无论是工业过程、科学研究，还是食品安全合规性，温度计校准都是确保准确温度测量的关键过程。一种流行的做法是采用冰点法，该方法是一种利用水的冰点(0 °C，32 °F)作为参考的简单技术。这种方法虽然方便，但却无法满足需要可溯源多点校准以满足严格校准标准的温度传感器行业专业人员的需求。
本文探讨冰点法及其用途、局限性，以及为什么计量人员和校准技术人员往往选择更复杂的技术。无论是依赖快速校准检查的现场技术人员，还是追求精确度的计量人员，了解方法的优缺点是选择正确校准方法的关键。
什么是冰点法？
冰点法通过将温度计浸入纯冰水混合物 (0 °C自然温度)中来进行校准。上述环境建立了一种热力学平衡状态，冰融化时，固态(冰)和液态(水)共存，为温度计比对校准提供参考点。
校准时，技术人员或计量人员将温度计的传感头浸入冰槽中，确保其不接触容器的侧面或底部。待温度计的温度读数稳定后，技术人员检查读数是否为0 °C。如果存在不可接受的偏差，则需要校正温度计。
冰点法的简便性使其成为暖通空调(HVAC)、食品安全和基础制造业等行业现场技术人员的首选方法。然而，获得可靠结果取决于精确执行，因为在准备过程中即使是很小的错误也可能导致严重误差。
冰点法的使用场景
该方法便携，且易于设置，是实验室、现场，甚至家庭环境下检查指针温度计、棒式数字温度计或其他基本温度传感器的实用选择。例如：
- 暖通空调(HVAC)和其他现场技术人员可采用该方法来检查其在现场使用的温度计。
- 食品安全检查员依靠该方法确保厨房温度计符合卫生标准。
- 制造工厂的维护和仪器团队可采用该方法快速检定过程温度计。
- 认真严谨的厨师和温度发烧友可在家里采用该方法快速可靠地检查烹饪用及其他类型的温度计
上述场景通常不需要超高准确度或溯源性，因此冰点法足够了。
冰点法的常见问题和挑战
冰点法虽然简单，但并非总是校准温度测量设备的上佳方法。该方法具有两个明显缺点：如果条件不正确，很容易导致误差，并且在需要严格的测量溯源性时，可靠性不足。
下文将更详细地介绍冰点法所遭遇的挑战。
出现误差的可能性高
冰点法执行过程中，有以下几个因素和部分使其容易产生误差：
- 非纯水：即使是微量杂质也会降低水的冰点，从而导致不准确。
- 冰水比例不当：过多的冰或水以及大块的冰会破坏平衡，导致无法获得持续的0°C温度参考。
- 环境因素：大气压变化或隔热不良的容器会导致熔点改变。
现场环境下很容易遭遇上述错误，因为技术人员对现场环境缺乏控制。相较之下，计量人员进行的实验室校准发生在受控环境中，并使用先进设备避免上述问题。这样确保在温度计的整个量程范围内，测量都可溯源且准确。
准确度和合规性限制
除了可能导致误差外，冰点法在要求严格准确度、溯源性或监管标准合规性的应用中也会出现问题。例如，制药、航空航天测试或环境监测等应用通常要求精度在千分之几摄氏度以内，并在多个温度点进行测量。冰点法的不确定度最优为十分之几摄氏度，而且是一种单点校准法：只测量温度计精确测量单一温度(0 °C)的能力。
由于种种原因，这种单点校准不适用于需要测量可靠性的应用。原因如下：
- 非线性：温度传感器，控制器和温度显示器可能会出现导致其部分工作范围内出现误差的情况。设备可在0 °C下实现准确测量，并不意味着也可在100 °C (212 °F)或1000 °C (1832 °F)下实现准确测量。换句话说，设备可能具有非线性响应。因此，在0° C进行校准不能确保温度计量程范围内其他点处没有潜在偏差。
- 传感器漂移：由于机械磨损、污染或环境暴露，随着时间的推移温度计的准确度可能会降低。需要多点校准来检测和修正上述漂移。
- 监管标准：符合ISO 17025或FDA标准通常要求温度测量可溯源至国际单位制(SI)和1990年国际温标(ITS-90)下的温度测量。冰槽本身就不符合上述标准。
为了满足众多行业对精度、溯源性和合规性的要求，计量人员必须具备超越冰点法提供的单点校准和不理想的溯源性的能力——他们需要能够部署具有明确溯源性的多点校准。
计量人员为什么需要多点校准
负责监督实验室和工业校准项目测量标准的计量人员将准确度、溯源性以及ISO 7025等行业和质量标准合规性放在首位。其目标是校准温度计及其他温度测量设备，以满足国际公认标准，确保测量结果在不同环境和应用中保持一致。由于计量人员必须遵守如此严格的标准，并且高质量校准要求校准温度测量装置的整个量程范围，因此多点校准是其工作的关键组成部分。
冰点法的替代方法
为了对温度计及其他温度测量设备的整个工作量程范围进行校准，并在其温度校准程序中实现更优的准确度和不确定度，计量人员依靠各种工具和技术来执行多点校准。其中一种技术是通过特征分析进行校准，测量结果采用温度相关的数学模型进行特征化。利用该技术，计量人员可以将校准数据拟合至曲线，消除传感器针对其他温度误差的非线性度。
多点校准需要更多温度点，因此计量人员需要水三相点容器和温度校准恒温槽等校准设备，以便为更多温度点提供稳定可靠的测量条件。我们将在下文中进行详细介绍。
实现精确温度校准的水三相点容器
水三相点容器提供无与伦比的精度，该容器通过在0.01 °C (32.018 °F)温度下的密封环境中使用同位素纯水实现卓越的精度水平。该设备非常适合用于校准科学和工业应用中所使用的参考温度计。虽然该方案比冰点法更昂贵，更不方便携带，但其准确度和ITS-90溯源性对于计量人员来说不可或缺。
C实现精确温度校准的恒温槽
利用温度校准恒温槽，计量人员和技术人员可在多个关键温度下校准温度计和其他温度传感器，解决仪器温度误差问题，提供全面表征和修正数据。
例如，计量人员可通过将恒温槽设置为模拟标准固定点温度(例如0 °C的水三相点温度，232 °C (449.6 °F)的锡冰点温度)来校准铂电阻温度计(PRT)。或者，计量人员可选择对其各自需求很重要的温度点，如针对灭菌过程的121 °C (249.8 °F)或100 °C (212 °F)，因为这满足食品安全业务的需求。
另一种与恒温槽类似的仪器是干式校准器，该校准器为校准温度计提供多个温度点和良好条件。干式校准器，也称为干井炉，其设计便于现场使用或实验室使用，并且可快速地从一个温度点变化到下一个温度点。
跨温度量程的最佳校准方法
虽然多点校准是使用冰点法校准单一温度点的升级，但校准任何类型的热传感器或温度探头通常需要使用不止一种方法。
为取得可靠结果，温度校准程序应：
- 组合多种方法：采用冰点法进行常规检查，采用多点校准恒温槽进行全量程校准和调整。
- 考虑应用需求：根据监管和工作要求，确定是否需要现场级或实验室级准确度。
- 使用高品质工具：投资先进的校准设备，如福禄克计量校准部的水三相点瓶和温度校准恒温槽以及干式校准器，以确保一致性和溯源性。
对于执行快速温度计检查的技术人员来说，冰点法仍然非常有价值。然而，其在准确度和溯源性方面的局限性，使其不适合用于在整个温度量程范围内具有合规性或精度要求的关键应用。
对于计量人员来说，如多点校准、水三相点容器和温度校准恒温槽等先进技术和工具可提供专业级结果所需的准确度。通过了解各种方法的优点和局限性，无论是在现场还是在实验室，单位组织都可以确保可靠的温度测量。
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