王在旗陳炯宇紀(jì)金龍劉君健

（廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院，廈門 361004）

1 引 言

水銀危害環(huán)境和健康。 中國(guó)于2013年10月參加并簽署了《關(guān)于汞的水俁公約》，在2020年10月16日，國(guó)家藥監(jiān)局規(guī)定從2026年1月1日起，全面禁止生產(chǎn)含汞體溫計(jì)等產(chǎn)品。 涉及到溫度標(biāo)準(zhǔn)，則是面臨著標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)（以下簡(jiǎn)稱“水銀溫度計(jì)”）的替代問(wèn)題。 作為替代方案之一，可以采用更高等級(jí)的二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為傳感器、匹配高精度電測(cè)儀表組成的“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字溫度計(jì)”進(jìn)行替代。但這種替代方案整機(jī)成本很高，且標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻大多數(shù)采用石英玻璃管，存在易破碎、不適合在恒溫槽長(zhǎng)期使用的缺點(diǎn)。

因此，研制低成本、精度適中、穩(wěn)定可靠、以精密鉑電阻或工業(yè)鉑電阻作為傳感器，用于替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的“高精度數(shù)字溫度計(jì)”（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)字溫度計(jì)”），成為溫度計(jì)量的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

雖然現(xiàn)在市面上已經(jīng)有多種這類的數(shù)字溫度計(jì)產(chǎn)品，其說(shuō)明書的測(cè)量范圍和允許誤差指標(biāo)也能滿足替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的要求，但迄今為止還沒(méi)有相關(guān)的計(jì)量技術(shù)規(guī)范允許其作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，其根本原因是不能確定這類數(shù)字溫度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性能否符合要求。 而長(zhǎng)期穩(wěn)定性需要長(zhǎng)時(shí)間的考核，不是短時(shí)間可以得到的，已有的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有數(shù)字溫度計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性詳細(xì)數(shù)據(jù)。 通過(guò)對(duì)一款數(shù)字溫度計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究，給出了長(zhǎng)達(dá)8年的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果，證明其可以替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)，同時(shí)提出了一些具體建議。

2 AI-5608 型數(shù)字溫度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)測(cè)結(jié)果

AI-5608 型“（高精度）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字溫度計(jì)”，如圖1所示，是原福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局的科技項(xiàng)目，其研究方向是為了用數(shù)字溫度計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)。 該項(xiàng)目研發(fā)的樣機(jī)主要指標(biāo)為：雙通道測(cè)量，可匹配為100 Ω 和25 Ω 的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻（SPRT）、或?yàn)?00 Ω 的工業(yè)鉑電阻（IPRT）和精密鉑電阻。 無(wú)論是匹配SPRT 或者IPRT 傳感器，都可以采用ITS-90 的分度方法及輸入傳感器相關(guān)參數(shù)，同時(shí)也具備整機(jī)誤差的多點(diǎn)校正功能。 校正功能包括實(shí)時(shí)校正法、證書校正法和自溯源校正法。 表頭測(cè)量范圍為－190 ℃～＋420 ℃，允許誤差為±0.02 ℃～0.03 ℃，最高分辨力為0.000 1 ℃／0.1mΩ，并具有多種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)測(cè)量功能，使其不僅可以滿足替代水銀溫度計(jì)的要求，也可以用于恒溫槽溫場(chǎng)性能測(cè)試等其他場(chǎng)合。

圖1 AI-5608 高精度數(shù)字溫度計(jì)實(shí)物圖Fig.1 Picture of AI-5608 high precision digital thermometer

對(duì)現(xiàn)有的6 臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量。 這些樣機(jī)均采用工業(yè)鉑電阻元件作為傳感器，封裝在?6不銹鋼管內(nèi)，在－60 ℃～300 ℃溫度范圍，對(duì)整機(jī)誤差進(jìn)行了多點(diǎn)校正。 其中4 臺(tái)匹配雙支傳感器，2臺(tái)匹配單支傳感器。 雖然整機(jī)誤差可以隨時(shí)再校正（調(diào)整），但為了考核樣機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這些樣機(jī)從制作完成后，就沒(méi)有再對(duì)其示值誤差進(jìn)行過(guò)任何的校正，僅在使用過(guò)程中，采用了二等鉑電阻溫度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了“期間核查”，以確認(rèn)這些樣機(jī)的誤差是否在可接受的范圍內(nèi)。 期間核查結(jié)果證明，隨著年限的增加，這些樣機(jī)的示值誤差處于緩慢平穩(wěn)的變化中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用情況有關(guān)。 這6 臺(tái)樣機(jī)的具體使用情況是：有2 臺(tái)（編號(hào)51、52）長(zhǎng)期放置在恒溫槽（低溫槽、水槽、油槽）中使用，“默默”地作為日常工作器具檢測(cè)的“參考標(biāo)準(zhǔn)”長(zhǎng)達(dá)8年之久，使用頻率極高；另外4 臺(tái)（編號(hào)13F220474、76、74、902）主要用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫和其他精密測(cè)溫場(chǎng)合，使用頻率較低，其中編號(hào)13F220474 的樣機(jī)還在企業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用了2年。

為了考核這些樣機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)樣機(jī)整機(jī)誤差進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果匯總?cè)绫?所示。 表中的為不同樣機(jī)在同一溫度點(diǎn)（橫向）的最大誤差值。 同時(shí)，為了和水銀溫度計(jì)比較，將水銀溫度計(jì)規(guī)程規(guī)定的相鄰兩周期檢定結(jié)果允許的差值A也列在表中。

表1 長(zhǎng)期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)Tab.1 Data of long term stability

續(xù)表1

3 數(shù)字溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)比較

3.1 長(zhǎng)期穩(wěn)定性比較

參考文獻(xiàn)［1］，對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性定義為：

式中：——穩(wěn)定性考核結(jié)束時(shí)的示值誤差，℃；——穩(wěn)定性考核開(kāi)始時(shí)的示值誤差，℃。

AI-5608 整機(jī)誤差經(jīng)過(guò)多點(diǎn)溫度校正后，初始示值可以近似做到“零誤差”，即≈0℃，因穩(wěn)定性考核中間過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行過(guò)調(diào)整，故長(zhǎng)期穩(wěn)定性≈｜｜，即表1中所測(cè)得誤差值的絕對(duì)值｜｜就是該溫度計(jì)在該溫度點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 從表1同一溫度點(diǎn)誤差可以看出：歷經(jīng)了4～8年時(shí)間、在－60 ℃～300 ℃范圍內(nèi)、這六臺(tái)樣機(jī)在各溫度點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性最大值＝｜｜均小于水銀溫度計(jì)兩周期差值允許值A，即有＜A。 由于誤差沒(méi)有隨時(shí)間發(fā)生突變，說(shuō)明在4～8年期間，這6 臺(tái)樣機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性都優(yōu)于水銀溫度計(jì)的周期穩(wěn)定性要求。

需要說(shuō)明的是：這些樣機(jī)無(wú)論是在成品時(shí)的校正或者在考核時(shí)的誤差測(cè)量，都是在恒溫槽中進(jìn)行的，所用標(biāo)準(zhǔn)為二等鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置。 顯然，恒溫槽溫場(chǎng)性能（均勻性0.01 ℃、波動(dòng)性0.01℃／10 min）和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的穩(wěn)定性等因素都是穩(wěn)定性測(cè)量不確定度的來(lái)源。 這些外在因素對(duì)數(shù)字溫度計(jì)誤差測(cè)量結(jié)果的影響具有隨機(jī)性，不可能總是使表1的誤差測(cè)量結(jié)果都往絕對(duì)值小的方向影響。因此，這六臺(tái)樣機(jī)自身的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要比表1所測(cè)得的結(jié)果好。 在忽略電測(cè)設(shè)備、環(huán)境條件、測(cè)量重復(fù)性等因素的影響下，長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度評(píng)定結(jié)果為＝30 mK，＝2。

3.2 其他指標(biāo)比較

除了長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)，AI-5608 數(shù)字溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)的其他指標(biāo)比較如表2所示。

表2 其他指標(biāo)比較Tab.2 Comparison of other items

表2說(shuō)明數(shù)字溫度計(jì)除了在價(jià)格、環(huán)境條件要求、抗干擾和電源等指標(biāo)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)（但都是可以接受的指標(biāo)）外，在其他方面都比水銀溫度計(jì)有更多的優(yōu)勢(shì)，特別是水銀溫度計(jì)示值受到許多因素的影響，包括零位變化、線性誤差、露出液柱、估讀等，而這些影響甚至可能比其長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響更大。

綜上所述，通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和其他指標(biāo)的比較，說(shuō)明用AI-5608 數(shù)字溫度計(jì)替代水銀溫度計(jì)是完全可行的。 并且經(jīng)過(guò)多年的使用經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，可以做出比AI-5608 性能更好的產(chǎn)品。

4 對(duì)替代用數(shù)字溫度計(jì)的一些建議

1）對(duì)擬替代用的數(shù)字溫度計(jì)需要有統(tǒng)一、規(guī)范的名稱定義；

2）替代產(chǎn)品指標(biāo)的制定，除了要覆蓋－60℃～300℃的溫度范圍外，其允許誤差的制定應(yīng)以滿足作為精度較低、量大面廣的工作器具量值的標(biāo)準(zhǔn)器為主要目標(biāo)，至于少數(shù)高精度的工作器具就由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)溯源（水銀溫度計(jì)本來(lái)也溯源不了）。合理制定數(shù)字溫度計(jì)技術(shù)指標(biāo)，可以使水銀溫度計(jì)早日被替代。 結(jié)合其他數(shù)字溫度計(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，示值最大允許誤差MPE 取±0.04℃～0.06℃是合宜的；

3）參照對(duì)上面樣機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果，其平均年變化約在0.01℃～0.02℃數(shù)量級(jí)，認(rèn)為數(shù)字溫度計(jì)年穩(wěn)定性允許值取0.5 ｜MPE ｜也是合宜的。 如果示值誤差或相關(guān)參數(shù)可調(diào)整，則歷次調(diào)整結(jié)果應(yīng)當(dāng)記錄在溫度計(jì)中并可被查詢，調(diào)整前后的數(shù)據(jù)或參數(shù)也應(yīng)體現(xiàn)在溯源證書上；

4）正常工作環(huán)境條件應(yīng)能覆蓋現(xiàn)行接觸式溫度計(jì)檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的環(huán)境條件要求，即10℃～35℃和≤85%RH 要求。 故要求數(shù)字溫度計(jì)要有較低的示值溫度系數(shù)和良好的防潮功能；

5）傳感器元件的選擇、制作方法包括填料和密封、鉑電阻元件及其引線的熱脹冷縮空間、老化工藝等方面，對(duì)傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要，必須重視；

6）在對(duì)數(shù)字溫度計(jì)整機(jī)誤差校正或調(diào)整時(shí)，通過(guò)更新恒溫槽介質(zhì)（避免長(zhǎng)久使用粘度變大）、采用導(dǎo)熱系數(shù)大的均溫塊、增加讀數(shù)次數(shù)等措施，可以減小數(shù)字溫度計(jì)整機(jī)誤差校正結(jié)果或示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)字溫度計(jì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究結(jié)果并和水銀溫度計(jì)比較，證明用數(shù)字溫度計(jì)替代標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)是完全可行的。 當(dāng)前亟待制定或修改相關(guān)的文件，包括量傳系統(tǒng)表、標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，以促進(jìn)替代用數(shù)字溫度計(jì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化、使數(shù)字溫度計(jì)用作溫度標(biāo)準(zhǔn)有法可依、可以放心使用。