溫度計(jì)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

陳曉雷

摘 要：隨著近代工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，尤其是冶金、化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，其對(duì)溫度計(jì)量的要求也越來越高。但近10年來溫度計(jì)量技術(shù)的發(fā)展不太引人注目，未出現(xiàn)較為突出的突破性技術(shù)進(jìn)展，一方面是由于ITS-90的實(shí)施解決了較多傳統(tǒng)的溫標(biāo)問題，且需要一個(gè)實(shí)施穩(wěn)定期；另一方面是由于溫度測(cè)量技術(shù)發(fā)展較早，相對(duì)工作生產(chǎn)的其他參數(shù)更加成熟，可基本解決儀表及方法等問題，因此，該文主要針對(duì)如何將ITS-90更方便、準(zhǔn)確地傳遞到工作用的溫度計(jì)，并在溫度計(jì)量中融入高新信息技術(shù)，解決傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫問題等內(nèi)容進(jìn)行綜述分析。

關(guān)鍵詞：溫度計(jì)量 ITS-90 技術(shù)綜述

中圖分類號(hào)：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0074-02

1 研究背景

受各種客觀因素、主觀因素的影響，近10年業(yè)溫度計(jì)量技術(shù)的發(fā)展相對(duì)緩慢，不僅沒有較為引人注目的研究成果，而且缺乏突破性的技術(shù)進(jìn)展，甚至連比較成熟的商品化新產(chǎn)品也為數(shù)不多。糾其原因可能有兩個(gè)方面：一方面由于ITS-90實(shí)施解決了90溫標(biāo)提出的主要問題，而新的國(guó)際溫標(biāo)的實(shí)施需要一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的穩(wěn)定期，針對(duì)溫標(biāo)的研究仍然在探索中。ITS-90于20世紀(jì)90年代開始實(shí)施，其所定義的溫度范圍從0.65 K向上直至應(yīng)用普朗克輻射定律使用單色輻射高溫計(jì)實(shí)際可測(cè)得的最高溫度，并未設(shè)定上限。ITS-90共采用17個(gè)定義固定點(diǎn)，仍然分為4個(gè)溫區(qū)，0.65 K到5.0 K之間，T90由3He和4He的蒸汽壓與溫度的關(guān)系式來定義。由3.0 K到氖的三相點(diǎn)（24.55 61 K）之間，T90是使用3個(gè)定義固定點(diǎn)及規(guī)定的內(nèi)插方法用氦氣體溫度計(jì)來定義。平衡氫三相點(diǎn)（13.803 3 K）到銀凝固點(diǎn)（961.78 ℃）之間，T90是使用一組定義固定點(diǎn)及規(guī)定的內(nèi)插方法用鉑電阻溫度計(jì)來定義。另一方面，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，相對(duì)于流量、物位等參數(shù)，溫度測(cè)量的發(fā)展更早，而溫度更是計(jì)量的基本量之一，應(yīng)用目前的儀表、方法可解決生產(chǎn)中的大部分問題，因此，對(duì)溫度計(jì)量的研究重點(diǎn)更加側(cè)重于如何將ITS-90更準(zhǔn)確、方便地傳遞到工作用的溫度計(jì)，并實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)量與高新信息技術(shù)的融合，更好地解決傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)溫問題。

2 溫度固定點(diǎn)研究進(jìn)展

在國(guó)際溫標(biāo)中，固定點(diǎn)的確定標(biāo)準(zhǔn)是以物質(zhì)的相變過程為依據(jù)的，在物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)會(huì)存在一個(gè)特定的溫度，一般情況下如固相與液相共存，凝固點(diǎn)即其凝固時(shí)的溫度，熔解點(diǎn)即為熔解時(shí)的溫度，而液態(tài)與蒸汽在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)共存，如，壓強(qiáng)、溫度固定，三相點(diǎn)即固態(tài)、液態(tài)、汽態(tài)三相共存的溫度。但是現(xiàn)階段溫標(biāo)定義點(diǎn)的固定點(diǎn)仍在不斷改進(jìn)，除此之外，高溫非定義固定點(diǎn)、實(shí)用小型固定裝置的發(fā)展也成為溫度計(jì)量研究的熱點(diǎn)問題。

2.1 高溫非定義固定點(diǎn)

ITS-90中定義固定點(diǎn)溫度最高的是銅凝固點(diǎn)，為1 084.62 ℃，高于該固定點(diǎn)的溫度溫標(biāo)采用輻射法外推定義。盡管現(xiàn)階段CCT補(bǔ)充了一系列溫度更高的純金屬相變點(diǎn)，稱其為第二類固定點(diǎn)，但其溫度仍不夠高，并且較難制成定點(diǎn)輻射黑體，故很多國(guó)家將研究重點(diǎn)放在金屬-碳共晶點(diǎn)方面，以使可以在銅點(diǎn)到2 500 ℃之間實(shí)現(xiàn)一系列定點(diǎn)黑體。后續(xù)金屬-碳共晶點(diǎn)可用于輻射溫度計(jì)的校準(zhǔn)，可代替溫?zé)糇鳛閭鬟f標(biāo)準(zhǔn)等；如果采用這些點(diǎn)后續(xù)溫標(biāo)的不確定度可能會(huì)有所下降。

2.2 實(shí)用小型固定點(diǎn)裝置

與ITS-90中國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室所用的固定點(diǎn)裝置相比，實(shí)用小型固定點(diǎn)裝置的溫度不確定度相對(duì)較大，但是與通常比較法校準(zhǔn)所產(chǎn)生的不確定度相比卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者。近年來中溫范圍發(fā)展了水三相點(diǎn)、金屬定點(diǎn)裝置等一系列小型固定點(diǎn)裝置，其不確定度較小，金屬凝固點(diǎn)的不確定度優(yōu)于1 mK。還有一些便攜式的、小型固定點(diǎn)裝置，主要適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行周期性檢測(cè)；此外，這些裝置上還配有控制裝置、顯示裝置及專用的計(jì)算機(jī)軟件，提高其適用性。

3 輻射測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展

由相關(guān)研究報(bào)道可知，紅外線主要來自于物質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)，由此可見，紅外輻射其物理本質(zhì)為熱輻射，因此，輻射量主要由物體的溫度、物體材料的性質(zhì)等參數(shù)決定的，即溫度決定著熱輻射現(xiàn)象，黑體輻射的普遍規(guī)律可通過普朗克公式描述出來，由普朗克公式可知，黑體的單色輻射通量、波長(zhǎng)、絕對(duì)溫度之間有直接相關(guān)性，因此，可通過普朗克公式導(dǎo)出其他黑體輻射定律。商用隱絲式光學(xué)高溫計(jì)在20世紀(jì)初被制造出來，其原理是熱物體的光譜輻射亮度會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)，目視即可觀察受測(cè)物體，觀測(cè)其是否與被標(biāo)定過的高溫計(jì)小燈泡亮度保持平衡來實(shí)現(xiàn)其溫度的測(cè)量。由于輻射高溫計(jì)的這一工作原理，其至今仍應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，不過實(shí)驗(yàn)室所用的輻射高溫計(jì)多用準(zhǔn)確度更高的光電高溫計(jì)，工作現(xiàn)場(chǎng)則多應(yīng)用紅外測(cè)溫儀。

4 自動(dòng)化系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)儀表

工業(yè)溫度計(jì)主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)通常需要包括溫度計(jì)量器具與其他參數(shù)檢測(cè)器具。不過在同一個(gè)系統(tǒng)中無論使用何種溫度計(jì)，均需將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的電信號(hào)，由此可見，在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的溫度計(jì)是某種意義的溫度變送器，比如：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)主要應(yīng)用熱電偶變送器、熱電阻變送器或輻射溫度變送器等。一般情況下，自動(dòng)化系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)儀表要具備數(shù)字化的特點(diǎn)，可遵循不同總線類型規(guī)定的通信規(guī)則制度，實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能；具備自動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)校正等智能功能，此外一些特殊場(chǎng)合還要具備現(xiàn)場(chǎng)模擬指示等。自動(dòng)化系統(tǒng)的溫度檢測(cè)儀器還要滿足系統(tǒng)對(duì)電磁兼容性的要求，且電源與信息要保持傳輸?shù)囊恢滦?。此外，還要滿足系統(tǒng)要求的其他特性與功能，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一種數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，其與現(xiàn)場(chǎng)裝置和控制室內(nèi)的自控裝置通過溫度檢測(cè)儀表實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線的連接，而在系統(tǒng)中這些特性與功能可能比溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度意義更為重大。

總之，在人們?nèi)粘Ｉ睢⒐I(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度計(jì)量不僅應(yīng)用廣泛，且地位重要，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度計(jì)量實(shí)現(xiàn)了質(zhì)檢流程的簡(jiǎn)化，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。由此可見，溫度計(jì)量的應(yīng)用具有廣泛性、重要性的優(yōu)勢(shì)，因此，加強(qiáng)溫度計(jì)量技術(shù)的研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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