國際實用溫標的發(fā)展與現(xiàn)狀

白召軍 武亞磊 姜新建

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

國際實用溫標的發(fā)展與現(xiàn)狀

白召軍 武亞磊 姜新建

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

文章在國際實用溫標的發(fā)展歷程的基礎上，分析國際實用溫標的實驗方法及測定，探究了國際實用溫標的應用和發(fā)展。

國際溫標；熱力學溫度；光譜輻射法

0 引言

國際實用溫標是以一些可復現(xiàn)的平衡態(tài)（定義固定點）的溫度指定值，以及在這些固定點上分度的標準內(nèi)插儀器作為基礎的。固定點之間的溫度，由內(nèi)插公式確定。定義固定點是一些純物質(zhì)的相平衡態(tài)，是國際間的協(xié)議性溫標，是世界上溫度數(shù)值的統(tǒng)一標準。一切溫度計的示值和溫度測量的結(jié)果（極少數(shù)理論研究和熱力學溫度測量除外）都應該表示成國際實用溫標溫度，它的溫度數(shù)值可以表示成開爾文溫度或攝氏溫度的數(shù)值[1]。從定義方法來看，國際實際溫標是一種經(jīng)驗溫標。但它是以熱力學溫度為標準而制定的,是熱力學溫度的一種近似，這是國際實際溫標與歷史上各種經(jīng)驗溫標的根本區(qū)別[2]。

1 國際實用溫標的演變與發(fā)展

國際實用溫標必須滿足三個基本條件：盡可能和熱力學溫標一致；復現(xiàn)性高，各國都能以很高的準確度復現(xiàn)同樣的溫度,以保證溫度量值的統(tǒng)一；規(guī)定用于實現(xiàn)溫標的溫度計使用起來方便。因此，國際實用溫標是與熱力學溫度最接近的溫標，是方便而實用的溫標。國際實用溫標是一些可復現(xiàn)的平衡態(tài)(定義固定點)為指定溫度值，并在這些溫度點所確定的溫區(qū)進行分度的標準儀器。在各固定點溫度之間，由內(nèi)插公式使標準儀器的指示值與國際實用溫度值相聯(lián)系，因此，固定點、標準儀器和內(nèi)插公式號稱國際實用溫標三要素。

1927年的第七屆國際計量大會正式通過了近代第一個國際溫標，稱為1927年國際溫標(簡記為ITS-27)。當時制定這個溫標的目的，在于克服由氣體溫度計直接復現(xiàn)熱力學溫度所造成的實際困難，同時作為一個普遍能接受的溫標代替當時存在的不同的各國自行設立的國家溫標。該溫標的建立，使世界有了第一個統(tǒng)一的溫度標準。ITS-27是用氣體溫度計定義,并分別采用鉑電阻溫度計(660℃以下，以后改為630.5℃)、熱電偶（630.5～1 064.13℃）和光學高溫計（1 064℃以上）來復現(xiàn)，且借助一系列公式進行插補與外推。溫標的下限為90.188 K(氧沸點)。

1948年的國際計量大會對1927年國際溫標作了九處重大修改，稱之為1948年國際溫標(簡記為ITS-48)。復現(xiàn)溫標的實驗程序?qū)嵸|(zhì)上保持不變，但在1948年的國際溫標定義中,兩個修正卻使被測溫度數(shù)值有較大的變化。這兩個修正是：銀的凝固點由960.5℃改為960.8℃,這使標準熱電偶的測溫值發(fā)生變化，在接近800℃處的最大差值約為0.4 K。對于輻射常數(shù)C2，采用0.014 38 m·K代替0.014 32 m·K，這使金凝固點以上的溫度全變了。用普朗克輻射公式代替維思公式時又進一步影響到高溫區(qū)的溫度值：金凝固點上的溫度值減小了，如在1 500℃時減小2.2 K，在2 000℃時減小6 K。

1960年的第十一屆國際計量大會，又對ITS-48作了六點修正,并更名為1948年國際實用溫標(1960年修訂版，簡記為ITS-48)。1968年10月，國際計量委員會對ITS-48進行了八處重要修改，從而建立了1968年國際實用溫標。該溫標的下限是13.81 K，這遠遠不能滿足低溫領(lǐng)域的測溫要求。1969年開始實行的1968年國際實用溫標，對舊溫標作了一系列重要的修改：溫標的下限由氧沸點（約90 K）延伸到氫三相點(13.81 K)；修改了定義固定點的溫度指定值和內(nèi)插公式，使國際實用溫標溫度更接近于相應的熱力學溫度；采用了第二輻射常數(shù)的新的更加準確的數(shù)值。

1978年5月，國際計最委員會(CIPM)所屬溫度咨詢委員會(CCT)在召開的第十二次會議上批準了一個新溫標,這就是“l(fā)976年0.5-30 K暫行溫標”，簡記為“EPT-76”。該溫標把IPTS-68的下限延伸到0.5 K，而在27.1 K處與ITS-68相接。在它們相互重迭的部分，即13.81 K-30 K,EPT-76并不取代ITS-68,但在要求測量具有平滑性的場合以使用EPT-76為好[3]。

國際度量衡委員會在1989年9月召開的會議上采納了ITS-90溫標。用這個溫標取代1968年國際實用溫標(IPTS-68)，已于1990年l月1日起生效。ITS-90比以往的溫標（IPTS-68、IPTS-48等）更接近于熱力學溫標。ITS-90制定的內(nèi)容是近代科學發(fā)展的結(jié)晶，而ITS-90的實施反過來又服務并推動科學技術(shù)的發(fā)展[4]。

2 國際實用溫標的應用現(xiàn)狀

ITS-90生效后，各國家實驗室紛紛研制新儀器、新設備、探討新的實驗方法，努力全面復現(xiàn)ITS-90,與此同時也探討了ITS-90現(xiàn)存的問題及解決辦法[5]。

2.1 熱力學溫度測定

固定點的熱力學溫度值是ITS-90的基礎。文本中的固定值是1989年9月最后定下來的。由于時間緊，有些數(shù)據(jù)是不充分的，缺乏旁證。400 730 K之間的熱力學值存在一些問題，錫點及鋅點值由美國NIST定容氣體溫度計給出，但他們的兩階段實驗結(jié)果不同，在錫點相差10 mK，在730 K相差30 mK。這些差值相當大，直接影響此段溫區(qū)的準確度及鉑電阻溫度計的參考函數(shù)。另外，Cu、Au、Ag、AI點也需重新測定。德國PTB用光電輻射法也重新測定了Au-Ag間隔，與ITS-90相差16 mK，即以銀點為參考點的金點熱力學值應為1 337.346 K，而ITS-90規(guī)定金點值為1 337.330 K。國際計量局溫度咨詢委員會(CCT)希望有條件的國家實驗室繼續(xù)進行熱力學溫度的研究工作。

2.2 尋找新的固定點，改善溫標內(nèi)插公式的準確性

這次ITS-90增加了一些新的固定點，如Ne、Hg、Ga、In、AI、Cu。但有些固定點間隔過大，使內(nèi)插公式的準確度受到一定影響。為此，一些實驗室正在探索新的固定點，測定它們的復現(xiàn)性。例如，660～962℃溫度區(qū)間無固定點，中國測試技術(shù)研究院對氯化鈉(NaCI)進行了測定,其凝固溫度約為801.91℃，不確定度為60 mK。另外，Ag-Cu共熔合金(779℃)也是大家關(guān)注的固定點。最近，加拿大NRC研制成功AI-Cu合金(549℃)固定點容器，復現(xiàn)性與純金屬相同。俄羅斯(VNHM)正尋找室溫附近固定點,采用Ga-In合金(20.476℃)進行了測定。英、美、加、意、中等國在低溫領(lǐng)域進行了新固定點研究，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固定點。而Xe三相點處在Ar、Hg三相點之間，也是很有前途的固定點。

2.3 溫標的非唯一性

溫標的非唯一性是當前溫標復現(xiàn)中最引人注目的問題,鉑電阻溫區(qū)的非唯一性是研究的重點。溫度計的非唯一性是溫標復現(xiàn)誤差來源之一，是歷屆溫標中不可避免的。溫度計的非唯一性是指不同的溫度計，在測量非因定點溫度的同一熱狀態(tài)，獲得不同的溫度值。溫度計的非唯一性是由于溫度計本身特性不同引起的，而非實驗誤差。除此之外，ITS-90尚存一新的誤差源，即子溫區(qū)的非一致性，有時稱子溫區(qū)的非唯一性。ITS-90為了獲得使用的靈活性，制定了有一定重疊范圍的多個溫區(qū)和子溫區(qū)，它們具有同樣的定義地位。與此同時，不可避免地引進了溫區(qū)和子溫區(qū)間的不一致性，即用同一支溫度計測量同一熱狀態(tài)，用不同溫區(qū)的定義公式獲得多個溫度值。近幾年，美國NIST、意大利IMGC及中國的NIM在這方面作了大量的實驗研究及分析。NIST用5支0.25n和2.5標準鉑電阻溫度計(SPRT),在273～933 K分度，其溫度計的不一致性在Cd點為4.35 mK，In點為5.91 mK，Ga點為2.90 mK。在273～692 K分度與在273～1235 K溫區(qū)分度相比，其差值Cd點為3.92 mK，In點為2.38 mK。NIM在13～273 K之間測定溫度計的非唯一性，以基準溫度計為準，測定其他七支溫度計的數(shù)據(jù)。測量結(jié)果表明，非唯一性最大值為l mK。

2.4 光譜輻射法熱力學溫度測定

近年來，德、英、美等國采用絕對光譜輻射法測定熱力學溫度值，是溫標研究中的最新動向。特別是低溫光譜輻射計的采用，也許會帶來熱力學溫度測定的新突破。此種方法無需再用參考點溫度，亦即拋開了熱力學溫度的唯一定義點——水三相點(0.01℃)。熱力學溫度值根據(jù)普朗克輻射定律及物理常數(shù)測定。在液氦溫度下工作的低溫輻射計是提高測量準確度的重要手段。采用低溫輻射計,穩(wěn)定的激光光源，用電功率替代法獲得輻射功率的測量；然后分度硅光探測器，并用它測定黑體固定點的輻射功率；用普朗克輻射定律及物理常數(shù)計算出固定點的熱力學溫度值。美國NIST及英國NPL用常溫絕對輻射計，不用任何參考點，獨立地測出Au、Ag、AI的熱力學值，這些值是獨立于水三相點的。目前此種方法主要用于高溫固定點，彌補了氣體溫度計高溫測量的缺陷。

2.5 國際實用溫標的復現(xiàn)性

各國標準實驗室和一些研究機構(gòu)進行了很多工作得以復現(xiàn)ITS-90，特別是復現(xiàn)0.65 K到13.S K之間的新溫標或者0.65 K與24.6 K之間的新溫標。由于定容內(nèi)插氣體溫度計從未被采用過，所以在采取ITS-90之前，有些實驗室必須建立它。接下來的工作是對一些標準傳遞溫度計例如銠-鐵電阻溫度計進行研制，以適應新的要求。此外，在復現(xiàn)之后，各實驗室之間進行溫標比對是必要的，包括3He和4He蒸汽壓溫標。在比對中，可以從使用超導轉(zhuǎn)變裝置和密封容器得到益處。盡管對ITS-90的所有定義固定點都進行過仔細的研究，但它們中的某些點如汞三相點。錮凝固點。銀、金和銅凝固點仍須作進一步的研究。工作在-200℃或-250℃以上的實驗室必須更換它們的某些標準。例如，用IPTS-68通常到550℃的PRT可能不適用于660℃的分度，在660℃以上也須有新的標準來檢定接觸式溫度計。在這方面，除PRT以外，金-鉑熱偶是另一個可供選擇的標準。在962℃以上，輻射測溫法并不總是最方便的方法。作為ITS-90的近似技術(shù)，有時使用Pt10Rh-Pt和R13Rh-Pt熱偶要方便得多。它們可以獲得士0.3℃的準確度。

為了將國際實用溫標從定義變成現(xiàn)實的溫度標準，許多國家都由本國的國家計量機構(gòu)負責實現(xiàn)國際實用溫標，并通過經(jīng)常的國際對比，以保證國際間溫度量值的統(tǒng)一。中國計量科學研究院用一套實物（包括實現(xiàn)溫標固定點的裝置和基準溫度計組）來復現(xiàn)國際實用溫標，并以此作為中國溫度計量的最高標準。為了統(tǒng)一全國的溫度量值，還建立了一套傳遞檢定系統(tǒng)。在基準溫度計下面，設有一等和二等標準溫度計，通過逐級檢定，將中國計量科學研究院所建立和保存的國際實用溫標傳遞到各部門和各地區(qū)。一切新生產(chǎn)和使用中的溫度計（包括測溫儀表），都應進行定期的檢定，以保證其示值符合國際實用溫標。

工業(yè)溫度計量標準像熱電偶和鉑鎳銅電阻溫度計的國際分度表必須要修改。在有些情況下，修改包括直接的數(shù)學轉(zhuǎn)換，以考慮ITS-90所引入的數(shù)值差，同時也得考慮消除一階導數(shù)的不連續(xù)性。在這方面，修改分度表的活動將由國際電工委員會（IEC)、法制計量國際組織(LOLM)以及各國計量標準管理機構(gòu)主持和推動。目前，國際計量學界又在醞釀修改國際實用溫標?？傊?，隨著科學技術(shù)的進步，國際實用溫標應該不斷修改。但是，作為一種使用很廣泛的國際標準,又應當保持相對的穩(wěn)定性，修改不宜過于頻繁。

3 總結(jié)

為了更好地統(tǒng)一國際間的溫度量值，國際社會做了很多工作。從1927年建立第一個國際溫標以來的半個多世紀中,溫標經(jīng)過幾次修訂，這幾次修訂都是為了使國際實用溫標與熱力學溫標趨于一致，使用定點復現(xiàn)性更高，同時使插補用的溫度計使用起來更加方便，測溫下限也不斷向下延伸，以滿足低溫領(lǐng)域的測溫要求。

[1]李芝芬.國際實用溫標（IPTS-68）和水的三相點測定的淵源[J].大氣化學,1990，(5)：58-60.

[2]凌善康，趙琪.溫度－溫標及其復現(xiàn)方法[M].計量出版社，1984：45-51.

[3]周文昌，國際實用溫標[J].低溫與超導，1985，（27）：37-41.

[4]宋德華，1990年國際溫標的由來與發(fā)展（一）[J].低溫與特氣，1992，（2）：64-67

[5]Preton-ThomasH.Quinn T.J.The International Temperature Scale of1990：PartI[J].TMCSI，1992，（6）：63.

[6]Rusby R.L，et al.A Review ofProgressin the Measurement ofThermodynamic.Temperature[J].TMCSI，1992，（6）：9.