冷鏈溫度數據采集儀校準方法及不確定度研究

夏萍萍 夏海雷

摘 要：該文提出了采用標準鉑電阻溫度計和精密恒溫設備作標準儀器和設備來對冷鏈溫度計進行校準的方法，并對校準結果進行了不確定度研究、分析。分析結果表明，不確定度小于被測對象最大允許誤差的1/3，驗證了校準方法是合理、可靠的。

關鍵詞：冷鏈 溫度計 校準 不確定度 研究

中圖分類號：TB9 文獻標識碼：A 文章編號：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

藥品、食品安全問題已成為當今社會最為關注的焦點之一，藥品、食品從生產、加工到貯藏、運輸、銷售等過程組成了復雜、龐大的供應鏈系統。為了保證藥品、食品的品質，物流供應鏈的各個環節必須處于規定的低溫狀態，這就是冷鏈的概念。因此藥品、食品的安全直接取決于冷鏈溫度的監測與控制，冷鏈溫度計主要用于冷鏈溫度的監控，其計量性能決定著冷鏈溫度監控的可靠性和準確性。由此，藥品、食品安全與冷鏈溫度計的計量性能密切相關，應定期對冷鏈溫度計（以下簡稱溫度計）予以校準，以保證其計量性能的準確可靠。

1 溫度計基本原理

溫度計主要由溫度傳感器、測量電路、信號處理電路以及數據存儲電路組成，最低測量溫度在-40 ℃及以下，最大測溫誤差一般在±0.2 ℃～±0.5 ℃之間。溫度計的溫度傳感器分為內置和外置兩種形式，通常采用鋰亞硫酰氯電池供電，外殼可密封防水，也可開有散熱通風孔，可單路測量，也可多路測量。溫度計的數據表示方式有本地數字顯示和遠程數字顯示兩種，遠程顯示可分為通過無線傳輸數據的實時顯示和數據儲存后取出顯示兩種方式。

溫度計的基本結構及工作原理框圖見圖1。

冷鏈溫度計的總體框架是以單片機為中心工作，在其周圍擴展相關功能，如圖1所示。虛線框內的是冷鏈溫度計的硬件系統，可分為溫度采集記錄、通訊讀取兩個模塊。這兩個模塊的功能清晰明顯，采集記錄模塊主要由MCU、傳感器、存儲單元組成，負責對象值的測量和反饋，存儲單元負責將被測個數、被測值及系統工作的相關參數進行存儲，通訊讀取模塊主要由USB以及切換電路與MCU組成，負責系統與PC機的所有通訊工作，例如數據讀取、參數設定。從模塊的劃分來看，硬件系統的工作都是圍繞MCU進行。從控制流的方向也可以看出，測量與存儲也由MCU控制，只能接收相應MCU的指令，USB接口和MCU的控制流之所以是雙向的，是由于MCU與PC機進行通訊時，MCU會從USB通訊接口接收指令。

2 溫度計的校準方法

為了減少校準結果的不確定度，校準時采用二等標準鉑電阻溫度計和相對誤差不大于1×10-5的測溫電橋作標準儀器，選擇溫度均勻性不超過0.01 ℃、溫度波動性不超過0.02 ℃/10 min的恒溫槽或溫度均勻度不超過0.05 ℃、溫度波動度不超過±0.02 ℃/10 min的專用恒溫箱作精密恒溫設備。

校準前，按照溫度計技術說明書的要求，設置有關運行參數、檢查供電電池，并調整溫度計時鐘。對于時鐘可調的溫度計，調整其時間值與計時器的時間值一致；對于時鐘不可調的溫度計，應分別同時記錄溫度計和計時器顯示的時間值；對于時鐘可置零的溫度計，應與計時器同時置零、啟動。

為減少校準中外部環境對校準結果的影響，提高校準結果的可靠性，必須注意溫度計敏感元件浸于均勻穩定的溫場之中。

通常情況下，可按照以下方式安裝溫度計。

（1）溫度計的溫度傳感器外置且傳感器線纜或插桿長度足以使溫度敏感元件浸沒于恒溫槽均勻溫區內且受環境溫度影響可忽略時，將溫度傳感器垂直插入恒溫槽中，插入深度不少于200 mm，數據采集部分置于恒溫槽外；

（2）溫度計的溫度傳感器外置且傳感器線纜或插桿長度不足以使溫度敏感元件浸沒于恒溫槽均勻溫區內，或雖能足夠浸沒但因插桿導熱性能優良導致受環境溫度影響不可忽略，或溫度傳感器內置、數據采集部分不密封時，應將其整體置于專用恒溫箱中；

（3）整體密封的溫度計，可將其整體放入金屬網兜并浸沒于距離恒溫槽液體介質液面200 mm以下的均勻溫區內，或將其整體置于專用恒溫箱均勻溫區中。

為了減小自熱以及環境溫度對標準儀器測量結果的影響，校準時標準鉑電阻溫度計的工作電流應不大于1 mA，插入深度應不小于250 mm。當使用恒溫箱作恒定溫度源時，標準溫度計應垂直插入，同時為降低或消除恒溫箱插入孔與外界的熱交換，應采用棉花或其他保溫材料塞緊標準溫度計與插入孔之間的空隙。

校準時，將恒溫設備的溫度恒定在各被校溫度點上，溫度偏離校準點不得超過±0.2 ℃（以標準儀器示值為準）。當恒溫槽溫度恒定20 min或恒溫箱溫度恒定40 min以上時，根據設置的溫度計啟動方式、記錄間隔計算讀數時間，在溫度計記錄數據的時刻，讀取并記錄測量標準和計時器的示值，并按照設置的溫度計記錄間隔連續讀取四次。

完成最后一個校準溫度點的測量后，取出溫度計或溫度傳感器，待其溫度達到環境溫度附近時，按照溫度計操作說明連接PC機并讀取、打印或通過PC機顯示溫度計采集、記錄的溫度測量數據及相應的時間值。對于無線信號傳輸的溫度計，在按建立即實時通訊連接后，可同時讀取測量標準及PC機的實時顯示值。

溫度計的測量誤差按公式（1）計算：

（1）

每次測量時，的大小按公式（2）計算：

（2）

式中：為校準點名義溫度（℃）；

為溫度時的電阻比。

當溫度計最大允許誤差不超過±0.1℃時，應在每次完成校準后測量標準鉑電阻溫度計的值；

、為由標準鉑電阻溫度計分度表給出的溫度對應的電阻比和電阻比變化率。

3 不確定度分析

以分辨力為0.01 ℃、最大測量允許誤差為±0.1 ℃的溫度計為例進行分析，校準時使用恒溫槽作恒溫設備。

3.1 數學模型

溫度計測量誤差的數學模型為：

式中：為在每一校準點上，被校溫度計的測量誤差（℃）；

為在每一校準點上，被校溫度計顯示值的平均值（℃）；

為在每一校準點上，標準溫度計測得值的平均值（℃）；

3.2 標準不確定度來源

標準不確定度來源包括：

（1）溫度計測量重復性導致的標準不確定度u1。

（2）溫度計分辨力導致的標準不確定度u2。

（3）二等標準鉑電阻溫度計量值溯源導致的標準不確定度u3。

（4）測溫電橋測量誤差導致的標準不確定度u4。

（5）二等標準鉑電阻溫度計水三相點電阻值變化導致的標準不確定度u5。

（6）二等標準鉑電阻溫度計自熱導致的標準不確定度u6。

（7）恒溫槽溫度場不均勻導致的標準不確定度u7。

3.3 標準不確定度分析

經過分析、計算，各標準不確定度分量的大小見表1。

3.4 合成標準不確定度及擴展不確定度的計算

上述各標準不確定度彼此之間相互獨立，且靈敏的絕對值均為1，則合成標準不確定度為： ℃。

取包含因子k=2，則擴展不確定度 ≈0.01 ℃。

4 結語

測量不確定度不大于被測儀器最大允許誤差的1/3時，一般公認為測量不確定度是比較小的，測量方法是合理、可靠的。由上述分析可以看出，采用上述方法對冷鏈溫度計進行校準的不確定度為0.01 ℃，為溫度計最大允許誤差的1/10，因此該文研究的冷鏈溫度計的校準方法是科學、合理的。

參考文獻

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