測溫貼的校準研究

曾穎

摘 要：測溫貼是一種直接貼在被測物體表面進行溫度測量的無源標簽卡，主要應用于食品及藥物運輸、設備運行過程監控。根據測溫貼的分類及特點選擇穩定的熱源和高精度標準器，設計了測溫貼溫度示值誤差的校準方法。此方法不僅能夠滿足變色測溫貼的溫度校準需求，還保障了測溫貼溫度測量結果的準確性和可靠性。

關鍵詞：測溫貼;校準;表面溫度

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：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]。測溫貼測溫機理不盡相同，但都是基于熱敏物質受熱后發生化學或物理變化的原理，如晶型轉化、升華、失水、氧化和分解引起光散射的頻帶轉移，在分子結構的改變后導致反射光的顏色發生變化。

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

測溫貼只要不超過額定溫度，壽命可達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過程及對不重要配件的監控過程中，測溫貼比其他測溫工具更加經濟實用。在測溫貼的使用過程中應避免刮、劃及彎折現象，還應避免存儲在高溫環境下。如果需要將測溫貼粘貼在有油和水的部位，應當在貼片表面覆蓋透明膠帶，以起到保護測溫貼的作用。

1 測溫貼的分類

測溫貼按顯示內容分為單溫度變色和數值顯示系列測溫貼;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行研究。

1.1 不可逆測溫貼

不可逆測溫貼具有溫度環境過程記錄功能，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數字或變色，或記錄被測物體所經歷溫度環境的最高峰值。超溫后，當測溫貼溫度降至額定溫度以下，測溫貼顯示的顏色不會復原，只停留在超溫顏色，以此告知使用者被測物曾經超溫過。

不可逆測溫貼中有個特殊應用的時間測溫貼，可顯示超溫時間。當時間測溫貼暴露在其額定溫度以上環境中時，時間貼片內的化學劑開始融化變色，并且沿著內管往下流向貼片上對應的時間窗口。當時間貼片溫度低于額定溫度時化學劑停止流動，因此根據時間窗口進度來顯示時間測溫貼所在環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，也可以顯示當前環境溫度。單點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。當環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定的一個較小溫度區間內發生顏色變化，通過色柱長度來實時顯示當前環境溫度，如圖1（b）所示。當測溫貼的溫度上升或下降時，測溫貼的色柱長度也會相應發生變化。可逆測溫貼重復變色的現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]。

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

2 測溫貼計量特性

2.1 響應時間

基于測溫貼的工作機理，物質在進行物理化學反應時需要吸放熱，但由于測溫貼體積小、熱容小，可逆測溫貼在升溫過程響應時間較快，可以達到1～5 s，但在降溫過程中響應時間較長，接近10 s。

2.2 準確性和測溫范圍

國產測溫貼溫度測量精度為-1～2℃，測溫范圍為37～120 ℃;進口產品測量精度為-0.6～1.0℃，測溫范圍為-20～290 ℃。

3 現有檢測方法介紹

目前，國內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，其測量結果誤差大。

②將標準水銀溫度計和恒溫槽配套使用，并設計由紫銅杯體、電木杯體上沿和耐熱玻璃杯蓋組成帖敷裝置。將測溫貼片貼在內壁表面，并將裝置和標準水銀放入槽中，先將槽溫設置為比測溫貼額定溫度低3 ℃，待槽溫穩定后觀察測溫貼是否變色;測試完后每升1 ℃進行測溫，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定的過程中常出現溫度過沖現象，若在槽溫未穩定前放入不可逆測溫貼，則會引起較大測量誤差;標準水銀溫度計實測溫度為恒溫槽介質的溫度，而測溫貼實測溫度為紫銅內壁溫度，兩者存在一定的溫度差且在槽溫波動時具有熱延時現象，因此將標準水銀溫度計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，桶內插人一根溫度計，不斷給桶內液體加熱。隨著液體溫度升高，溫度計值上升到額定變色溫度，即可觀察到對應溫度的測溫貼片變色情況。這種方法忽略了金屬桶內外表面的溫度差，溫度計測得的數值與金屬桶外表面的實際溫度值存在一定的差值，同時測溫貼響應時間受其升降溫速率影響，桶內液體的均勻性及溫度計的位置也會帶來影響，因此此測量方法測得的溫度數值誤差較大。

4 校準方案

根據市場上測溫貼的類型和特性進行分析，利用溫度實驗室的恒溫設備，研究針對不同類型測溫貼溫度偏差的校準方法。這種方法準確度高，復現性強，操作快速簡便，滿足測溫貼溫度偏差的檢測需求。

4.1 校準裝置

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

4.2 校準方法

通過比對測量原理，將標準表面溫度計的示值與被檢測溫貼的示值進行對比，計算溫度示值誤差。測溫貼變色方式不同，其校準方法也不同。

4.2.1 可逆測溫貼校準。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準表面溫度計放置在紫銅杯體底部。先將槽溫設置為低于可逆測溫貼額定溫度2.5 ℃，觀察自重式標準表面溫度計的溫度值，待槽溫穩定10 min后開始監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 ℃進行測試。待槽溫穩定10 min后，觀察可逆測溫貼的變色情況，如此重復升溫-穩定-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準器自重式標準表面溫度計的溫度示值T1，然后將恒溫槽設定值降低0.1 ℃，待槽溫穩定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 ℃進行測試，如此重復升溫-穩定-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準器自重式標準表面溫度計的溫度示值T2。

對于數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個校準溫度點，其中包括上、下限和中間有刻度的點。校準順序為先從測溫貼下限溫度開始校準，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準表面溫度計放置在紫銅杯體底部，先將槽溫設置到可逆測溫貼校準溫度點，觀察自重式標準表面溫度計的溫度值，此時恒溫槽的實際溫度不可偏離校準溫度點±0.2 ℃，待槽溫穩定10 min后，先讀取標準器自重式標準表面溫度計的溫度示值，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。對于不可逆顯示的測溫貼，先將自重式標準表面溫度計放置在紫銅杯體底部，將恒溫槽溫度設置為低于測溫貼額定溫度2.5 ℃，觀察自重式標準表面溫度計的溫度值。待槽溫穩定10 min后，放入被校不可逆測溫貼。觀察10 s內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 ℃進行測試，同樣觀察自重式標準表面溫度計的溫度值，待槽溫穩定后再將測溫貼放入紫銅杯底部。如此重復升溫-穩定-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準器自重式標準表面溫度計的溫度示值，此溫度即為不可逆測溫貼的實際變色溫度。

5 數據處理

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算方法為：

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

5.1.2 數值顯示的可逆測溫貼。數值顯示的可逆測溫貼各校準溫度點的示值誤差計算方法為：

數值顯示的可逆測溫貼各校準溫度點的切換誤差計算方法為：

式中：ΔT為測溫貼示值誤差，℃;T1’為校準溫度點上行程可逆測溫貼柱條顯示的溫度示值，℃;Ts1為校準溫度點上行程自重式標準表面溫度計溫度示值，℃;T2’為校準溫度點下行程可逆測溫貼柱條顯示的溫度示值，℃;Ts2為校準溫度點下行程自重式標準表面溫度計溫度示值，℃;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算方法為：

式中：ΔT為測溫貼示值誤差，℃;T0為測溫貼標稱變色溫度，℃;TN為測溫貼實際變色溫度，℃。

6 結語

通過對測溫貼的研究，根據測溫貼可逆與不可逆的特點選擇熱源和標準器，設計了不同的校準方法。測溫貼溫度偏差的有效校準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結果的準確可靠。本校準方法可行性較強，便于推廣使用。隨著測溫貼的廣泛應用，在其產量不斷增長的同時，配合準確有效的測溫貼校準方法，將很大程度促進測溫貼的應用效果及產品質量的進一步提升。

參考文獻：

[1]唐淑慧.北京亞東星變色測溫貼片在電力行業的應用[J].電工技術，2002（5）：8-14.

[2]王珊珊，賀琳晰.測溫貼在急性中毒患兒中的應用[J].護理研究，2018（10）：1659-1660.

[3]石鑫.變色測溫貼片在電氣設備上的應用[J].節能，2011（2）：120-121.

[4]唐淑慧.示溫記錄標簽：變色測溫貼片在電力行業的應用[J].電工技術雜志，2002（5）：64-65.

[5]關軍，單純利，葛紀全，等.測溫貼片變色溫度校準[J].計量與測試技術，2013（7）：10-11.

3072500338231