测温贴的校准研究

曾颖

摘 要：测温贴是一种直接贴在被测物体表面进行温度测量的无源标签卡，主要应用于食品及药物运输、设备运行过程监控。根据测温贴的分类及特点选择稳定的热源和高精度标准器，设计了测温贴温度示值误差的校准方法。此方法不仅能够满足变色测温贴的温度校准需求，还保障了测温贴温度测量结果的准确性和可靠性。

关键词：测温贴;校准;表面温度

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： Temperature labels are used for the measurement of the surface temperature of which it attached to.They are mainly used in the transportation monitoring of food and medical，or equipment operation process monitoring.According to the characteristics of temperature labels，heat source and the standards are selected based on the research of temperature labels.The calibration method of temperature deviation of temperature labels is designed，which can not only meet the needs of temperature calibration requirements of color-changing temperature labels，but also ensure the accuracy and reliability of the measurement results of temperature labels.

Keywords： temperature labels;calibration;surface temperature

測温贴是一种表面温度测量的标签卡，直接贴在被测物体表面，无需通电或接线，通过贴纸的颜色变化即可指示被测物体的表面温度[1]。测温贴测温机理不尽相同，但都是基于热敏物质受热后发生化学或物理变化的原理，如晶型转化、升华、失水、氧化和分解引起光散射的频带转移，在分子结构的改变后导致反射光的颜色发生变化。

测温贴具有体积小、显示明显变色醒目且直观、价廉的特点，常用于速冻食品、血液、疫苗、药品等热失效货物运输以及设备运行过程的监控和简单测温指示。例如，中国医科大学附属盛京医院将测温贴应用于测量急性中毒患儿洗胃液的温度[2]，新汶矿业集团协庄煤矿将测温贴应用在电气设备上监控温度变化[3]。随着测温贴在不同行业的广泛应用，其产量也在不断增长。

测温贴只要不超过额定温度，寿命可达3年。其使用非常便捷，只需将测温贴直接敷在被测物体表面即可。由于测温贴成本低，在测量精度要求不太高的工业过程及对不重要配件的监控过程中，测温贴比其他测温工具更加经济实用。在测温贴的使用过程中应避免刮、划及弯折现象，还应避免存储在高温环境下。如果需要将测温贴粘贴在有油和水的部位，应当在贴片表面覆盖透明胶带，以起到保护测温贴的作用。

1 测温贴的分类

测温贴按显示内容分为单温度变色和数值显示系列测温贴;按变色方式分为不可逆和可逆测温贴。笔者针对温度测量变色方式不同的测温贴进行研究。

1.1 不可逆测温贴

不可逆测温贴具有温度环境过程记录功能，可记录在使用过程中被测物体的温度是否超出测温贴的额定温度，一旦超温显示窗口立即显示超温数字或变色，或记录被测物体所经历温度环境的最高峰值。超温后，当测温贴温度降至额定温度以下，测温贴显示的颜色不会复原，只停留在超温颜色，以此告知使用者被测物曾经超温过。

不可逆测温贴中有个特殊应用的时间测温贴，可显示超温时间。当时间测温贴暴露在其额定温度以上环境中时，时间贴片内的化学剂开始融化变色，并且沿着内管往下流向贴片上对应的时间窗口。当时间贴片温度低于额定温度时化学剂停止流动，因此根据时间窗口进度来显示时间测温贴所在环境超过额定温度的时间。

1.2 可逆测温贴

可逆测温贴具有重复使用的功能，可以显示被测物体是否超过额定温度，也可以显示当前环境温度。单点超温显示测温贴在被测物体温度超过额定温度时变色，如图1（a）所示。当环境温度下降低于额定温度时，测温贴颜色则会变回初始颜色。多温度显示测温贴可在规定的一个较小温度区间内发生颜色变化，通过色柱长度来实时显示当前环境温度，如图1（b）所示。当测温贴的温度上升或下降时，测温贴的色柱长度也会相应发生变化。可逆测温贴重复变色的现象虽然理论上可无限使用，但若长时间超温或超温过多，可逆测温贴的可逆功能也将失效[4]。

根据某些特殊场合需要，市面上还存在基于可逆测温贴进行改良生产的“半可逆”测温贴。半可逆测温贴在超温过后，当温度降至额定温度以下时，测温贴的颜色呈现为初始状态颜色与超温状态颜色之间的过渡色，由此作为曾经超温的依据，如图2所示。

2 测温贴计量特性

2.1 响应时间

基于测温贴的工作机理，物质在进行物理化学反应时需要吸放热，但由于测温贴体积小、热容小，可逆测温贴在升温过程响应时间较快，可以达到1～5 s，但在降温过程中响应时间较长，接近10 s。

2.2 准确性和测温范围

国产测温贴温度测量精度为-1～2℃，测温范围为37～120 ℃;进口产品测量精度为-0.6～1.0℃，测温范围为-20～290 ℃。

3 现有检测方法介绍

目前，国内测温贴有以下检测方法。

①将测温贴粘贴在平板加热器上，将平板加热器升温，测温贴变色瞬间，立即用红外测温仪测量平板温度。此方法存在的问题：平板加热器作为热源波动性大，存在不稳定的情况;使用红外测温仪测量平板加热器光亮的金属表面，其测量结果误差大。

②将标准水银温度计和恒温槽配套使用，并设计由紫铜杯体、电木杯体上沿和耐热玻璃杯盖组成帖敷装置。将测温贴片贴在内壁表面，并将装置和标准水银放入槽中，先将槽温设置为比测温贴额定温度低3 ℃，待槽温稳定后观察测温贴是否变色;测试完后每升1 ℃进行测温，直至温度贴片完全变色，在变色后取出测温贴室温放置，观察其是否变色可逆[5]。此方法存在问题：温度槽在升温到温度稳定的过程中常出现温度过冲现象，若在槽温未稳定前放入不可逆测温贴，则会引起较大测量误差;标准水银温度计实测温度为恒温槽介质的温度，而测温贴实测温度为紫铜内壁温度，两者存在一定的温度差且在槽温波动时具有热延时现象，因此将标准水银温度计的示值与测温贴示值直接比对会造成较大的测量误差。

③将测温贴贴在薄壁金属桶外面，桶内插人一根温度计，不断给桶内液体加热。随着液体温度升高，温度计值上升到额定变色温度，即可观察到对应温度的测温贴片变色情况。这种方法忽略了金属桶内外表面的温度差，温度计测得的数值与金属桶外表面的实际温度值存在一定的差值，同时测温贴响应时间受其升降温速率影响，桶内液体的均匀性及温度计的位置也会带来影响，因此此测量方法测得的温度数值误差较大。

4 校准方案

根据市场上测温贴的类型和特性进行分析，利用温度实验室的恒温设备，研究针对不同类型测温贴温度偏差的校准方法。这种方法准确度高，复现性强，操作快速简便，满足测温贴温度偏差的检测需求。

4.1 校准装置

校准装置由表面测温标准器和恒温设备组成。表面测温标准器选用最大允许误差不超过±0.5 ℃、响应时间不超过3 s的自重式标准表面温度计。恒温设备选择均匀性不大于0.02 ℃及10 min内槽温变化不大于0.04 ℃的标准恒温槽。使用30 cm深度的帽型紫铜杯体作为平面配件配合标准恒温槽进行使用。校准装置如图3所示。

4.2 校准方法

通过比对测量原理，将标准表面温度计的示值与被检测温贴的示值进行对比，计算温度示值误差。测温贴变色方式不同，其校准方法也不同。

4.2.1 可逆测温贴校准。对于有额定温度T0的可逆显示测温贴，将被检测温贴与自重式标准表面温度计放置在紫铜杯体底部。先将槽温设置为低于可逆测温贴额定温度2.5 ℃，观察自重式标准表面温度计的温度值，待槽温稳定10 min后开始监测可逆测温贴是否变色，若可逆测温贴未变色将槽温再升0.2 ℃进行测试。待槽温稳定10 min后，观察可逆测温贴的变色情况，如此重复升温-稳定-观察，直至温度贴片变色。在可逆测温贴变色瞬间立即读取标准器自重式标准表面温度计的温度示值T1，然后将恒温槽设定值降低0.1 ℃，待槽温稳定10 min后，观察可逆测温贴是否变色。如果未变色将槽温再降0.1 ℃进行测试，如此重复升温-稳定-观察，直至可逆测温贴变色，并在可逆测温贴变色瞬间立即读取标准器自重式标准表面温度计的温度示值T2。

对于数值显示的柱状可逆测温贴，在其温度测量的量程中选择3～5个校准温度点，其中包括上、下限和中间有刻度的点。校准顺序为先从测温贴下限温度开始校准，然后升温至测温贴测温上限，再从测温贴上限降低至下限。将被校可逆测温贴与自重式标准表面温度计放置在紫铜杯体底部，先将槽温设置到可逆测温贴校准温度点，观察自重式标准表面温度计的温度值，此时恒温槽的实际温度不可偏离校准温度点±0.2 ℃，待槽温稳定10 min后，先读取标准器自重式标准表面温度计的温度示值，再读取可逆测温贴柱条显示的温度值。

4.2.2 不可逆测温贴校准。对于不可逆显示的测温贴，先将自重式标准表面温度计放置在紫铜杯体底部，将恒温槽温度设置为低于测温贴额定温度2.5 ℃，观察自重式标准表面温度计的温度值。待槽温稳定10 min后，放入被校不可逆测温贴。观察10 s内不可逆测温贴是否变色，若未变色将不可逆测温贴取出，将槽温再升0.2 ℃进行测试，同样观察自重式标准表面温度计的温度值，待槽温稳定后再将测温贴放入紫铜杯底部。如此重复升温-稳定-放测温贴-观察-取出的过程，直至不可逆测温贴变色，并在变色瞬间立即读取标准器自重式标准表面温度计的温度示值，此温度即为不可逆测温贴的实际变色温度。

5 数据处理

5.1 可逆测温贴

5.1.1 有额定温度的变色可逆测温贴。有额定温度的变色可逆测温贴示值误差的计算方法为：

有额定温度的变色可逆测温贴上下行程切换差的计算方法为：

式中：T0为测温贴标称额定变色温度，℃;T1为测温贴上行程实际变色温度，℃;T2为测温贴下行程实际变色温度，℃;ΔT为测温贴示值误差，℃;Δδ为测温贴上下行程切换差，℃。

5.1.2 数值显示的可逆测温贴。数值显示的可逆测温贴各校准温度点的示值误差计算方法为：

数值显示的可逆测温贴各校准温度点的切换误差计算方法为：

式中：ΔT为测温贴示值误差，℃;T1’为校准温度点上行程可逆测温贴柱条显示的温度示值，℃;Ts1為校准温度点上行程自重式标准表面温度计温度示值，℃;T2’为校准温度点下行程可逆测温贴柱条显示的温度示值，℃;Ts2为校准温度点下行程自重式标准表面温度计温度示值，℃;Δδ为测温贴上下行程切换差，℃。

5.2 不可逆测温贴

不可逆测温贴的示值误差计算方法为：

式中：ΔT为测温贴示值误差，℃;T0为测温贴标称变色温度，℃;TN为测温贴实际变色温度，℃。

6 结语

通过对测温贴的研究，根据测温贴可逆与不可逆的特点选择热源和标准器，设计了不同的校准方法。测温贴温度偏差的有效校准不仅能够满足测温贴变色温度的测量精度需求，而且保证了测温贴温度校准结果的准确可靠。本校准方法可行性较强，便于推广使用。随着测温贴的广泛应用，在其产量不断增长的同时，配合准确有效的测温贴校准方法，将很大程度促进测温贴的应用效果及产品质量的进一步提升。

参考文献：

[1]唐淑慧.北京亚东星变色测温贴片在电力行业的应用[J].电工技术，2002（5）：8-14.

[2]王珊珊，贺琳晰.测温贴在急性中毒患儿中的应用[J].护理研究，2018（10）：1659-1660.

[3]石鑫.变色测温贴片在电气设备上的应用[J].节能，2011（2）：120-121.

[4]唐淑慧.示温记录标签：变色测温贴片在电力行业的应用[J].电工技术杂志，2002（5）：64-65.

[5]关军，单纯利，葛纪全，等.测温贴片变色温度校准[J].计量与测试技术，2013（7）：10-11.

3072500338231