對(duì)玻璃液體溫度計(jì)刻線遮擋引入不確定度的探討

張 哲 生 瑩 胡 靖

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

玻璃液體溫度計(jì)的歷史很長(zhǎng)，并廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、部隊(duì)等許多實(shí)驗(yàn)室。影響玻璃液體溫度計(jì)檢定結(jié)果的不確定度的因素很多，如測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器、讀數(shù)視線、溫度計(jì)露出液柱和刻度線(簡(jiǎn)稱刻線)等因素引入的不確定度。查閱技術(shù)資料或期刊文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，刻線遮擋引入的不確定度往往被忽略，本文針對(duì)溫度計(jì)刻線遮擋引入的不確定度進(jìn)行分析。

1 問題的提出

玻璃液體溫度計(jì)是以感溫液面在毛細(xì)管中停留的位置通過標(biāo)尺的刻線來指示溫度的，需要通過觀測(cè)判斷示值。因此，它不能像數(shù)字顯示的溫度計(jì)那樣讓觀測(cè)者準(zhǔn)確無誤地讀出溫度值。

圖1 棒式玻璃液體溫度計(jì)示意圖

圖1為棒式玻璃液體溫度計(jì)示意圖。主要由感溫泡、毛細(xì)管、標(biāo)尺、安全泡、感溫液體組成，感溫液體有水銀、酒精、煤油等。當(dāng)溫度升高時(shí)，感溫泡中的液體隨著溫度的升高，液柱不斷上升，溫度穩(wěn)定后，液柱停止上升并停留在某一高度，通過標(biāo)尺刻線可讀出溫度計(jì)示值。

玻璃液體溫度計(jì)的刻度線是指印刻在玻璃棒或刻度板上用以指示溫度值的刻線。由于刻線具有一定的寬度，當(dāng)感溫液面處于刻線位置時(shí)，會(huì)遮擋對(duì)感溫液面位置的觀測(cè)。此時(shí)即使溫場(chǎng)發(fā)生了一定變化，仍不能從溫度計(jì)觀測(cè)到感溫液面的相應(yīng)變化。這種遮擋效應(yīng)會(huì)給示值檢定結(jié)果帶來一定的誤差，其影響幅度取決于刻線寬度和相鄰刻線間的距離。

圖2為玻璃溫度計(jì)局部放大圖。當(dāng)感溫液柱頂端剛好被某一刻線遮擋時(shí)，一般假設(shè)感溫液柱處于刻線寬度的中心。

圖2 玻璃溫度計(jì)局部放大圖

對(duì)標(biāo)尺刻線的寬度，在JJG 130—2011《玻璃液體溫度計(jì)》檢定規(guī)程第6條通用技術(shù)要求中提到“相鄰兩刻線間的距離應(yīng)不小于0.5mm，刻線的寬度應(yīng)不超過相鄰刻線間距的1/10”。但實(shí)際檢測(cè)時(shí)由于生產(chǎn)質(zhì)量良莠不齊，刻線的寬度也不相同，檢測(cè)員無法用目測(cè)檢查溫度計(jì)，使得一些溫度計(jì)刻線寬度達(dá)不到規(guī)程要求，造成刻線過寬(粗)。

檢定過程中，當(dāng)溫度計(jì)液柱恰好升降至溫度計(jì)某刻線位置時(shí)，液柱被刻線遮擋，液柱的具體位置無法清楚地辨別。若溫度發(fā)生變化，此時(shí)液柱頂端仍被刻線遮擋，使得我們也不能準(zhǔn)確判斷溫度的變化。對(duì)刻線相對(duì)較寬的溫度計(jì)，這種影響幅度更大。那么刻線遮擋會(huì)引入多大的不確定性呢？

2 實(shí)驗(yàn)證明

實(shí)驗(yàn)選用分度值分別為0.1℃、1℃的不同生產(chǎn)商的全浸棒式水銀和有機(jī)液體溫度計(jì)。采用比較法在恒溫槽中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)器選用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，用放大不低于18倍的溫度計(jì)讀數(shù)裝置讀取玻璃溫度計(jì)的示值。對(duì)于分度值為0.1℃的溫度計(jì)，每次將標(biāo)準(zhǔn)溫度升高約0.01℃，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及被測(cè)溫度計(jì)示值并計(jì)算示值誤差；對(duì)于分度值1℃的溫度計(jì)，每次將標(biāo)準(zhǔn)溫度升高0.1℃，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及被測(cè)示值并計(jì)算示值誤差。

以分度值為0.1℃的水銀溫度計(jì)為例，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度設(shè)定在50℃附近時(shí)，被檢溫度計(jì)水銀柱恰好升至刻線下邊緣位置，此時(shí)讀數(shù)為0.0格，見圖3。調(diào)整恒溫槽，使標(biāo)準(zhǔn)溫度升高0.01℃，水銀溫度計(jì)指示沒有變化，此時(shí)讀數(shù)仍為0.0格。當(dāng)溫度升高了0.03℃，可以看到水銀柱頂部超出刻線上邊緣，此時(shí)從讀數(shù)裝置上看出被測(cè)溫度計(jì)變化了0.1格，讀數(shù)為+0.1格，見圖4。也就是說，被檢溫度計(jì)變化了0.01℃，但此前液柱在刻線中的變化我們卻一點(diǎn)也看不到，一般都被忽略了。我們對(duì)多支不同范圍的玻璃液體溫度計(jì)做了刻線遮擋引入不確定度實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果見表1。

圖3 溫度計(jì)水銀柱處于刻線下邊緣

圖4 溫度計(jì)水銀柱超出刻線上邊緣

從表1看出刻線寬度帶來的測(cè)量誤差，對(duì)分度值為0.1℃的水銀溫度計(jì)，約為0.02℃，即分度值的2/10；對(duì)分度值為1℃的水銀溫度計(jì)，約為0.3℃，即分度值的3/10；對(duì)分度值為1℃的有機(jī)液體溫度計(jì)，約為0.2℃，即分度值的2/10，影響比相同分度值的水銀溫度計(jì)小一些，其原因是一般有機(jī)液體溫度計(jì)的測(cè)量范圍相對(duì)較窄，刻線間距相對(duì)較大，刻線寬度的影響相對(duì)較小。

對(duì)于分度值為0.1℃的水銀溫度計(jì)，在檢定50℃時(shí)，測(cè)量結(jié)果的不確定度為0.04℃(k=2)。從這個(gè)數(shù)字不難看出， 刻線遮擋引入的不確定度占有一定的比例。

表1 不同類型玻璃液體溫度計(jì)刻線遮擋的影響幅度測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)束語

在實(shí)際檢定中，為減小檢定結(jié)果不確定度，應(yīng)盡量選擇在感溫液柱處于兩刻線之間讀數(shù)。即遮擋時(shí)，微調(diào)恒溫槽溫度，使水銀柱頂部介于兩刻線之間的位置，避免遮擋，可適當(dāng)減小測(cè)量結(jié)果的不確定度。

[1] 張克,張哲,等.JJG 130—2011工作用玻璃液體溫度計(jì)檢定規(guī)程.中國(guó)計(jì)量出版社,2011

[2] 張哲,張克,等.JJG 161—2010標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)檢定規(guī)程.中國(guó)計(jì)量出版社,2010

[3] 王鳳誠(chéng),沈正宇,等.玻璃液體溫度計(jì).中國(guó)計(jì)量出版社,2007

[4] 張哲.標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)不確定度評(píng)定.計(jì)量技術(shù),2011(11)

[5] 沈正宇,等.溫度測(cè)量不確定度評(píng)定.中國(guó)計(jì)量出版社,2006