对玻璃液体温度计刻线遮挡引入不确定度的探讨

2013-05-14张哲生莹胡靖

计量技术 2013年11期

张哲生莹胡靖

(中国计量科学研究院，北京 100013)

0 引言

玻璃液体温度计的历史很长，并广泛应用于工农业、部队等许多实验室。影响玻璃液体温度计检定结果的不确定度的因素很多，如测量标准器、读数视线、温度计露出液柱和刻度线(简称刻线)等因素引入的不确定度。查阅技术资料或期刊文献发现，刻线遮挡引入的不确定度往往被忽略，本文针对温度计刻线遮挡引入的不确定度进行分析。

1 问题的提出

玻璃液体温度计是以感温液面在毛细管中停留的位置通过标尺的刻线来指示温度的，需要通过观测判断示值。因此，它不能像数字显示的温度计那样让观测者准确无误地读出温度值。

图1 棒式玻璃液体温度计示意图

图1为棒式玻璃液体温度计示意图。主要由感温泡、毛细管、标尺、安全泡、感温液体组成，感温液体有水银、酒精、煤油等。当温度升高时，感温泡中的液体随着温度的升高，液柱不断上升，温度稳定后，液柱停止上升并停留在某一高度，通过标尺刻线可读出温度计示值。

玻璃液体温度计的刻度线是指印刻在玻璃棒或刻度板上用以指示温度值的刻线。由于刻线具有一定的宽度，当感温液面处于刻线位置时，会遮挡对感温液面位置的观测。此时即使温场发生了一定变化，仍不能从温度计观测到感温液面的相应变化。这种遮挡效应会给示值检定结果带来一定的误差，其影响幅度取决于刻线宽度和相邻刻线间的距离。

图2为玻璃温度计局部放大图。当感温液柱顶端刚好被某一刻线遮挡时，一般假设感温液柱处于刻线宽度的中心。

图2 玻璃温度计局部放大图

对标尺刻线的宽度，在JJG 130—2011《玻璃液体温度计》检定规程第6条通用技术要求中提到“相邻两刻线间的距离应不小于0.5mm，刻线的宽度应不超过相邻刻线间距的1/10”。但实际检测时由于生产质量良莠不齐，刻线的宽度也不相同，检测员无法用目测检查温度计，使得一些温度计刻线宽度达不到规程要求，造成刻线过宽(粗)。

检定过程中，当温度计液柱恰好升降至温度计某刻线位置时，液柱被刻线遮挡，液柱的具体位置无法清楚地辨别。若温度发生变化，此时液柱顶端仍被刻线遮挡，使得我们也不能准确判断温度的变化。对刻线相对较宽的温度计，这种影响幅度更大。那么刻线遮挡会引入多大的不确定性呢？

2 实验证明

实验选用分度值分别为0.1℃、1℃的不同生产商的全浸棒式水银和有机液体温度计。采用比较法在恒温槽中进行，标准器选用标准铂电阻温度计，用放大不低于18倍的温度计读数装置读取玻璃温度计的示值。对于分度值为0.1℃的温度计，每次将标准温度升高约0.01℃，分别测量标准及被测温度计示值并计算示值误差；对于分度值1℃的温度计，每次将标准温度升高0.1℃，分别测量标准及被测示值并计算示值误差。

以分度值为0.1℃的水银温度计为例，当标准温度设定在50℃附近时，被检温度计水银柱恰好升至刻线下边缘位置，此时读数为0.0格，见图3。调整恒温槽，使标准温度升高0.01℃，水银温度计指示没有变化，此时读数仍为0.0格。当温度升高了0.03℃，可以看到水银柱顶部超出刻线上边缘，此时从读数装置上看出被测温度计变化了0.1格，读数为+0.1格，见图4。也就是说，被检温度计变化了0.01℃，但此前液柱在刻线中的变化我们却一点也看不到，一般都被忽略了。我们对多支不同范围的玻璃液体温度计做了刻线遮挡引入不确定度实验，测量结果见表1。

图3 温度计水银柱处于刻线下边缘

图4 温度计水银柱超出刻线上边缘

从表1看出刻线宽度带来的测量误差，对分度值为0.1℃的水银温度计，约为0.02℃，即分度值的2/10；对分度值为1℃的水银温度计，约为0.3℃，即分度值的3/10；对分度值为1℃的有机液体温度计，约为0.2℃，即分度值的2/10，影响比相同分度值的水银温度计小一些，其原因是一般有机液体温度计的测量范围相对较窄，刻线间距相对较大，刻线宽度的影响相对较小。

对于分度值为0.1℃的水银温度计，在检定50℃时，测量结果的不确定度为0.04℃(k=2)。从这个数字不难看出，刻线遮挡引入的不确定度占有一定的比例。