采用高精度数字温度计代替标准水银温度计的探讨

付君君 武鑫财 姚燕燕 弓艳红

(晋西工业集团有限责任公司理化计量中心，太原 030027)



采用高精度数字温度计代替标准水银温度计的探讨

付君君 武鑫财 姚燕燕 弓艳红

(晋西工业集团有限责任公司理化计量中心，太原 030027)

高精度数字温度计是近几年发展较迅速的温度测量仪器，该仪器能否代替标准水银温度计作为标准进行量传，本文从标准水银温度计在量传系统中的作用与功能、标准温度计存在的问题、数字温度计的特点等方面进行阐述，通过采用数字温度计对工作用玻璃液体温度计进行检定测量，并对其结果进行不确定度分析，论证采用高精度数字温度计代替水银温度计进行量传的可行性。

高精度数字温度计；标准水银温度计；不确定度

0 引言

目前，在对温度测量仪器进行检定/校准时，一般采用二等水银温度计(JJG 161—2010中已改为标准温度计)标准装置。主标准器主要是标准水银温度计，其优点是准确度高、性能比较稳定、抗干扰能力强，但同时也具有使用范围有限、检定过程繁琐、读数误差大、容易破损等缺点，而且水银属有毒物质且不能分解，对环境造成污染。在JJG 161—2010中已取消了一等、二等标准水银温度计的分级，使用二等铂电阻温度计代替原来的一等标准水银温度计检定二等水银温度计的情况。本文从标准水银温度计量传现状和存在的主要问题以及数字温度计的优点等方面，分析讨论用数字温度计代替二等温度计检定工作用温度计的可行性。

1 标准水银温度计量传现状

1.1 标准水银温度计

水银温度计由装有感温液的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成[1]。多年来标准水银温度计在温度量传过程中一直发挥着重要的作用，在全国计量技术机构及各企业，多数开设有温度校准与测试项目的实验室具有标准水银温度计的计量标准，但仅限于-60～300℃的温区内的工作用玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计等的检定/校准，受浸没深度外形尺寸、材料特性等因素的影响，标准温度计基本上无法胜任其它方面的校准与测试，只能局限于在实验室与恒温槽配套使用才会发挥其作用[2]。

1.2 标准温度计量传存在的问题

目前的水银温度计量传系统，存在送检时间长、携带不便，工作周期长、容易破损等缺点。标准温度计-30～300℃温区为七支，检定程序复杂，每相隔10℃检定一点，一支温度计至少要检定六个温度点和两个零位，在下限检定完冷却到室温，测零位，按每隔10℃检一温度点到上限时，再进行冷却到室温，再测零位。劳动强度大，工时长且效率低，检定一套标准温度计需要7至10个工作日，检定机构对送检的标准水银温度计很难做到随送随检，较低的工作效率已不能适应当今经济与社会发展的需要[3]。在检定和温度计预热过程中，容易发生温度计破裂的情况。操作繁琐，由于标准温度计一套为七支，每50℃一支，如果要检定一支0～300℃的工作用温度计，需要更换三支温度计才能完成，而且要及时更换，若超过上限温度会损坏温度计。误差大，由于检定过程中所有数值都是由检定员通过读数望远镜观测到的，读数误差会增大，同时对检定员的视力健康也有影响。

玻璃水银温度计的零点位移是考核其稳定性的一个重要指标，也是误差的主要来源，其通常用零位上升值和零位低降值来表示。零点位移是由玻璃内部组织发生变化而引起热后效引起的，会造成温度计零位波动，从而影响温度计的示值[4]。目前所测量的零位并不是真正意义上的零位，玻璃温度计在受热后，感温泡随之膨胀，当降温时，膨胀了的感温泡无法及时恢复原来的状态，造成零位低降，因此这就涉及到温度计冷却时间，在温度计各个温度点上所用的零位均是在冷却时间约为10～30min测得，考虑到玻璃的特性，对150℃以上的温度计而言，冷却时间不够长，(国外一些资料认为高温度点的零位应在冷却24h后测量)，显然在这种情况下，所测量的零位只是温度计在冷却过程中的一个状态值，使用价值值得怀疑。

另一方面，在检定二等标准水银温度计时采用整十度检定，只给出整十度的修正值，实际工作中常常遇到非整十度的检定工作，因此只能采用内插法求出某点的修正值。但是采用这种方法，由于玻璃温度计玻璃毛细管和刻度的不均匀性还是常常带来较大的误差。

2 数字温度计的特点

数字温度计是采用温度传感器(如铂电阻、热电偶、半导体、热敏电阻等)作为感温元件，将温度的变化转换成电信号的变化，这个电信号可以使用模数转换的电路即A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出温度数值的测温装置，具有数值显示直观，温度测量范围宽的特点。其基本结构框如图1所示。

图1 数显温度仪表组成框图

随着市场对量值传递和测温需求的不断提高以及计算机、仪器仪表和传感器技术的飞速发展,以现有的技术角度，尝试采用以铂电阻做传感器的高精度数字温度计替代标准水银温度计进行检定已经势在必行。但高精度数字温度计至少应具备以下性能:1)分辨力高。一般应达到0.001℃,至少为0.01℃。2)稳定性好。3)线性度高。在全量程范围内,应保证良好的线性。4)准确度高。示值误差应保证不超过0.1℃甚至0.01℃。5)智能化。带有设置、调整、存储等功能。

图2 1552A数字温度计实物图

以某公司生产的型号为1552A数字温度计为例，该温度计全量程年稳定性为±0.05℃，分辨力0.001℃，测量范围-80～300℃，温度采样率1s，传感器内置于不锈钢护套中并且和温度测量装置集成在一起，电池供电，具有坚固耐用、使用简单的特点。其实物图如图2所示。与标准水银温度计相比，数字温度计具有以下优点：1)使用温度范围宽。一支数字温度计代替了七支水银温度计。2)安全环保。因为具有带背光的LCD显示屏，读数直观方便。3)准确度和自动化程度高。用户可设置稳定度/趋势指示，从而知道温度何时达到足够稳定度进而开始准确测量。由于数字温度计在全量程中准确度一致,因此在检定高精度数字温度计时,只需要选取几个典型温度点就可以完成。

用高精度数字温度计替代标准水银温度计不仅可以提高标准器的技术性能和安全性能，而且可以减轻检定人员的劳动强度，提高工作效率，改善工作条件，消除污染隐患。但是，数字温度计存在一个长期稳定性的问题，主要原因在于传感器铂电阻和其电路存在的缺陷。随着科技的发展，测量电路和铂电阻的非线性可以通过成熟的硬件电路和功能丰富的软件达到比较理想的水平。下面通过实验对工作用玻璃液体温度计用数字温度计进行测试并进行不确定度评估，以验证使用高性能的数字温度计代替标准水银温度计的可行性。

3 测试实验

3.1 稳定性测试

为保证测量的准确性，首先必须确保数字温度计的稳定性。因此对1552A数字温度计在恒温油槽中进行考核，恒温油槽稳定性为±0.01℃。为了与标准水银温度计在100℃年变化量相对比，因此测试其在100℃的稳定性。由二等铂电阻温度计作标准对1552A数字温度计进行校准，四个月其示值修正值稳定性为±0.004℃，而标准水银温度计100℃的年变化量为±0.05℃，满足要求。测试结果如表1所示。

表1 对1552A数字温度计在100℃点测量结果 ℃

3.2 实验过程

实验证明1552A数字温度计稳定性能良好，根据JJG 130—2011《工作用玻璃液体温度计》检定规程介绍的方法，采用1552A数字温度计代替二等标准水银温度计对0.1分度的50～100℃温度计在100℃温度点上进行测试，设置恒温油槽在100℃，待油槽稳定后，插入温度计，进行测量，记录并计算被检温度计与数字温度计的偏差数。在100℃温度进行10次等精度测量,其结果(偏差数)为：0.09，0.09，0.09，0.10，0.10，0.10，0.08，0.08，0.08，0.08℃。

3.3 不确定度评估

建立数学模型

x=t实-t

(1)

式中：x为工作用玻璃液体温度计的示值修正值；t实为槽中实际温度(数字温度计的读数)；t为工作用玻璃液体温度计的读数(平均值)。

检定过程中不确定度的主要来源有年稳定性影响u1、数字温度计分辨力的影响u2、温场均匀性的影响u3、被检温度计的重复性影响u4、被检温度计读数不准的影响u5。

由于上述各分量独立不相关,所以合成标准不确定度为：

=0.03℃

取k=2，则扩展不确定度：

U=kuc=0.03×2=0.06℃

使用标准水银温度计采用相同的方法对同支被检温度计进行评定，扩展不确定度为：

U=kuc=0.02×2=0.04℃

4 结束语

在使用标准水银温度计检定时,要用到其修正值,在进行不确定度评定时考虑标准水银温度计的修正值引入误差,且评定过程繁琐[5]。对分度值为0.1℃的50～100℃被检温度计进行不确定度分析，U=0.04℃,k=2。使用数字温度计时,并未使用其修正值,得到的不确定度为U=0.06℃,k=2，尽管扩展不确定度偏大，使用数字温度计进行检定和数据处理却非常方便简洁，并且规程中要求检定分度值为0.1℃的温度计,扩展不确定度U=0.06℃,k=2，与使用数字温度计得到的不确定度相当，完全能达到规程要求的技术指标。

综合分析，从高精度数字温度计的技术性能、测试特点以及对其进行测量不确定度的分析和稳定度试验得出，采用高精度数字温度计检定工作用温度计完全能满足要求。可见，由高精度数字温度计代替标准水银温度计是可行的。

[1] JJG 161—2010标准水银温度计检定规程[S]

[2] 崔志尚.温度计量与测试[M].北京：中国计量出版社，1998

[3] JJG 130—2011工作用玻璃液体温度计检定规程[S]

[4] 廖理.热学计量[M].北京：原子能出版社，2002

[5] JJF 1059—2012测量不确定度的评定与表示[S]

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.17