曾穎

摘 要：測溫貼是一種直接貼在被測物體表面進(jìn)行溫度測量的無源標(biāo)簽卡，主要應(yīng)用于食品及藥物運(yùn)輸、設(shè)備運(yùn)行過程監(jiān)控。根據(jù)測溫貼的分類及特點(diǎn)選擇穩(wěn)定的熱源和高精度標(biāo)準(zhǔn)器，設(shè)計(jì)了測溫貼溫度示值誤差的校準(zhǔn)方法。此方法不僅能夠滿足變色測溫貼的溫度校準(zhǔn)需求，還保障了測溫貼溫度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：測溫貼;校準(zhǔn);表面溫度

中圖分類號：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： Temperature labels are used for the measurement of the surface temperature of which it attached to.They are mainly used in the transportation monitoring of food and medical，or equipment operation process monitoring.According to the characteristics of temperature labels，heat source and the standards are selected based on the research of temperature labels.The calibration method of temperature deviation of temperature labels is designed，which can not only meet the needs of temperature calibration requirements of color-changing temperature labels，but also ensure the accuracy and reliability of the measurement results of temperature labels.

Keywords： temperature labels;calibration;surface temperature

測溫貼是一種表面溫度測量的標(biāo)簽卡，直接貼在被測物體表面，無需通電或接線，通過貼紙的顏色變化即可指示被測物體的表面溫度[1]。測溫貼測溫機(jī)理不盡相同，但都是基于熱敏物質(zhì)受熱后發(fā)生化學(xué)或物理變化的原理，如晶型轉(zhuǎn)化、升華、失水、氧化和分解引起光散射的頻帶轉(zhuǎn)移，在分子結(jié)構(gòu)的改變后導(dǎo)致反射光的顏色發(fā)生變化。

測溫貼具有體積小、顯示明顯變色醒目且直觀、價廉的特點(diǎn)，常用于速凍食品、血液、疫苗、藥品等熱失效貨物運(yùn)輸以及設(shè)備運(yùn)行過程的監(jiān)控和簡單測溫指示。例如，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院將測溫貼應(yīng)用于測量急性中毒患兒洗胃液的溫度[2]，新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦將測溫貼應(yīng)用在電氣設(shè)備上監(jiān)控溫度變化[3]。隨著測溫貼在不同行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)量也在不斷增長。

測溫貼只要不超過額定溫度，壽命可達(dá)3年。其使用非常便捷，只需將測溫貼直接敷在被測物體表面即可。由于測溫貼成本低，在測量精度要求不太高的工業(yè)過程及對不重要配件的監(jiān)控過程中，測溫貼比其他測溫工具更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在測溫貼的使用過程中應(yīng)避免刮、劃及彎折現(xiàn)象，還應(yīng)避免存儲在高溫環(huán)境下。如果需要將測溫貼粘貼在有油和水的部位，應(yīng)當(dāng)在貼片表面覆蓋透明膠帶，以起到保護(hù)測溫貼的作用。

1 測溫貼的分類

測溫貼按顯示內(nèi)容分為單溫度變色和數(shù)值顯示系列測溫貼;按變色方式分為不可逆和可逆測溫貼。筆者針對溫度測量變色方式不同的測溫貼進(jìn)行研究。

1.1 不可逆測溫貼

不可逆測溫貼具有溫度環(huán)境過程記錄功能，可記錄在使用過程中被測物體的溫度是否超出測溫貼的額定溫度，一旦超溫顯示窗口立即顯示超溫?cái)?shù)字或變色，或記錄被測物體所經(jīng)歷溫度環(huán)境的最高峰值。超溫后，當(dāng)測溫貼溫度降至額定溫度以下，測溫貼顯示的顏色不會復(fù)原，只停留在超溫顏色，以此告知使用者被測物曾經(jīng)超溫過。

不可逆測溫貼中有個特殊應(yīng)用的時間測溫貼，可顯示超溫時間。當(dāng)時間測溫貼暴露在其額定溫度以上環(huán)境中時，時間貼片內(nèi)的化學(xué)劑開始融化變色，并且沿著內(nèi)管往下流向貼片上對應(yīng)的時間窗口。當(dāng)時間貼片溫度低于額定溫度時化學(xué)劑停止流動，因此根據(jù)時間窗口進(jìn)度來顯示時間測溫貼所在環(huán)境超過額定溫度的時間。

1.2 可逆測溫貼

可逆測溫貼具有重復(fù)使用的功能，可以顯示被測物體是否超過額定溫度，也可以顯示當(dāng)前環(huán)境溫度。單點(diǎn)超溫顯示測溫貼在被測物體溫度超過額定溫度時變色，如圖1（a）所示。當(dāng)環(huán)境溫度下降低于額定溫度時，測溫貼顏色則會變回初始顏色。多溫度顯示測溫貼可在規(guī)定的一個較小溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生顏色變化，通過色柱長度來實(shí)時顯示當(dāng)前環(huán)境溫度，如圖1（b）所示。當(dāng)測溫貼的溫度上升或下降時，測溫貼的色柱長度也會相應(yīng)發(fā)生變化?？赡鏈y溫貼重復(fù)變色的現(xiàn)象雖然理論上可無限使用，但若長時間超溫或超溫過多，可逆測溫貼的可逆功能也將失效[4]。

根據(jù)某些特殊場合需要，市面上還存在基于可逆測溫貼進(jìn)行改良生產(chǎn)的“半可逆”測溫貼。半可逆測溫貼在超溫過后，當(dāng)溫度降至額定溫度以下時，測溫貼的顏色呈現(xiàn)為初始狀態(tài)顏色與超溫狀態(tài)顏色之間的過渡色，由此作為曾經(jīng)超溫的依據(jù)，如圖2所示。

2 測溫貼計(jì)量特性

2.1 響應(yīng)時間

基于測溫貼的工作機(jī)理，物質(zhì)在進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)時需要吸放熱，但由于測溫貼體積小、熱容小，可逆測溫貼在升溫過程響應(yīng)時間較快，可以達(dá)到1～5 s，但在降溫過程中響應(yīng)時間較長，接近10 s。

2.2 準(zhǔn)確性和測溫范圍

國產(chǎn)測溫貼溫度測量精度為-1～2℃，測溫范圍為37～120 ℃;進(jìn)口產(chǎn)品測量精度為-0.6～1.0℃，測溫范圍為-20～290 ℃。

3 現(xiàn)有檢測方法介紹

目前，國內(nèi)測溫貼有以下檢測方法。

①將測溫貼粘貼在平板加熱器上，將平板加熱器升溫，測溫貼變色瞬間，立即用紅外測溫儀測量平板溫度。此方法存在的問題：平板加熱器作為熱源波動性大，存在不穩(wěn)定的情況;使用紅外測溫儀測量平板加熱器光亮的金屬表面，其測量結(jié)果誤差大。

②將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和恒溫槽配套使用，并設(shè)計(jì)由紫銅杯體、電木杯體上沿和耐熱玻璃杯蓋組成帖敷裝置。將測溫貼片貼在內(nèi)壁表面，并將裝置和標(biāo)準(zhǔn)水銀放入槽中，先將槽溫設(shè)置為比測溫貼額定溫度低3 ℃，待槽溫穩(wěn)定后觀察測溫貼是否變色;測試完后每升1 ℃進(jìn)行測溫，直至溫度貼片完全變色，在變色后取出測溫貼室溫放置，觀察其是否變色可逆[5]。此方法存在問題：溫度槽在升溫到溫度穩(wěn)定的過程中常出現(xiàn)溫度過沖現(xiàn)象，若在槽溫未穩(wěn)定前放入不可逆測溫貼，則會引起較大測量誤差;標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)實(shí)測溫度為恒溫槽介質(zhì)的溫度，而測溫貼實(shí)測溫度為紫銅內(nèi)壁溫度，兩者存在一定的溫度差且在槽溫波動時具有熱延時現(xiàn)象，因此將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的示值與測溫貼示值直接比對會造成較大的測量誤差。

③將測溫貼貼在薄壁金屬桶外面，桶內(nèi)插人一根溫度計(jì)，不斷給桶內(nèi)液體加熱。隨著液體溫度升高，溫度計(jì)值上升到額定變色溫度，即可觀察到對應(yīng)溫度的測溫貼片變色情況。這種方法忽略了金屬桶內(nèi)外表面的溫度差，溫度計(jì)測得的數(shù)值與金屬桶外表面的實(shí)際溫度值存在一定的差值，同時測溫貼響應(yīng)時間受其升降溫速率影響，桶內(nèi)液體的均勻性及溫度計(jì)的位置也會帶來影響，因此此測量方法測得的溫度數(shù)值誤差較大。

4 校準(zhǔn)方案

根據(jù)市場上測溫貼的類型和特性進(jìn)行分析，利用溫度實(shí)驗(yàn)室的恒溫設(shè)備，研究針對不同類型測溫貼溫度偏差的校準(zhǔn)方法。這種方法準(zhǔn)確度高，復(fù)現(xiàn)性強(qiáng)，操作快速簡便，滿足測溫貼溫度偏差的檢測需求。

4.1 校準(zhǔn)裝置

校準(zhǔn)裝置由表面測溫標(biāo)準(zhǔn)器和恒溫設(shè)備組成。表面測溫標(biāo)準(zhǔn)器選用最大允許誤差不超過±0.5 ℃、響應(yīng)時間不超過3 s的自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)。恒溫設(shè)備選擇均勻性不大于0.02 ℃及10 min內(nèi)槽溫變化不大于0.04 ℃的標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽。使用30 cm深度的帽型紫銅杯體作為平面配件配合標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽進(jìn)行使用。校準(zhǔn)裝置如圖3所示。

4.2 校準(zhǔn)方法

通過比對測量原理，將標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的示值與被檢測溫貼的示值進(jìn)行對比，計(jì)算溫度示值誤差。測溫貼變色方式不同，其校準(zhǔn)方法也不同。

4.2.1 可逆測溫貼校準(zhǔn)。對于有額定溫度T0的可逆顯示測溫貼，將被檢測溫貼與自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)放置在紫銅杯體底部。先將槽溫設(shè)置為低于可逆測溫貼額定溫度2.5 ℃，觀察自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度值，待槽溫穩(wěn)定10 min后開始監(jiān)測可逆測溫貼是否變色，若可逆測溫貼未變色將槽溫再升0.2 ℃進(jìn)行測試。待槽溫穩(wěn)定10 min后，觀察可逆測溫貼的變色情況，如此重復(fù)升溫-穩(wěn)定-觀察，直至溫度貼片變色。在可逆測溫貼變色瞬間立即讀取標(biāo)準(zhǔn)器自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度示值T1，然后將恒溫槽設(shè)定值降低0.1 ℃，待槽溫穩(wěn)定10 min后，觀察可逆測溫貼是否變色。如果未變色將槽溫再降0.1 ℃進(jìn)行測試，如此重復(fù)升溫-穩(wěn)定-觀察，直至可逆測溫貼變色，并在可逆測溫貼變色瞬間立即讀取標(biāo)準(zhǔn)器自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度示值T2。

對于數(shù)值顯示的柱狀可逆測溫貼，在其溫度測量的量程中選擇3～5個校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，其中包括上、下限和中間有刻度的點(diǎn)。校準(zhǔn)順序?yàn)橄葟臏y溫貼下限溫度開始校準(zhǔn)，然后升溫至測溫貼測溫上限，再從測溫貼上限降低至下限。將被校可逆測溫貼與自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)放置在紫銅杯體底部，先將槽溫設(shè)置到可逆測溫貼校準(zhǔn)溫度點(diǎn)，觀察自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度值，此時恒溫槽的實(shí)際溫度不可偏離校準(zhǔn)溫度點(diǎn)±0.2 ℃，待槽溫穩(wěn)定10 min后，先讀取標(biāo)準(zhǔn)器自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度示值，再讀取可逆測溫貼柱條顯示的溫度值。

4.2.2 不可逆測溫貼校準(zhǔn)。對于不可逆顯示的測溫貼，先將自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)放置在紫銅杯體底部，將恒溫槽溫度設(shè)置為低于測溫貼額定溫度2.5 ℃，觀察自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度值。待槽溫穩(wěn)定10 min后，放入被校不可逆測溫貼。觀察10 s內(nèi)不可逆測溫貼是否變色，若未變色將不可逆測溫貼取出，將槽溫再升0.2 ℃進(jìn)行測試，同樣觀察自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度值，待槽溫穩(wěn)定后再將測溫貼放入紫銅杯底部。如此重復(fù)升溫-穩(wěn)定-放測溫貼-觀察-取出的過程，直至不可逆測溫貼變色，并在變色瞬間立即讀取標(biāo)準(zhǔn)器自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)的溫度示值，此溫度即為不可逆測溫貼的實(shí)際變色溫度。

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 可逆測溫貼

5.1.1 有額定溫度的變色可逆測溫貼。有額定溫度的變色可逆測溫貼示值誤差的計(jì)算方法為：

有額定溫度的變色可逆測溫貼上下行程切換差的計(jì)算方法為：

式中：T0為測溫貼標(biāo)稱額定變色溫度，℃;T1為測溫貼上行程實(shí)際變色溫度，℃;T2為測溫貼下行程實(shí)際變色溫度，℃;ΔT為測溫貼示值誤差，℃;Δδ為測溫貼上下行程切換差，℃。

5.1.2 數(shù)值顯示的可逆測溫貼。數(shù)值顯示的可逆測溫貼各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的示值誤差計(jì)算方法為：

數(shù)值顯示的可逆測溫貼各校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的切換誤差計(jì)算方法為：

式中：ΔT為測溫貼示值誤差，℃;T1’為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上行程可逆測溫貼柱條顯示的溫度示值，℃;Ts1為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)上行程自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)溫度示值，℃;T2’為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)下行程可逆測溫貼柱條顯示的溫度示值，℃;Ts2為校準(zhǔn)溫度點(diǎn)下行程自重式標(biāo)準(zhǔn)表面溫度計(jì)溫度示值，℃;Δδ為測溫貼上下行程切換差，℃。

5.2 不可逆測溫貼

不可逆測溫貼的示值誤差計(jì)算方法為：

式中：ΔT為測溫貼示值誤差，℃;T0為測溫貼標(biāo)稱變色溫度，℃;TN為測溫貼實(shí)際變色溫度，℃。

6 結(jié)語

通過對測溫貼的研究，根據(jù)測溫貼可逆與不可逆的特點(diǎn)選擇熱源和標(biāo)準(zhǔn)器，設(shè)計(jì)了不同的校準(zhǔn)方法。測溫貼溫度偏差的有效校準(zhǔn)不僅能夠滿足測溫貼變色溫度的測量精度需求，而且保證了測溫貼溫度校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。本校準(zhǔn)方法可行性較強(qiáng)，便于推廣使用。隨著測溫貼的廣泛應(yīng)用，在其產(chǎn)量不斷增長的同時，配合準(zhǔn)確有效的測溫貼校準(zhǔn)方法，將很大程度促進(jìn)測溫貼的應(yīng)用效果及產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

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