国际实用温标的发展与现状

2016-12-15白召军武亚磊姜新建

河南建材 2016年6期

关键词：温区固定点分度

白召军武亚磊姜新建

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

国际实用温标的发展与现状

白召军武亚磊姜新建

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

文章在国际实用温标的发展历程的基础上，分析国际实用温标的实验方法及测定，探究了国际实用温标的应用和发展。

国际温标；热力学温度；光谱辐射法

0 引言

国际实用温标是以一些可复现的平衡态（定义固定点）的温度指定值，以及在这些固定点上分度的标准内插仪器作为基础的。固定点之间的温度，由内插公式确定。定义固定点是一些纯物质的相平衡态，是国际间的协议性温标，是世界上温度数值的统一标准。一切温度计的示值和温度测量的结果（极少数理论研究和热力学温度测量除外）都应该表示成国际实用温标温度，它的温度数值可以表示成开尔文温度或摄氏温度的数值[1]。从定义方法来看，国际实际温标是一种经验温标。但它是以热力学温度为标准而制定的,是热力学温度的一种近似，这是国际实际温标与历史上各种经验温标的根本区别[2]。

1 国际实用温标的演变与发展

国际实用温标必须满足三个基本条件：尽可能和热力学温标一致；复现性高，各国都能以很高的准确度复现同样的温度,以保证温度量值的统一；规定用于实现温标的温度计使用起来方便。因此，国际实用温标是与热力学温度最接近的温标，是方便而实用的温标。国际实用温标是一些可复现的平衡态(定义固定点)为指定温度值，并在这些温度点所确定的温区进行分度的标准仪器。在各固定点温度之间，由内插公式使标准仪器的指示值与国际实用温度值相联系，因此，固定点、标准仪器和内插公式号称国际实用温标三要素。

1927年的第七届国际计量大会正式通过了近代第一个国际温标，称为1927年国际温标(简记为ITS-27)。当时制定这个温标的目的，在于克服由气体温度计直接复现热力学温度所造成的实际困难，同时作为一个普遍能接受的温标代替当时存在的不同的各国自行设立的国家温标。该温标的建立，使世界有了第一个统一的温度标准。ITS-27是用气体温度计定义,并分别采用铂电阻温度计(660℃以下，以后改为630.5℃)、热电偶（630.5～1 064.13℃）和光学高温计（1 064℃以上）来复现，且借助一系列公式进行插补与外推。温标的下限为90.188 K(氧沸点)。

1948年的国际计量大会对1927年国际温标作了九处重大修改，称之为1948年国际温标(简记为ITS-48)。复现温标的实验程序实质上保持不变，但在1948年的国际温标定义中,两个修正却使被测温度数值有较大的变化。这两个修正是：银的凝固点由960.5℃改为960.8℃,这使标准热电偶的测温值发生变化，在接近800℃处的最大差值约为0.4 K。对于辐射常数C2，采用0.014 38 m·K代替0.014 32 m·K，这使金凝固点以上的温度全变了。用普朗克辐射公式代替维思公式时又进一步影响到高温区的温度值：金凝固点上的温度值减小了，如在1 500℃时减小2.2 K，在2 000℃时减小6 K。

1960年的第十一届国际计量大会，又对ITS-48作了六点修正,并更名为1948年国际实用温标(1960年修订版，简记为ITS-48)。1968年10月，国际计量委员会对ITS-48进行了八处重要修改，从而建立了1968年国际实用温标。该温标的下限是13.81 K，这远远不能满足低温领域的测温要求。1969年开始实行的1968年国际实用温标，对旧温标作了一系列重要的修改：温标的下限由氧沸点（约90 K）延伸到氢三相点(13.81 K)；修改了定义固定点的温度指定值和内插公式，使国际实用温标温度更接近于相应的热力学温度；采用了第二辐射常数的新的更加准确的数值。

1978年5月，国际计最委员会(CIPM)所属温度咨询委员会(CCT)在召开的第十二次会议上批准了一个新温标,这就是“l976年0.5-30 K暂行温标”，简记为“EPT-76”。该温标把IPTS-68的下限延伸到0.5 K，而在27.1 K处与ITS-68相接。在它们相互重迭的部分，即13.81 K-30 K,EPT-76并不取代ITS-68,但在要求测量具有平滑性的场合以使用EPT-76为好[3]。

国际度量衡委员会在1989年9月召开的会议上采纳了ITS-90温标。用这个温标取代1968年国际实用温标(IPTS-68)，已于1990年l月1日起生效。ITS-90比以往的温标（IPTS-68、IPTS-48等）更接近于热力学温标。ITS-90制定的内容是近代科学发展的结晶，而ITS-90的实施反过来又服务并推动科学技术的发展[4]。

2 国际实用温标的应用现状

ITS-90生效后，各国家实验室纷纷研制新仪器、新设备、探讨新的实验方法，努力全面复现ITS-90,与此同时也探讨了ITS-90现存的问题及解决办法[5]。

2.1 热力学温度测定

固定点的热力学温度值是ITS-90的基础。文本中的固定值是1989年9月最后定下来的。由于时间紧，有些数据是不充分的，缺乏旁证。400 730 K之间的热力学值存在一些问题，锡点及锌点值由美国NIST定容气体温度计给出，但他们的两阶段实验结果不同，在锡点相差10 mK，在730 K相差30 mK。这些差值相当大，直接影响此段温区的准确度及铂电阻温度计的参考函数。另外，Cu、Au、Ag、AI点也需重新测定。德国PTB用光电辐射法也重新测定了Au-Ag间隔，与ITS-90相差16 mK，即以银点为参考点的金点热力学值应为1 337.346 K，而ITS-90规定金点值为1 337.330 K。国际计量局温度咨询委员会(CCT)希望有条件的国家实验室继续进行热力学温度的研究工作。

2.2 寻找新的固定点，改善温标内插公式的准确性

这次ITS-90增加了一些新的固定点，如Ne、Hg、Ga、In、AI、Cu。但有些固定点间隔过大，使内插公式的准确度受到一定影响。为此，一些实验室正在探索新的固定点，测定它们的复现性。例如，660～962℃温度区间无固定点，中国测试技术研究院对氯化钠(NaCI)进行了测定,其凝固温度约为801.91℃，不确定度为60 mK。另外，Ag-Cu共熔合金(779℃)也是大家关注的固定点。最近，加拿大NRC研制成功AI-Cu合金(549℃)固定点容器，复现性与纯金属相同。俄罗斯(VNHM)正寻找室温附近固定点,采用Ga-In合金(20.476℃)进行了测定。英、美、加、意、中等国在低温领域进行了新固定点研究，如Xe (16l K±0.6 mK),Kr(115 K±0.5 mK)，D2(25.6 K±0.4 mK)，后者有可能替代17 K或20 K固定点。而Xe三相点处在Ar、Hg三相点之间，也是很有前途的固定点。

2.3 温标的非唯一性

温标的非唯一性是当前温标复现中最引人注目的问题,铂电阻温区的非唯一性是研究的重点。温度计的非唯一性是温标复现误差来源之一，是历届温标中不可避免的。温度计的非唯一性是指不同的温度计，在测量非因定点温度的同一热状态，获得不同的温度值。温度计的非唯一性是由于温度计本身特性不同引起的，而非实验误差。除此之外，ITS-90尚存一新的误差源，即子温区的非一致性，有时称子温区的非唯一性。ITS-90为了获得使用的灵活性，制定了有一定重叠范围的多个温区和子温区，它们具有同样的定义地位。与此同时，不可避免地引进了温区和子温区间的不一致性，即用同一支温度计测量同一热状态，用不同温区的定义公式获得多个温度值。近几年，美国NIST、意大利IMGC及中国的NIM在这方面作了大量的实验研究及分析。NIST用5支0.25n和2.5标准铂电阻温度计(SPRT),在273～933 K分度，其温度计的不一致性在Cd点为4.35 mK，In点为5.91 mK，Ga点为2.90 mK。在273～692 K分度与在273～1235 K温区分度相比，其差值Cd点为3.92 mK，In点为2.38 mK。NIM在13～273 K之间测定温度计的非唯一性，以基准温度计为准，测定其他七支温度计的数据。测量结果表明，非唯一性最大值为l mK。

2.4 光谱辐射法热力学温度测定

近年来，德、英、美等国采用绝对光谱辐射法测定热力学温度值，是温标研究中的最新动向。特别是低温光谱辐射计的采用，也许会带来热力学温度测定的新突破。此种方法无需再用参考点温度，亦即抛开了热力学温度的唯一定义点——水三相点(0.01℃)。热力学温度值根据普朗克辐射定律及物理常数测定。在液氦温度下工作的低温辐射计是提高测量准确度的重要手段。采用低温辐射计,稳定的激光光源，用电功率替代法获得辐射功率的测量；然后分度硅光探测器，并用它测定黑体固定点的辐射功率；用普朗克辐射定律及物理常数计算出固定点的热力学温度值。美国NIST及英国NPL用常温绝对辐射计，不用任何参考点，独立地测出Au、Ag、AI的热力学值，这些值是独立于水三相点的。目前此种方法主要用于高温固定点，弥补了气体温度计高温测量的缺陷。

2.5 国际实用温标的复现性

各国标准实验室和一些研究机构进行了很多工作得以复现ITS-90，特别是复现0.65 K到13.S K之间的新温标或者0.65 K与24.6 K之间的新温标。由于定容内插气体温度计从未被采用过，所以在采取ITS-90之前，有些实验室必须建立它。接下来的工作是对一些标准传递温度计例如铑-铁电阻温度计进行研制，以适应新的要求。此外，在复现之后，各实验室之间进行温标比对是必要的，包括3He和4He蒸汽压温标。在比对中，可以从使用超导转变装置和密封容器得到益处。尽管对ITS-90的所有定义固定点都进行过仔细的研究，但它们中的某些点如汞三相点。锢凝固点。银、金和铜凝固点仍须作进一步的研究。工作在-200℃或-250℃以上的实验室必须更换它们的某些标准。例如，用IPTS-68通常到550℃的PRT可能不适用于660℃的分度，在660℃以上也须有新的标准来检定接触式温度计。在这方面，除PRT以外，金-铂热偶是另一个可供选择的标准。在962℃以上，辐射测温法并不总是最方便的方法。作为ITS-90的近似技术，有时使用Pt10Rh-Pt和R13Rh-Pt热偶要方便得多。它们可以获得士0.3℃的准确度。

为了将国际实用温标从定义变成现实的温度标准，许多国家都由本国的国家计量机构负责实现国际实用温标，并通过经常的国际对比，以保证国际间温度量值的统一。中国计量科学研究院用一套实物（包括实现温标固定点的装置和基准温度计组）来复现国际实用温标，并以此作为中国温度计量的最高标准。为了统一全国的温度量值，还建立了一套传递检定系统。在基准温度计下面，设有一等和二等标准温度计，通过逐级检定，将中国计量科学研究院所建立和保存的国际实用温标传递到各部门和各地区。一切新生产和使用中的温度计（包括测温仪表），都应进行定期的检定，以保证其示值符合国际实用温标。

工业温度计量标准像热电偶和铂镍铜电阻温度计的国际分度表必须要修改。在有些情况下，修改包括直接的数学转换，以考虑ITS-90所引入的数值差，同时也得考虑消除一阶导数的不连续性。在这方面，修改分度表的活动将由国际电工委员会（IEC)、法制计量国际组织(LOLM)以及各国计量标准管理机构主持和推动。目前，国际计量学界又在酝酿修改国际实用温标。总之，随着科学技术的进步，国际实用温标应该不断修改。但是，作为一种使用很广泛的国际标准,又应当保持相对的稳定性，修改不宜过于频繁。