夏萍萍 夏海雷

摘 要：該文提出了采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和精密恒溫設(shè)備作標(biāo)準(zhǔn)儀器和設(shè)備來對(duì)冷鏈溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的方法，并對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了不確定度研究、分析。分析結(jié)果表明，不確定度小于被測對(duì)象最大允許誤差的1/3，驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法是合理、可靠的。

關(guān)鍵詞：冷鏈 溫度計(jì) 校準(zhǔn) 不確定度 研究

中圖分類號(hào)：TB9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0059-02

Study of Calibration Method and Uncertainty for Cold Chain Thermometer

Xia Pingping Xia Hailei

（Zhejiang Institute of Metrology，HangZhouZhenjiang 310013，China）

Abstract：Proposed calibration method of useing the standard platinum resistance thermometer and precision constant temperature equipment as standard instruments and equipment for cold chain thermometer，and study，analysis the uncertainty of calibration results.The results indicate uncertainty is less than the maximum permissible error of the measured object 1/3，verified the calibration method is reasonable and reliable.

Key Words：Cold chain；Thermometer；Calibration；Uncertainty；Study

藥品、食品安全問題已成為當(dāng)今社會(huì)最為關(guān)注的焦點(diǎn)之一，藥品、食品從生產(chǎn)、加工到貯藏、運(yùn)輸、銷售等過程組成了復(fù)雜、龐大的供應(yīng)鏈系統(tǒng)。為了保證藥品、食品的品質(zhì)，物流供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)必須處于規(guī)定的低溫狀態(tài)，這就是冷鏈的概念。因此藥品、食品的安全直接取決于冷鏈溫度的監(jiān)測與控制，冷鏈溫度計(jì)主要用于冷鏈溫度的監(jiān)控，其計(jì)量性能決定著冷鏈溫度監(jiān)控的可靠性和準(zhǔn)確性。由此，藥品、食品安全與冷鏈溫度計(jì)的計(jì)量性能密切相關(guān)，應(yīng)定期對(duì)冷鏈溫度計(jì)（以下簡稱溫度計(jì)）予以校準(zhǔn)，以保證其計(jì)量性能的準(zhǔn)確可靠。

1 溫度計(jì)基本原理

溫度計(jì)主要由溫度傳感器、測量電路、信號(hào)處理電路以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成，最低測量溫度在-40 ℃及以下，最大測溫誤差一般在±0.2 ℃～±0.5 ℃之間。溫度計(jì)的溫度傳感器分為內(nèi)置和外置兩種形式，通常采用鋰亞硫酰氯電池供電，外殼可密封防水，也可開有散熱通風(fēng)孔，可單路測量，也可多路測量。溫度計(jì)的數(shù)據(jù)表示方式有本地?cái)?shù)字顯示和遠(yuǎn)程數(shù)字顯示兩種，遠(yuǎn)程顯示可分為通過無線傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存后取出顯示兩種方式。

溫度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理框圖見圖1。

冷鏈溫度計(jì)的總體框架是以單片機(jī)為中心工作，在其周圍擴(kuò)展相關(guān)功能，如圖1所示。虛線框內(nèi)的是冷鏈溫度計(jì)的硬件系統(tǒng)，可分為溫度采集記錄、通訊讀取兩個(gè)模塊。這兩個(gè)模塊的功能清晰明顯，采集記錄模塊主要由MCU、傳感器、存儲(chǔ)單元組成，負(fù)責(zé)對(duì)象值的測量和反饋，存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)將被測個(gè)數(shù)、被測值及系統(tǒng)工作的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通訊讀取模塊主要由USB以及切換電路與MCU組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)與PC機(jī)的所有通訊工作，例如數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)定。從模塊的劃分來看，硬件系統(tǒng)的工作都是圍繞MCU進(jìn)行。從控制流的方向也可以看出，測量與存儲(chǔ)也由MCU控制，只能接收相應(yīng)MCU的指令，USB接口和MCU的控制流之所以是雙向的，是由于MCU與PC機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，MCU會(huì)從USB通訊接口接收指令。

2 溫度計(jì)的校準(zhǔn)方法

為了減少校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，校準(zhǔn)時(shí)采用二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和相對(duì)誤差不大于1×10-5的測溫電橋作標(biāo)準(zhǔn)儀器，選擇溫度均勻性不超過0.01 ℃、溫度波動(dòng)性不超過0.02 ℃/10 min的恒溫槽或溫度均勻度不超過0.05 ℃、溫度波動(dòng)度不超過±0.02 ℃/10 min的專用恒溫箱作精密恒溫設(shè)備。

校準(zhǔn)前，按照溫度計(jì)技術(shù)說明書的要求，設(shè)置有關(guān)運(yùn)行參數(shù)、檢查供電電池，并調(diào)整溫度計(jì)時(shí)鐘。對(duì)于時(shí)鐘可調(diào)的溫度計(jì)，調(diào)整其時(shí)間值與計(jì)時(shí)器的時(shí)間值一致；對(duì)于時(shí)鐘不可調(diào)的溫度計(jì)，應(yīng)分別同時(shí)記錄溫度計(jì)和計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間值；對(duì)于時(shí)鐘可置零的溫度計(jì)，應(yīng)與計(jì)時(shí)器同時(shí)置零、啟動(dòng)。

為減少校準(zhǔn)中外部環(huán)境對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，提高校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性，必須注意溫度計(jì)敏感元件浸于均勻穩(wěn)定的溫場之中。

通常情況下，可按照以下方式安裝溫度計(jì)。

（1）溫度計(jì)的溫度傳感器外置且傳感器線纜或插桿長度足以使溫度敏感元件浸沒于恒溫槽均勻溫區(qū)內(nèi)且受環(huán)境溫度影響可忽略時(shí)，將溫度傳感器垂直插入恒溫槽中，插入深度不少于200 mm，數(shù)據(jù)采集部分置于恒溫槽外；

（2）溫度計(jì)的溫度傳感器外置且傳感器線纜或插桿長度不足以使溫度敏感元件浸沒于恒溫槽均勻溫區(qū)內(nèi)，或雖能足夠浸沒但因插桿導(dǎo)熱性能優(yōu)良導(dǎo)致受環(huán)境溫度影響不可忽略，或溫度傳感器內(nèi)置、數(shù)據(jù)采集部分不密封時(shí)，應(yīng)將其整體置于專用恒溫箱中；

（3）整體密封的溫度計(jì)，可將其整體放入金屬網(wǎng)兜并浸沒于距離恒溫槽液體介質(zhì)液面200 mm以下的均勻溫區(qū)內(nèi)，或?qū)⑵湔w置于專用恒溫箱均勻溫區(qū)中。

為了減小自熱以及環(huán)境溫度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)儀器測量結(jié)果的影響，校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的工作電流應(yīng)不大于1 mA，插入深度應(yīng)不小于250 mm。當(dāng)使用恒溫箱作恒定溫度源時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)應(yīng)垂直插入，同時(shí)為降低或消除恒溫箱插入孔與外界的熱交換，應(yīng)采用棉花或其他保溫材料塞緊標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與插入孔之間的空隙。

校準(zhǔn)時(shí)，將恒溫設(shè)備的溫度恒定在各被校溫度點(diǎn)上，溫度偏離校準(zhǔn)點(diǎn)不得超過±0.2 ℃（以標(biāo)準(zhǔn)儀器示值為準(zhǔn)）。當(dāng)恒溫槽溫度恒定20 min或恒溫箱溫度恒定40 min以上時(shí)，根據(jù)設(shè)置的溫度計(jì)啟動(dòng)方式、記錄間隔計(jì)算讀數(shù)時(shí)間，在溫度計(jì)記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻，讀取并記錄測量標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)器的示值，并按照設(shè)置的溫度計(jì)記錄間隔連續(xù)讀取四次。

完成最后一個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的測量后，取出溫度計(jì)或溫度傳感器，待其溫度達(dá)到環(huán)境溫度附近時(shí)，按照溫度計(jì)操作說明連接PC機(jī)并讀取、打印或通過PC機(jī)顯示溫度計(jì)采集、記錄的溫度測量數(shù)據(jù)及相應(yīng)的時(shí)間值。對(duì)于無線信號(hào)傳輸?shù)臏囟扔?jì)，在按建立即實(shí)時(shí)通訊連接后，可同時(shí)讀取測量標(biāo)準(zhǔn)及PC機(jī)的實(shí)時(shí)顯示值。

溫度計(jì)的測量誤差按公式（1）計(jì)算：

（1）

每次測量時(shí)，的大小按公式（2）計(jì)算：

（2）

式中：為校準(zhǔn)點(diǎn)名義溫度（℃）；

為溫度時(shí)的電阻比。

當(dāng)溫度計(jì)最大允許誤差不超過±0.1℃時(shí)，應(yīng)在每次完成校準(zhǔn)后測量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的值；

、為由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)分度表給出的溫度對(duì)應(yīng)的電阻比和電阻比變化率。

3 不確定度分析

以分辨力為0.01 ℃、最大測量允許誤差為±0.1 ℃的溫度計(jì)為例進(jìn)行分析，校準(zhǔn)時(shí)使用恒溫槽作恒溫設(shè)備。

3.1 數(shù)學(xué)模型

溫度計(jì)測量誤差的數(shù)學(xué)模型為：

式中：為在每一校準(zhǔn)點(diǎn)上，被校溫度計(jì)的測量誤差（℃）；

為在每一校準(zhǔn)點(diǎn)上，被校溫度計(jì)顯示值的平均值（℃）；

為在每一校準(zhǔn)點(diǎn)上，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測得值的平均值（℃）；

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源

標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源包括：

（1）溫度計(jì)測量重復(fù)性導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1。

（2）溫度計(jì)分辨力導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2。

（3）二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)量值溯源導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3。

（4）測溫電橋測量誤差導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4。

（5）二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)水三相點(diǎn)電阻值變化導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5。

（6）二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)自熱導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6。

（7）恒溫槽溫度場不均勻?qū)е碌臉?biāo)準(zhǔn)不確定度u7。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

經(jīng)過分析、計(jì)算，各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的大小見表1。

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

上述各標(biāo)準(zhǔn)不確定度彼此之間相互獨(dú)立，且靈敏的絕對(duì)值均為1，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為： ℃。

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度 ≈0.01 ℃。

4 結(jié)語

測量不確定度不大于被測儀器最大允許誤差的1/3時(shí)，一般公認(rèn)為測量不確定度是比較小的，測量方法是合理、可靠的。由上述分析可以看出，采用上述方法對(duì)冷鏈溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的不確定度為0.01 ℃，為溫度計(jì)最大允許誤差的1/10，因此該文研究的冷鏈溫度計(jì)的校準(zhǔn)方法是科學(xué)、合理的。

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