度值為0.1℃的溫度計(jì),擴(kuò)展不確定度U=0.06℃,k=2，與使用數(shù)字溫度計(jì)得到的不確定度相當(dāng)，完全能達(dá)到規(guī)程要求的技術(shù)指標(biāo)。

綜合分析，從高精度數(shù)字溫度計(jì)的技術(shù)性能、測(cè)試特點(diǎn)以及對(duì)其進(jìn)行測(cè)量不確定度的分析和穩(wěn)定度試驗(yàn)得出，采用高精度數(shù)字溫度計(jì)檢定工作用溫度計(jì)完全能滿(mǎn)足要求。可見(jiàn)，由高精度數(shù)字溫度計(jì)代替標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)是可行的。

[1] JJG 161—2010標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程[S]

[2] 崔志尚.溫度計(jì)量與測(cè)試[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998

[3] JJG 130—2011工作用玻璃液體溫度計(jì)檢定規(guī)程[S]

[4] 廖理.熱學(xué)計(jì)量[M].北京：原子能出版社，2002

[5] JJF 1059—2012測(cè)量不確定度的評(píng)定與表示[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.17