高精度数字温度计替代标准水银温度计的探讨

王在旗陈炯宇纪金龙刘君健

（厦门市计量检定测试院，厦门 361004）

1 引 言

水银危害环境和健康。 中国于2013年10月参加并签署了《关于汞的水俣公约》，在2020年10月16日，国家药监局规定从2026年1月1日起，全面禁止生产含汞体温计等产品。 涉及到温度标准，则是面临着标准水银温度计（以下简称“水银温度计”）的替代问题。 作为替代方案之一，可以采用更高等级的二等标准铂电阻作为传感器、匹配高精度电测仪表组成的“标准数字温度计”进行替代。但这种替代方案整机成本很高，且标准铂电阻大多数采用石英玻璃管，存在易破碎、不适合在恒温槽长期使用的缺点。

因此，研制低成本、精度适中、稳定可靠、以精密铂电阻或工业铂电阻作为传感器，用于替代标准水银温度计的“高精度数字温度计”（以下简称“数字温度计”），成为温度计量的一个研究热点。

虽然现在市面上已经有多种这类的数字温度计产品，其说明书的测量范围和允许误差指标也能满足替代标准水银温度计的要求，但迄今为止还没有相关的计量技术规范允许其作为温度标准，其根本原因是不能确定这类数字温度计的长期稳定性能否符合要求。 而长期稳定性需要长时间的考核，不是短时间可以得到的，已有的文献几乎没有数字温度计长期稳定性详细数据。 通过对一款数字温度计长期稳定性的研究，给出了长达8年的稳定性测量结果，证明其可以替代标准水银温度计，同时提出了一些具体建议。

2 AI-5608 型数字温度计的长期稳定性实测结果

AI-5608 型“（高精度）标准数字温度计”，如图1所示，是原福建省质量技术监督局的科技项目，其研究方向是为了用数字温度计替代标准水银温度计。 该项目研发的样机主要指标为：双通道测量，可匹配为100 Ω 和25 Ω 的标准铂电阻（SPRT）、或为100 Ω 的工业铂电阻（IPRT）和精密铂电阻。 无论是匹配SPRT 或者IPRT 传感器，都可以采用ITS-90 的分度方法及输入传感器相关参数，同时也具备整机误差的多点校正功能。 校正功能包括实时校正法、证书校正法和自溯源校正法。 表头测量范围为－190 ℃～＋420 ℃，允许误差为±0.02 ℃～0.03 ℃，最高分辨力为0.000 1 ℃／0.1mΩ，并具有多种数学统计测量功能，使其不仅可以满足替代水银温度计的要求，也可以用于恒温槽温场性能测试等其他场合。

图1 AI-5608 高精度数字温度计实物图Fig.1 Picture of AI-5608 high precision digital thermometer

对现有的6 台样机进行稳定性测量。 这些样机均采用工业铂电阻元件作为传感器，封装在ϕ6不锈钢管内，在－60 ℃～300 ℃温度范围，对整机误差进行了多点校正。 其中4 台匹配双支传感器，2台匹配单支传感器。 虽然整机误差可以随时再校正（调整），但为了考核样机的长期稳定性，这些样机从制作完成后，就没有再对其示值误差进行过任何的校正，仅在使用过程中，采用了二等铂电阻温度标准对其进行了“期间核查”，以确认这些样机的误差是否在可接受的范围内。 期间核查结果证明，随着年限的增加，这些样机的示值误差处于缓慢平稳的变化中，没有出现明显的突变现象。

长期稳定性和使用情况有关。 这6 台样机的具体使用情况是：有2 台（编号51、52）长期放置在恒温槽（低温槽、水槽、油槽）中使用，“默默”地作为日常工作器具检测的“参考标准”长达8年之久，使用频率极高；另外4 台（编号13F220474、76、74、902）主要用于现场测温和其他精密测温场合，使用频率较低，其中编号13F220474 的样机还在企业实验室使用了2年。

为了考核这些样机的长期稳定性，对样机整机误差进行了测量，测量结果汇总如表1所示。 表中的为不同样机在同一温度点（横向）的最大误差值。 同时，为了和水银温度计比较，将水银温度计规程规定的相邻两周期检定结果允许的差值A也列在表中。

表1 长期稳定性数据Tab.1 Data of long term stability

续表1

3 数字温度计和水银温度计比较

3.1 长期稳定性比较

参考文献［1］，对数字温度计的长期稳定性定义为：

式中：——稳定性考核结束时的示值误差，℃；——稳定性考核开始时的示值误差，℃。

AI-5608 整机误差经过多点温度校正后，初始示值可以近似做到“零误差”，即≈0℃，因稳定性考核中间过程没有进行过调整，故长期稳定性≈｜｜，即表1中所测得误差值的绝对值｜｜就是该温度计在该温度点的长期稳定性。 从表1同一温度点误差可以看出：历经了4～8年时间、在－60 ℃～300 ℃范围内、这六台样机在各温度点的长期稳定性最大值＝｜｜均小于水银温度计两周期差值允许值A，即有＜A。 由于误差没有随时间发生突变，说明在4～8年期间，这6 台样机的长期稳定性都优于水银温度计的周期稳定性要求。

需要说明的是：这些样机无论是在成品时的校正或者在考核时的误差测量，都是在恒温槽中进行的，所用标准为二等铂电阻温度计标准装置。 显然，恒温槽温场性能（均匀性0.01 ℃、波动性0.01℃／10 min）和标准铂电阻的稳定性等因素都是稳定性测量不确定度的来源。 这些外在因素对数字温度计误差测量结果的影响具有随机性，不可能总是使表1的误差测量结果都往绝对值小的方向影响。因此，这六台样机自身的长期稳定性要比表1所测得的结果好。 在忽略电测设备、环境条件、测量重复性等因素的影响下，长期稳定性测量结果的扩展不确定度评定结果为＝30 mK，＝2。

3.2 其他指标比较

除了长期稳定性指标，AI-5608 数字温度计和水银温度计的其他指标比较如表2所示。

表2 其他指标比较Tab.2 Comparison of other items

表2说明数字温度计除了在价格、环境条件要求、抗干扰和电源等指标没有优势（但都是可以接受的指标）外，在其他方面都比水银温度计有更多的优势，特别是水银温度计示值受到许多因素的影响，包括零位变化、线性误差、露出液柱、估读等，而这些影响甚至可能比其长期稳定性影响更大。

综上所述，通过长期稳定性和其他指标的比较，说明用AI-5608 数字温度计替代水银温度计是完全可行的。 并且经过多年的使用经验，可以对发现问题进行改进，可以做出比AI-5608 性能更好的产品。

4 对替代用数字温度计的一些建议

1）对拟替代用的数字温度计需要有统一、规范的名称定义；

2）替代产品指标的制定，除了要覆盖－60℃～300℃的温度范围外，其允许误差的制定应以满足作为精度较低、量大面广的工作器具量值的标准器为主要目标，至于少数高精度的工作器具就由标准铂电阻温度计溯源（水银温度计本来也溯源不了）。合理制定数字温度计技术指标，可以使水银温度计早日被替代。 结合其他数字温度计长期稳定性的测量结果来看，示值最大允许误差MPE 取±0.04℃～0.06℃是合宜的；

3）参照对上面样机长期稳定性测量结果，其平均年变化约在0.01℃～0.02℃数量级，认为数字温度计年稳定性允许值取0.5 ｜MPE ｜也是合宜的。 如果示值误差或相关参数可调整，则历次调整结果应当记录在温度计中并可被查询，调整前后的数据或参数也应体现在溯源证书上；

4）正常工作环境条件应能覆盖现行接触式温度计检定规程或校准规范规定的环境条件要求，即10℃～35℃和≤85%RH 要求。 故要求数字温度计要有较低的示值温度系数和良好的防潮功能；

5）传感器元件的选择、制作方法包括填料和密封、铂电阻元件及其引线的热胀冷缩空间、老化工艺等方面，对传感器的长期稳定性至关重要，必须重视；

6）在对数字温度计整机误差校正或调整时，通过更新恒温槽介质（避免长久使用粘度变大）、采用导热系数大的均温块、增加读数次数等措施，可以减小数字温度计整机误差校正结果或示值误差测量结果的不确定度。

5 结束语

通过对数字温度计的长期稳定性研究结果并和水银温度计比较，证明用数字温度计替代标准水银温度计是完全可行的。 当前亟待制定或修改相关的文件，包括量传系统表、标准、计量检定规程或校准规范，以促进替代用数字温度计产品生产制造的规范化和标准化、使数字温度计用作温度标准有法可依、可以放心使用。