溫度計量技術的發展與應用

陳曉雷

摘 要：隨著近代工業、農業生產的不斷發展與進步，尤其是冶金、化學工業的飛速發展，其對溫度計量的要求也越來越高。但近10年來溫度計量技術的發展不太引人注目，未出現較為突出的突破性技術進展，一方面是由于ITS-90的實施解決了較多傳統的溫標問題，且需要一個實施穩定期；另一方面是由于溫度測量技術發展較早，相對工作生產的其他參數更加成熟，可基本解決儀表及方法等問題，因此，該文主要針對如何將ITS-90更方便、準確地傳遞到工作用的溫度計，并在溫度計量中融入高新信息技術，解決傳統技術難以實現的測溫問題等內容進行綜述分析。

關鍵詞：溫度計量 ITS-90 技術綜述

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A 文章編號：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年業溫度計量技術的發展相對緩慢，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進展，甚至連比較成熟的商品化新產品也為數不多。糾其原因可能有兩個方面：一方面由于ITS-90實施解決了90溫標提出的主要問題，而新的國際溫標的實施需要一個相對較長的穩定期，針對溫標的研究仍然在探索中。ITS-90于20世紀90年代開始實施，其所定義的溫度范圍從0.65 K向上直至應用普朗克輻射定律使用單色輻射高溫計實際可測得的最高溫度，并未設定上限。ITS-90共采用17個定義固定點，仍然分為4個溫區，0.65 K到5.0 K之間，T90由3He和4He的蒸汽壓與溫度的關系式來定義。由3.0 K到氖的三相點（24.55 61 K）之間，T90是使用3個定義固定點及規定的內插方法用氦氣體溫度計來定義。平衡氫三相點（13.803 3 K）到銀凝固點（961.78 ℃）之間，T90是使用一組定義固定點及規定的內插方法用鉑電阻溫度計來定義。另一方面，在工業生產領域，相對于流量、物位等參數，溫度測量的發展更早，而溫度更是計量的基本量之一，應用目前的儀表、方法可解決生產中的大部分問題，因此，對溫度計量的研究重點更加側重于如何將ITS-90更準確、方便地傳遞到工作用的溫度計，并實現溫度計量與高新信息技術的融合，更好地解決傳統技術難以實現的測溫問題。

2 溫度固定點研究進展

在國際溫標中，固定點的確定標準是以物質的相變過程為依據的，在物質發生相變時會存在一個特定的溫度，一般情況下如固相與液相共存，凝固點即其凝固時的溫度，熔解點即為熔解時的溫度，而液態與蒸汽在標準大氣壓下沸點共存，如，壓強、溫度固定，三相點即固態、液態、汽態三相共存的溫度。但是現階段溫標定義點的固定點仍在不斷改進，除此之外，高溫非定義固定點、實用小型固定裝置的發展也成為溫度計量研究的熱點問題。

2.1 高溫非定義固定點

ITS-90中定義固定點溫度最高的是銅凝固點，為1 084.62 ℃，高于該固定點的溫度溫標采用輻射法外推定義。盡管現階段CCT補充了一系列溫度更高的純金屬相變點，稱其為第二類固定點，但其溫度仍不夠高，并且較難制成定點輻射黑體，故很多國家將研究重點放在金屬-碳共晶點方面，以使可以在銅點到2 500 ℃之間實現一系列定點黑體。后續金屬-碳共晶點可用于輻射溫度計的校準，可代替溫燈作為傳遞標準等；如果采用這些點后續溫標的不確定度可能會有所下降。

2.2 實用小型固定點裝置

與ITS-90中國家計量標準實驗室所用的固定點裝置相比，實用小型固定點裝置的溫度不確定度相對較大，但是與通常比較法校準所產生的不確定度相比卻遠遠小于前者。近年來中溫范圍發展了水三相點、金屬定點裝置等一系列小型固定點裝置，其不確定度較小，金屬凝固點的不確定度優于1 mK。還有一些便攜式的、小型固定點裝置，主要適用于工業現場對溫度計進行周期性檢測；此外，這些裝置上還配有控制裝置、顯示裝置及專用的計算機軟件，提高其適用性。

3 輻射測溫技術的發展

由相關研究報道可知，紅外線主要來自于物質的熱運動，由此可見，紅外輻射其物理本質為熱輻射，因此，輻射量主要由物體的溫度、物體材料的性質等參數決定的，即溫度決定著熱輻射現象，黑體輻射的普遍規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、絕對溫度之間有直接相關性，因此，可通過普朗克公式導出其他黑體輻射定律。商用隱絲式光學高溫計在20世紀初被制造出來，其原理是熱物體的光譜輻射亮度會隨著溫度的升高而增強，目視即可觀察受測物體，觀測其是否與被標定過的高溫計小燈泡亮度保持平衡來實現其溫度的測量。由于輻射高溫計的這一工作原理，其至今仍應用于實驗室及工業現場中，不過實驗室所用的輻射高溫計多用準確度更高的光電高溫計，工作現場則多應用紅外測溫儀。

4 自動化系統中的溫度檢測儀表

工業溫度計主要應用于工業生產，而工業自動化控制系統通常需要包括溫度計量器具與其他參數檢測器具。不過在同一個系統中無論使用何種溫度計，均需將其輸出信號轉變成統一的電信號，由此可見，在工業自動化控制系統中的溫度計是某種意義的溫度變送器，比如：基于現場總線的控制系統主要應用熱電偶變送器、熱電阻變送器或輻射溫度變送器等。一般情況下，自動化系統中的溫度檢測儀表要具備數字化的特點，可遵循不同總線類型規定的通信規則制度，實現雙向通信的功能；具備自動補償、自動校正等智能功能，此外一些特殊場合還要具備現場模擬指示等。自動化系統的溫度檢測儀器還要滿足系統對電磁兼容性的要求，且電源與信息要保持傳輸的一致性。此外，還要滿足系統要求的其他特性與功能，現場總線技術是一種數字式、串行、多點通信的數據總線，其與現場裝置和控制室內的自控裝置通過溫度檢測儀表實現與現場總線的連接，而在系統中這些特性與功能可能比溫度測量的準確度意義更為重大。

總之，在人們日常生活、工業生產及科學實驗中，溫度計量不僅應用廣泛，且地位重要，尤其是在工業生產中，溫度計量實現了質檢流程的簡化，大大提高了工業生產的效率。由此可見，溫度計量的應用具有廣泛性、重要性的優勢，因此，加強溫度計量技術的研究具有重要意義。

參考文獻

[1] 凌善康，李瑞生，王梓林，等.我國溫度計量標準的研究進展[J].物理，2014（1）：103-105.

[2] 韓隆恒.氣動試驗中低溫等離子體的溫度計量及展望[J].流體力學實驗與測量，2016（1）：135-137.