石英晶体温度计：分辨力与准确度、恒温槽比较校准

假设工厂收到日本厂家交付的一台控温试验设备，随机资料里有一份石英晶体温度计（日语"水晶温度計"，suisho ondokei，也叫"クオーツ温度計"）的记录，槽温显示到小数点后四位，比如 23.2501 ℃，另附一份 JCSS 校准证书。

车间里有人据此认为"这台温度计准到 0.0001 ℃"。这正是本文想避免的误读。

石英晶体温度计是一种接触式温度计，靠石英晶体的谐振频率随温度变化来测温。它能分辨极小的温度变化，但分辨力（显示能细到哪一位）和准确度（读数离真实温度有多近）是两个不同的指标。后者取决于校准和测量方法。

下面依次说明工作原理、分辨力的算法、日方 JCSS 校准证书怎么看、在恒温槽里如何做比较校准，以及石英温度计与标准铂电阻温度计、Pt100、热敏电阻、热电偶的区别。文末附验收检查清单、对日方的提问清单和英文询问邮件范例。

目录

1. 什么是石英晶体温度计
2. 石英晶体温度计的工作原理
3. 分辨力与准确度：用数字说明
4. 日方 JCSS 校准证书怎么看
5. 在恒温槽中做比较校准的步骤
6. 石英温度计与标准铂电阻、Pt100、热敏电阻、热电偶的比较
7. 规格书要确认的内容
8. 读数波动时怎么排查
9. 可以直接使用的内容：验收清单与对日方的询问邮件
10. 本文的适用范围
11. 常见问题
12. 参考资料

什么是石英晶体温度计

石英晶体温度计由测温探头和读取频率的仪表组成，是一套测量系统。日本横河测试测量（横河計測）的技术资料把它列为校准其他温度计时使用的计量标准之一。

使用时，探头要接触被测对象。它不像红外（辐射）测温仪那样接收辐射来推算表面温度，而是要等探头前端的感温元件达到被测对象的温度后，读数才有意义。

石英晶片不会裸露着直接浸入液体，而是封装在护套里。热量要从外层护套传到内部晶片，所以即使仪表读频率很快，探头跟上温度变化仍然需要时间。

它的典型用途是精细观测，例如检查恒温槽的温度稳定性，或测量两点之间的微小温差。它适合细致评价温度变化，而不是用来替换生产线上的所有测温点。

图 1 是基本结构：晶片在探头内振动，由另一台仪表读取它的频率。

图 1：晶片在探头内振动，仪表读取频率

石英晶片上有电极，靠振荡电路提供的电能持续振动。

实际尺寸、电极布置和电路安装位置因型号而异。

石英晶体温度计的工作原理

压电效应与振荡

石英是二氧化硅的一种结晶形态，具有压电效应：受力时表面会出现电荷。反过来，加电压时它会变形，这是逆压电效应。晶体能够振荡，靠的正是这两种效应。

在温度计里，电极上加交流电压使晶片振动。变形产生的电信号再反馈回电路，电路维持持续振荡的条件，并输出供测量的频率信号。

单独一片石英晶体不会自己输出稳定信号。谐振器是无源器件，需要另配振荡电路来驱动，再由读取电路来测量。

压电点火器也是利用力与电之间关系的常见例子。但点火器里的压电材料和温度计里的石英晶片，不能当作同一种材料或同一种结构看待。

热电偶的原理不同：它利用塞贝克效应，即两种不同金属的接点之间存在温差时产生热电势。石英温度计测的是晶体振动的快慢，而不是电压的大小。

从频率读出温度

晶片的谐振频率取决于切割角度、形状和尺寸，单凭"石英"这个材料名定不下来。切型不同，频率随温度变化的方式也不同，有的切型更适合测温。例如惠普（Hewlett-Packard）1965 年推出的石英温度计，采用一种称为"LC"（linear coefficient，线性系数）的切型，就是看中它的频率－温度关系接近直线。

温度计选用的是频率随温度变化、便于读取的感温元件。对这个元件进行校准后，把频率与温度的对应关系存入仪表。

测频率和换算温度是两个独立的步骤。温度是从校准曲线算出来的，所以探头和系数一旦配错，即使信号完全正常，显示的温度也会是错的。

图 2 表示这个换算过程：在纵轴上测得频率，再在横轴上读出对应的温度。

图 2：由频率反推温度

测出 f，再在校准曲线上找到对应的 T。图中圆点表示校准时得到的点（示意）。

在一定温度范围内，频率与温度的关系可以接近直线。但在宽范围内不一定是一条直线，需要时采用含高次项的校准方程来修正非线性。

这种非线性修正，与其他传感器使用线性化器的思路相同。决定温度可信程度的，不只是读取电路的性能，还有校准点和换算方法。

石英钟表与石英温度计的区别

石英钟表也用晶体谐振器，但设计目标是温度怎么变都保持同样的周期。钟表要的是稳定的时间基准，温度计要的是跟着温度变化的频率。

据爱普生（Epson）的说明，石英表的谐振器装在内部 IC 的振荡电路中。谐振器以稳定的周期持续振荡，IC 据此生成每秒一次的电信号，驱动表走动。

通信设备用的恒温晶体振荡器（OCXO）把谐振器周围保持在恒定温度，以稳定频率。石英温度计正好相反，它把频率对温度的依赖性直接当作测量信息来用。

所以，把钟表用的晶振接到频率计上，并不能得到一台精密温度计。必须有具备测温特性的元件，再加上它的校准数据。

分辨力与准确度：用数字说明

灵敏度与分辨力

灵敏度 S 表示单位温度变化引起的频率变化，单位为 Hz/℃；由频率差换算温差时，要除以这个值。灵敏度越高，同样的频率读数步长对应的温差越小，细微变化就越容易看出来。

日本热物性学会 1989 年的讲座给出了温度每变化 1 K、频率变化约 1 kHz 的例子。惠普 1965 年的设计也是这个斜率，即 1,000 Hz/℃，谐振器频率在 28 MHz 附近。按这个灵敏度，能分辨 0.1 Hz 时，温度分辨力就是 0.0001 ℃，如图 3 所示。

图 3：把频率步长换算成温度步长

0.1 Hz 除以 1,000 Hz/℃ 得 0.0001 ℃。这说明的是分辨力，不是误差保证。

在灵敏度可视为恒定的范围内

ΔT = ΔfS

ΔT = 0.11,000 = 0.0001 ℃

ΔT：温差［℃］；Δf：频率差［Hz］；S：灵敏度［Hz/℃］。1 K 的温差与 1 ℃ 的温差大小相同。

如果假设是简单的直线关系，温度本身也可以用同样的思路算出来。下面的校准公式是为说明步骤而虚构的，不是任何实际仪表的系数。

关键是先减去基准频率。直接用测得的整个频率除以灵敏度，忽略了基准点，得到的数没有意义。

实际的校准公式还规定了适用的温度范围和系数定义。另外要注意单位：把 kHz 的数值代入按 Hz 写的公式，算出的温度就会出错。

闸门时间、分辨力与刷新速度

采用直接计数方式的仪表，在一段固定的闸门时间（计数时间）内计数振荡周期来得到频率。计数时间越长，通常越能分辨小的频率差，但读数的刷新间隔也越长，具体以仪表规格为准。惠普 1965 年的文章写道，读数时间 10 秒可达到 0.0001 ℃ 的分辨力，读数更快时分辨力相应变粗。

要把仪表的刷新速度和探头本身的响应分开看。这样才能判断读数"慢"，是计数器造成的，还是热量传入探头造成的。

分辨力、重复性与不确定度

石英温度计最大的优势是能跟踪微小的温度变化，环境越稳定，这个优势越明显。想看恒温槽温度随时间的波动，或者测两个位置之间的温差时，它很有用。

分辨力和偏差就是在这里分开的。即使显示步长是 0.0001 ℃，只要读数相对标准器偏了 0.02 ℃，显示再细也消除不了这个偏差。这里的 0.02 ℃ 是为说明区别而假设的数，不是任何仪表的标称准确度；测量值只有结合校准结果和标准器的不确定度，才有意义。

图 4 把容易混在一起的三个概念分开。

图 4：位数多，不等于温度可信

显示步长、多次读数的分散、相对标准器的偏差，是三个不同的问题。

分辨力：相邻两个读数之间的步长能看到 23.2500 → 23.2501 ℃ 这样的变化

重复性：相同条件下读数是否一致检查读数的分散，其中包括恒温槽和仪表本身的波动

偏差与不确定度：修正与可信程度修正相对标准器的偏差，再评定来自标准器、温度分布等来源的不确定度

修正了偏差，来自校准和测量环境的不确定度依然存在。

一份老规格书能把这个问题说得很清楚。下表整理了惠普 1965 年公布的石英温度计简要规格。这是很早的仪器，放在这里只是为了说明这些数字之间能差多远。

规格项目（HP，1965 年）	标称值	说明的是什么
分辨力	最高 0.0001 ℃	只是显示步长
短期稳定性	相邻读数之间小于 ±0.0002 ℃	恒温下相邻读数的短期变化，与完整的重复性评价不完全相同
线性度（绝对）	0～100 ℃ 优于 ±0.02 ℃；−40～230 ℃ 为 ±0.15 ℃	比分辨力更接近"准确度"，且随范围而变；但不等于整套测量系统的不确定度
长期零点漂移	30 天内小于 ±0.01 ℃	需要定期复校的原因
响应（流速 0.6 m/s 的水中）	63.2% 小于 1.0 s；99.9% 小于 6.9 s	规定流动条件下的探头响应

高分辨力还有一个前提：温度均匀而稳定，而这要靠测量环境来保证，与显示位数无关。槽内如果存在温度梯度，探头之间的位置差就会叠加到想测的温差上，很难和仪表偏差区分开。

测温原理本身决定不了哪种测量更好。和选热电偶还是热电阻一样，探头形状和安装条件都要纳入考虑。

日方 JCSS 校准证书怎么看

日本设备随机附带的校准证书，常见的是 JCSS 证书。JCSS（Japan Calibration Service System，日本校准服务制度）是依据日本《计量法》对校准实验室进行认可的制度，由日本产品评价技术基盘机构（NITE）下属的认可中心 IAJapan 运营，作用上与国内 CNAS 认可的校准实验室相近。

对国内读者来说，这套制度有以下几个要点：

• 认可依据：NITE 列出的 JCSS 认可基准是 ISO/IEC 17025 以及《计量法》等相关法规。国内 CNAS 对校准实验室的认可准则 CNAS-CL01 也以 ISO/IEC 17025 为基础，两者依据的国际标准相同，但具体规则需各自确认。
• 溯源性：JCSS 要求溯源到日本的国家计量标准（由日本计量标准综合中心 NMIJ 或指定机构复现），证书提供校准结果及其溯源性信息。使用时还要核对被校对象编号、校准范围、不确定度和适用条件。
• 国际互认：IAJapan 是 ILAC 和 APAC 互认协议（MRA）的签署方，CNAS 也是 ILAC MRA 和 APAC MRA 的签署方。NITE 说明，获得国际 MRA 认可的事业者可以出具带 ilac-MRA 标志的证书。请确认证书上确实有这个标志，不要默认都有。
• 不确定度：NITE 的证书样本以包含因子 k = 2 给出扩展不确定度，对应约 95% 的包含概率。实际以手头证书的说明为准。
• 没有有效期：据 NITE 说明，JCSS 校准证书本身没有有效期限，复校间隔由使用者根据使用频率和环境自行决定。

校准是求出仪表与标准器之间的差值，与把显示值调到一致的"调整"不是一回事。基本产出是这个差值，以及记录下来的测量条件。

还要注意，JCSS 证书属于"校准"，不等于国内的"检定"。在国内使用时，应根据适用的计量法规和实际用途确认是否需要检定，JCSS 校准证书不能直接当作国内的检定证书；客户和企业自身的计量管理要求也要另行核对。证书若给出修正值，修正值怎么用、用在哪里，也要在内部定下来。

在恒温槽中做比较校准的步骤

比较校准是把被校温度计和标准温度计放在同一温度环境中，记录两者读数的差。福禄克（Fluke）指出，液体槽是做这类工作最稳定、最均匀的介质。

下面的步骤只说明原则，实际以本实验室的作业程序和恒温槽厂家的说明书为准。国内恒温槽本身的计量性能测试，可参考现行版 JJF 1030（2023 年版名称为《温度校准用恒温槽计量性能测试规范》），以实际采用的文本为准。

1. 先明确要求。确定需要的温度范围和可接受的差值。只检查室温附近，和要覆盖整个加热工序温度范围，需要的校准点不同。
2. 感温部位靠近放置。标准器和被校温度计的感温区相邻布置，但探头之间不要互相接触。探头前端碰到金属槽壁或槽底，会因接触导热而使读数偏离液体温度。
3. 按感温元件对齐，而不是按探头前端。按探头内部感温元件所在的位置来定位，不要只看外部的尖端。每支探头都要满足各自所需的插入深度（总插入长度不必相同），让两个感温元件处在同一个均匀温区。
4. 检查浸没深度。改变插入深度时读数跟着变，就要怀疑沿杆导热（杆效应）或温度梯度的影响。各支探头需要的浸没深度不同，套管长度不够所需插入深度时，不要直接沿用这支探头。
5. 成对读数。槽温稳定后，按规定的顺序和间隔，把标准器和被校温度计的读数组成数据对，并重复多次。如果先把一支全部读完再读另一支，槽温的漂移就会混进差值里。
6. 记录要能复现。记下设定温度、两者读数、探头编号、浸没条件、所用校准系数和读数间隔。这样和上一次校准对比时就很方便。

图 5 是槽内布置：两个感温区处在同一高度并彼此靠近，远离槽壁和槽底。

图 5：比较同一温度时的恒温槽布置

标准器和被校温度计的感温区靠近，远离槽壁和槽底。先保证各自的浸没深度足够。

选用或核查恒温槽时，Fluke 提到以下几点：

• 稳定性与均匀性：槽温随时间稳定，不代表空间上均匀。要分别检查工作区内垂直和水平方向的温差。国内规范里对应的说法是"波动度"和"均匀度"。
• 标准器的插入深度：标准铂电阻温度计这类较长的标准器，如果只插到和短被校探头一样深，可能产生杆效应。
• 介质：Fluke 建议在控制温度下介质黏度不超过 50 cSt（厘斯）；稳定性随介质和温度而变。
• 槽体尺寸：要留出足够的插入深度、传感器下方的液体，以及传感器与槽壁之间的距离。

用于工艺管道时，耐压和耐腐蚀要另外考虑。温度计套管能保护传感器不受工艺介质侵蚀，但加了保护套管，读数跟随温度变化的情况也会改变。

双支（双元件）温度传感器提供两路独立的测量通道。这是结构上的选择，要与石英测温原理分开考虑。

石英温度计与标准铂电阻、Pt100、热敏电阻、热电偶的比较

工厂里广泛使用的是热电偶和铂热电阻（如 Pt100）。把石英温度计和它们比较时，先列出所需的温度范围和安装条件，不要凭"听起来哪个更精密"来选。

下表按测量的物理量和选型时要看的内容进行比较。

比较项	石英晶体温度计	铂热电阻（Pt100）	热电偶
测量的量	谐振频率	电阻	热电势
适合的用途	微小温差、稳定性评价	工业测温、精密测温	含高温在内的广泛工业测温
电路上的要点	振荡、频率测量、校准曲线	测量电流、引线电阻、自热	冷端补偿、补偿导线
选型要看的规格	探头与仪表成套看	元件标准与显示仪表规格	分度号、线径、保护管、显示仪表

日方规格和国内使用的标准不一致时，以下几点可作参考：

• 标准铂电阻温度计（SPRT）：在国际温标 ITS-90 中，标准铂电阻温度计是 13.8033 K～961.78 ℃ 范围内的内插仪器。比较校准时常用它作标准器，Fluke 的恒温槽示例中用的就是它。
• Pt100：工业铂热电阻按 IEC 60751 分允差等级（例如 A 级在 0 ℃ 时为 ±0.15 ℃）。日本 JIS C 1604:2013 把 IEC 60751:2008 列为对应国际标准，国内的 GB/T 30121-2013《工业铂热电阻及铂感温元件》在标准数据库中标注为等同采用 IEC 60751:2008。各标准之间的采用关系以正式文本为准；具体产品还要核对允差等级、适用温度范围和接线方式，不能只凭标准编号判断可以直接替换，需与供应商确认。
• 热敏电阻：和 Pt100 一样利用电阻变化，但材料不同，电阻随温度变化的幅度也不同。监测小型零件的温度时，热敏电阻与 Pt100 的比较很有参考价值。

电阻式传感器要处理引线电阻，所以才有二线制和三线制接法。这些误差来源和石英频率测量的误差来源不是一回事。

在线测量不仅要测得准，还要定好信号送到哪里。如果接入 DCS（集散控制系统）做监控，规格里要写明刷新周期和故障时的输出。

规格书要确认的内容

温度范围、测量准确度和响应时间要放在一起看。给缓慢稳定的恒温槽当标准器，和要捕捉流体温度急变的传感器，看重的项目不同。

• 温度范围：它不仅取决于晶片，还取决于探头密封、接线和电子电路。不要认为所有石英温度计都有一个固定上限（例如 200 ℃）；要看传感器与仪表组合后的规格，并区分"保证准确度的范围"和"仅能工作的范围"。
• 响应时间：探头响应随周围流动和安装方式而变。在液体中测得的响应，不能直接套用到空气中或厚壁保护管里。
• 浸没深度：确认厂家对每支探头规定的最小浸没深度。
• 冲击与振动：使用谐振器的仪器对机械冲击和应力敏感。探头跌落或安装方式改变后，要在基准点检查读数有无变化。
• 强磁场：能否适用取决于整个系统（晶片、振荡电路、频率计和电缆）。应以对应磁场强度和周边设备的规格或试验结果为选型依据。
• 输出信号：频率输出不能直接接到普通模拟量输入。要让变送器的输出形式与接收端的 4–20 mA 输入条件对应。
• 备用探头：外形一致还不够。仪表兼容性、每支探头各自的校准数据和电缆条件要一并管理，避免更换后换算系数用错。

被测温度还在变化时，标准器和被校温度计的响应差也会混进读数差。不要以槽温到达设定值的时刻为准，而要看两者读数的变化趋势，取稳定区间的读数对来比较。

测量小零件时，装上探头本身就会改变热流。要考虑传感器的热容量和沿轴向的导热，在增加读数位数之前，先确认探头没有改变你要测的温度。

读数波动时怎么排查

按顺序排查原因，每次只改变一个条件：

1. 保存时间序列。把槽温和显示值随时间的变化对照起来看。如果呈规律性周期，就往恒温槽的加热控制或搅拌状态上查。
2. 把试验分开做。改变位置的试验，和在同一位置改变读数设置的试验，要分开进行。一次改好几个条件，即使读数稳定了，也不知道是哪一项起了作用，下次也定不了测量条件。
3. 互换位置。有两支探头时，可以在槽内互换位置。看差值是跟着位置走还是跟着探头走，有助于区分温度分布和探头个体差异。
4. 只对稳定区间取平均。把升温过程中的数据一起平均，数字看起来稳了，但说不清代表的是哪个时刻、哪个温度。
5. 长期跟踪结果。按既定的核查计划，持续比较同一基准点的结果。跌落或维修后读数发生变化，就不要等下一个校准周期，立即评估，并保留记录，以便追溯哪些测量受到了影响。

可以直接使用的内容：验收清单与对日方的询问邮件

从日本收到石英温度计、测量数据或 JCSS 证书时，可以对照下面的清单逐项确认：

• 分辨力和准确度（或不确定度）是否分别给出
• 每个校准点是否给出扩展不确定度、包含因子及包含概率（NITE 样本为 k = 2，以实际证书为准）
• 证书上是否有 JCSS 标志；需要国际互认时，是否有 ilac-MRA 标志
• 校准点是否覆盖实际使用范围
• 证书上的探头编号与手头探头是否一致
• 仪表中存储的系数是否属于这支探头
• 证书是否给出示值误差或修正值，且写明定义和正负号，而不只是写"已调整"
• 校准时的浸没深度和所用恒温槽类型
• 保证准确度的范围与工作范围是否分开写明
• 响应时间及其测试条件
• 内部是否已定好复校间隔（证书本身不规定）
• 该温度计在国内的用途是否涉及检定要求，或客户对证书有无特定要求

缺哪一项，发一封简短的邮件一般就能问清。日方技术人员读英文通常比读中文方便，下面给出英文范例，方括号内按实际情况替换。

邮件要点（中文）：①各校准点的扩展不确定度、包含因子和包含概率，与 0.0001 ℃ 显示分辨力分开；②有无 ilac-MRA 标志；③校准时的浸没深度、所用恒温槽及最小浸没深度；④保证准确度的范围和工作范围；⑤仪表内系数是否对应该探头，换探头时如何录入；⑥按实际使用情况推荐的复校间隔。

本文的适用范围

• 温度范围、响应时间、磁场适应性和准确度都取决于具体型号。本文内容不是所有石英温度计的通用规格。
• 惠普的数据来自 1965 年，用来说明分辨力与准确度的差距；现行仪器会有所不同。
• 恒温槽的步骤说明的是原则，不是经过验证的实验室方法。请按本实验室符合 ISO/IEC 17025（CNAS-CL01）的程序，以及恒温槽和探头的说明书执行。
• JCSS 证书能否被贵公司的质量体系或客户接受，取决于他们的要求，请与对方确认。
• 温度计的分辨力本身决定不了控温能细到什么程度。加热器的容量和布置、热滞后、控制输出的步长都有影响，测量和控制要作为一个系统来设计。

常见问题

石英温度计能以 0.0001 ℃ 的准确度测温吗？

不能仅凭这个数字下结论。0.0001 ℃ 是分辨力（显示步长）的例子，并不保证误差只有 0.0001 ℃。准确度要结合校准结果做必要的修正，并评定实际条件（探头、周围温度分布等）下的测量不确定度，不是同一个数。

普通石英钟能当温度计用吗？

不能。钟表用的晶振是按"频率稳定"设计的时间基准。没有测温元件的温度灵敏度和校准数据，只读钟表信号做不到精密测温。

石英温度计能在 200 ℃ 以上使用吗？

要看型号和探头，石英温度计没有统一的使用上限。高温场合要区分工作范围和保证准确度的范围，并确认护套和接线的耐热性。

名字里带"石英"的温度计都是测频率的吗？

不是。用石英玻璃做保护管的温度计，和用石英谐振器测温的温度计是两回事。不要只看产品名称，要从规格书确认感温元件是铂电阻还是石英谐振器。

JCSS 校准证书有有效期吗？

没有。NITE 说明 JCSS 证书本身不设有效期，何时复校由使用者根据使用频率和环境决定。在国内使用时，复校间隔可纳入企业的计量器具管理制度统一规定。

参考资料

• 石英温度计作为校准用计量标准：横河测试测量（横河計測）"电压、温度的测量"（日文）
• 钟表中的石英谐振器：爱普生，晶体器件的原理与用途（日文）
• 灵敏度示例（约 1 kHz/K）：日本热物性学会，讲座"温度测量的基础"（1989 年，日文）
• LC 切型石英温度计、1,000 Hz/℃ 斜率及规格：Hewlett-Packard Journal, March 1965, "The Linear Quartz Thermometer"（英文）
• 恒温晶体振荡器：日本电波工业（NDK），OCXO 的特点（日文）
• JCSS 证书有效期、认可基准、ilac-MRA 标志：NITE，JCSS 常见问题（日文）
• JCSS 校准证书样本（ISO/IEC 17025、ILAC/APAC MRA、k = 2）：NITE IAJapan，JCSS 校准证书样本（英文）
• CNAS 的 ILAC MRA 签署范围：ILAC，MRA 签署机构查询（英文）
• 恒温槽的选用：Fluke, "Buying the Right Temperature Calibration Bath for Your Laboratory"（英文）
• ITS-90 铂电阻温度计范围：NIST Technical Note 1265, "Guidelines for Realizing the ITS-90"（英文）
• IEC 60751 允差等级：JUMO, "Pt100 accuracy class"（英文）
• JIS C 1604:2013 与 IEC 60751:2008：日本规格协会，JIS C 1604:2013 预览（日文）
• GB/T 30121-2013 与 IEC 60751:2008 的采用关系：ChineseStandard.net, GB/T 30121-2013（英文）
• JJF 1030-2023《温度校准用恒温槽计量性能测试规范》：ChineseStandard.net, JJF 1030（英文）