冷链温度数据采集仪校准方法及不确定度研究

夏萍萍 夏海雷

摘 要：该文提出了采用标准铂电阻温度计和精密恒温设备作标准仪器和设备来对冷链温度计进行校准的方法，并对校准结果进行了不确定度研究、分析。分析结果表明，不确定度小于被测对象最大允许误差的1/3，验证了校准方法是合理、可靠的。

关键词：冷链 温度计 校准 不确定度 研究

中图分类号：TB9 文献标识码：A 文章编号：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

药品、食品安全问题已成为当今社会最为关注的焦点之一，药品、食品从生产、加工到贮藏、运输、销售等过程组成了复杂、庞大的供应链系统。为了保证药品、食品的品质，物流供应链的各个环节必须处于规定的低温状态，这就是冷链的概念。因此药品、食品的安全直接取决于冷链温度的监测与控制，冷链温度计主要用于冷链温度的监控，其计量性能决定着冷链温度监控的可靠性和准确性。由此，药品、食品安全与冷链温度计的计量性能密切相关，应定期对冷链温度计（以下简称温度计）予以校准，以保证其计量性能的准确可靠。

1 温度计基本原理

温度计主要由温度传感器、测量电路、信号处理电路以及数据存储电路组成，最低测量温度在-40 ℃及以下，最大测温误差一般在±0.2 ℃～±0.5 ℃之间。温度计的温度传感器分为内置和外置两种形式，通常采用锂亚硫酰氯电池供电，外壳可密封防水，也可开有散热通风孔，可单路测量，也可多路测量。温度计的数据表示方式有本地数字显示和远程数字显示两种，远程显示可分为通过无线传输数据的实时显示和数据储存后取出显示两种方式。

温度计的基本结构及工作原理框图见图1。

冷链温度计的总体框架是以单片机为中心工作，在其周围扩展相关功能，如图1所示。虚线框内的是冷链温度计的硬件系统，可分为温度采集记录、通讯读取两个模块。这两个模块的功能清晰明显，采集记录模块主要由MCU、传感器、存储单元组成，负责对象值的测量和反馈，存储单元负责将被测个数、被测值及系统工作的相关参数进行存储，通讯读取模块主要由USB以及切换电路与MCU组成，负责系统与PC机的所有通讯工作，例如数据读取、参数设定。从模块的划分来看，硬件系统的工作都是围绕MCU进行。从控制流的方向也可以看出，测量与存储也由MCU控制，只能接收相应MCU的指令，USB接口和MCU的控制流之所以是双向的，是由于MCU与PC机进行通讯时，MCU会从USB通讯接口接收指令。

2 温度计的校准方法

为了减少校准结果的不确定度，校准时采用二等标准铂电阻温度计和相对误差不大于1×10-5的测温电桥作标准仪器，选择温度均匀性不超过0.01 ℃、温度波动性不超过0.02 ℃/10 min的恒温槽或温度均匀度不超过0.05 ℃、温度波动度不超过±0.02 ℃/10 min的专用恒温箱作精密恒温设备。

校准前，按照温度计技术说明书的要求，设置有关运行参数、检查供电电池，并调整温度计时钟。对于时钟可调的温度计，调整其时间值与计时器的时间值一致；对于时钟不可调的温度计，应分别同时记录温度计和计时器显示的时间值；对于时钟可置零的温度计，应与计时器同时置零、启动。

为减少校准中外部环境对校准结果的影响，提高校准结果的可靠性，必须注意温度计敏感元件浸于均匀稳定的温场之中。

通常情况下，可按照以下方式安装温度计。

（1）温度计的温度传感器外置且传感器线缆或插杆长度足以使温度敏感元件浸没于恒温槽均匀温区内且受环境温度影响可忽略时，将温度传感器垂直插入恒温槽中，插入深度不少于200 mm，数据采集部分置于恒温槽外；

（2）温度计的温度传感器外置且传感器线缆或插杆长度不足以使温度敏感元件浸没于恒温槽均匀温区内，或虽能足够浸没但因插杆导热性能优良导致受环境温度影响不可忽略，或温度传感器内置、数据采集部分不密封时，应将其整体置于专用恒温箱中；

（3）整体密封的温度计，可将其整体放入金属网兜并浸没于距离恒温槽液体介质液面200 mm以下的均匀温区内，或将其整体置于专用恒温箱均匀温区中。

为了减小自热以及环境温度对标准仪器测量结果的影响，校准时标准铂电阻温度计的工作电流应不大于1 mA，插入深度应不小于250 mm。当使用恒温箱作恒定温度源时，标准温度计应垂直插入，同时为降低或消除恒温箱插入孔与外界的热交换，应采用棉花或其他保温材料塞紧标准温度计与插入孔之间的空隙。

校准时，将恒温设备的温度恒定在各被校温度点上，温度偏离校准点不得超过±0.2 ℃（以标准仪器示值为准）。当恒温槽温度恒定20 min或恒温箱温度恒定40 min以上时，根据设置的温度计启动方式、记录间隔计算读数时间，在温度计记录数据的时刻，读取并记录测量标准和计时器的示值，并按照设置的温度计记录间隔连续读取四次。

完成最后一个校准温度点的测量后，取出温度计或温度传感器，待其温度达到环境温度附近时，按照温度计操作说明连接PC机并读取、打印或通过PC机显示温度计采集、记录的温度测量数据及相应的时间值。对于无线信号传输的温度计，在按建立即实时通讯连接后，可同时读取测量标准及PC机的实时显示值。

温度计的测量误差按公式（1）计算：

（1）

每次测量时，的大小按公式（2）计算：

（2）

式中：为校准点名义温度（℃）；

为温度时的电阻比。

当温度计最大允许误差不超过±0.1℃时，应在每次完成校准后测量标准铂电阻温度计的值；

、为由标准铂电阻温度计分度表给出的温度对应的电阻比和电阻比变化率。

3 不确定度分析

以分辨力为0.01 ℃、最大测量允许误差为±0.1 ℃的温度计为例进行分析，校准时使用恒温槽作恒温设备。

3.1 数学模型

温度计测量误差的数学模型为：

式中：为在每一校准点上，被校温度计的测量误差（℃）；

为在每一校准点上，被校温度计显示值的平均值（℃）；

为在每一校准点上，标准温度计测得值的平均值（℃）；

3.2 标准不确定度来源

标准不确定度来源包括：

（1）温度计测量重复性导致的标准不确定度u1。

（2）温度计分辨力导致的标准不确定度u2。

（3）二等标准铂电阻温度计量值溯源导致的标准不确定度u3。

（4）测温电桥测量误差导致的标准不确定度u4。

（5）二等标准铂电阻温度计水三相点电阻值变化导致的标准不确定度u5。

（6）二等标准铂电阻温度计自热导致的标准不确定度u6。

（7）恒温槽温度场不均匀导致的标准不确定度u7。

3.3 标准不确定度分析

经过分析、计算，各标准不确定度分量的大小见表1。

3.4 合成标准不确定度及扩展不确定度的计算

上述各标准不确定度彼此之间相互独立，且灵敏的绝对值均为1，则合成标准不确定度为： ℃。

取包含因子k=2，则扩展不确定度 ≈0.01 ℃。

4 结语

测量不确定度不大于被测仪器最大允许误差的1/3时，一般公认为测量不确定度是比较小的，测量方法是合理、可靠的。由上述分析可以看出，采用上述方法对冷链温度计进行校准的不确定度为0.01 ℃，为温度计最大允许误差的1/10，因此该文研究的冷链温度计的校准方法是科学、合理的。

参考文献

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