石英温度计(quartz thermometer)是一种高精度、高准确度的温度传感器。它通过测量石英晶体振荡器的频率来测量温度。振荡器包含一个特殊切割的晶体,使其频率具有接近线性的温度系数,因此温度测量本质上归结为振荡器频率的测量。
石英温度计可实现0.0001°C的分辨率和0至100°C范围内0.02°C的准确度。高线性度使得在重要温度范围内实现高精度成为可能,该范围内仅需一个方便的温度参考点用于校准,即水的三相点。水的三相点是热力学温标的固定点之一,温度为273.16 K,即0.01°C。
石英晶体的压电效应使其在交变电场下产生稳定振动。晶体的共振频率取决于其尺寸、切割方向和弹性常数,而弹性常数随温度变化。通过选择特定的切割角,如 LC 切或 SC 切,可以使频率-温度曲线在某一温度范围内接近线性,从而把温度变化转换为可精确测量的频率变化。
石英温度计的电子部分通过计数振荡器频率并与参考频率比较来确定温度。由于频率可以高精度计数,石英温度计的分辨率远高于普通热敏电阻或热电偶。其长期稳定性也较好,因为石英晶体的老化和滞后效应可以通过选材和封装控制。
惠普于1965年推出石英温度计,其后续公司安捷伦已停产 Model 2804A 石英温度计。Model 2804A 是早期商用石英温度计的代表,广泛用于计量实验室、温度校准和精密测量。
其他制造商生产几乎线性温度系数的石英晶体,可用于制造性能类似的温度计。现代石英温度计通常与数字显示、计算机接口和自动校准软件配合使用,便于在实验室和工业现场进行高精度温度测量。
石英温度计用于温度计量标准、精密恒温槽、海洋温度测量、地球物理观测和工业过程控制。在海洋学中,石英温度计可以测量海水温度的微小变化,用于研究海洋热含量和气候变化。在计量学中,它可作为传递标准,把国家温度标准传递给其他传感器。
石英温度计的限制包括测量范围较窄、对机械振动和安装应力敏感、响应速度较慢,以及成本高于普通温度传感器。它最适合需要极高分辨率和稳定性的场合,而不是快速变化的温度测量。此外,晶体切割、封装和电子计数电路的 quality 都会影响最终准确度。