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        對(duì)玻璃液體溫度計(jì)刻線遮擋引入不確定度的探討

        2013-05-14 07:26:48
        計(jì)量技術(shù) 2013年11期
        關(guān)鍵詞:刻線液柱感溫

        張 哲 生 瑩 胡 靖

        (中國計(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,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,如測量標(biāo)準(zhǔn)器、讀數(shù)視線、溫度計(jì)露出液柱和刻度線(簡稱刻線)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。此時(shí)即使溫場發(fā)生了一定變化,仍不能從溫度計(jì)觀測到感溫液面的相應(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,檢測員無法用目測檢查溫度計(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℃,分別測量標(biāo)準(zhǔn)及被測溫度計(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℃,分別測量標(biāo)準(zhǔn)及被測示值并計(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.中國計(jì)量出版社,2010

        [3] 王鳳誠,沈正宇,等.玻璃液體溫度計(jì).中國計(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.溫度測量不確定度評(píng)定.中國計(jì)量出版社,2006

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