白召軍 武亞磊 姜新建

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

國際實(shí)用溫標(biāo)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(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

文章在國際實(shí)用溫標(biāo)的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，分析國際實(shí)用溫標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)定，探究了國際實(shí)用溫標(biāo)的應(yīng)用和發(fā)展。

國際溫標(biāo)；熱力學(xué)溫度；光譜輻射法

0 引言

國際實(shí)用溫標(biāo)是以一些可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)（定義固定點(diǎn)）的溫度指定值，以及在這些固定點(diǎn)上分度的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)插儀器作為基礎(chǔ)的。固定點(diǎn)之間的溫度，由內(nèi)插公式確定。定義固定點(diǎn)是一些純物質(zhì)的相平衡態(tài)，是國際間的協(xié)議性溫標(biāo)，是世界上溫度數(shù)值的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。一切溫度計(jì)的示值和溫度測(cè)量的結(jié)果（極少數(shù)理論研究和熱力學(xué)溫度測(cè)量除外）都應(yīng)該表示成國際實(shí)用溫標(biāo)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(shí)際溫標(biāo)是一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。但它是以熱力學(xué)溫度為標(biāo)準(zhǔn)而制定的,是熱力學(xué)溫度的一種近似，這是國際實(shí)際溫標(biāo)與歷史上各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的根本區(qū)別[2]。

1 國際實(shí)用溫標(biāo)的演變與發(fā)展

國際實(shí)用溫標(biāo)必須滿足三個(gè)基本條件：盡可能和熱力學(xué)溫標(biāo)一致；復(fù)現(xiàn)性高，各國都能以很高的準(zhǔn)確度復(fù)現(xiàn)同樣的溫度,以保證溫度量值的統(tǒng)一；規(guī)定用于實(shí)現(xiàn)溫標(biāo)的溫度計(jì)使用起來方便。因此，國際實(shí)用溫標(biāo)是與熱力學(xué)溫度最接近的溫標(biāo)，是方便而實(shí)用的溫標(biāo)。國際實(shí)用溫標(biāo)是一些可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)(定義固定點(diǎn))為指定溫度值，并在這些溫度點(diǎn)所確定的溫區(qū)進(jìn)行分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器。在各固定點(diǎn)溫度之間，由內(nèi)插公式使標(biāo)準(zhǔn)儀器的指示值與國際實(shí)用溫度值相聯(lián)系，因此，固定點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)儀器和內(nèi)插公式號(hào)稱國際實(shí)用溫標(biāo)三要素。

1927年的第七屆國際計(jì)量大會(huì)正式通過了近代第一個(gè)國際溫標(biāo)，稱為1927年國際溫標(biāo)(簡(jiǎn)記為ITS-27)。當(dāng)時(shí)制定這個(gè)溫標(biāo)的目的，在于克服由氣體溫度計(jì)直接復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫度所造成的實(shí)際困難，同時(shí)作為一個(gè)普遍能接受的溫標(biāo)代替當(dāng)時(shí)存在的不同的各國自行設(shè)立的國家溫標(biāo)。該溫標(biāo)的建立，使世界有了第一個(gè)統(tǒng)一的溫度標(biāo)準(zhǔn)。ITS-27是用氣體溫度計(jì)定義,并分別采用鉑電阻溫度計(jì)(660℃以下，以后改為630.5℃)、熱電偶（630.5～1 064.13℃）和光學(xué)高溫計(jì)（1 064℃以上）來復(fù)現(xiàn)，且借助一系列公式進(jìn)行插補(bǔ)與外推。溫標(biāo)的下限為90.188 K(氧沸點(diǎn))。

1948年的國際計(jì)量大會(huì)對(duì)1927年國際溫標(biāo)作了九處重大修改，稱之為1948年國際溫標(biāo)(簡(jiǎn)記為ITS-48)。復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的實(shí)驗(yàn)程序?qū)嵸|(zhì)上保持不變，但在1948年的國際溫標(biāo)定義中,兩個(gè)修正卻使被測(cè)溫度數(shù)值有較大的變化。這兩個(gè)修正是：銀的凝固點(diǎn)由960.5℃改為960.8℃,這使標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的測(cè)溫值發(fā)生變化，在接近800℃處的最大差值約為0.4 K。對(duì)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(diǎn)以上的溫度全變了。用普朗克輻射公式代替維思公式時(shí)又進(jìn)一步影響到高溫區(qū)的溫度值：金凝固點(diǎn)上的溫度值減小了，如在1 500℃時(shí)減小2.2 K，在2 000℃時(shí)減小6 K。

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

1978年5月，國際計(jì)最委員會(huì)(CIPM)所屬溫度咨詢委員會(huì)(CCT)在召開的第十二次會(huì)議上批準(zhǔn)了一個(gè)新溫標(biāo),這就是“l(fā)976年0.5-30 K暫行溫標(biāo)”，簡(jiǎn)記為“EPT-76”。該溫標(biāo)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(cè)量具有平滑性的場(chǎng)合以使用EPT-76為好[3]。

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

2 國際實(shí)用溫標(biāo)的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

2.1 熱力學(xué)溫度測(cè)定

固定點(diǎn)的熱力學(xué)溫度值是ITS-90的基礎(chǔ)。文本中的固定值是1989年9月最后定下來的。由于時(shí)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(xué)值存在一些問題，錫點(diǎn)及鋅點(diǎn)值由美國NIST定容氣體溫度計(jì)給出，但他們的兩階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，在錫點(diǎn)相差10 mK，在730 K相差30 mK。這些差值相當(dāng)大，直接影響此段溫區(qū)的準(zhǔn)確度及鉑電阻溫度計(jì)的參考函數(shù)。另外，Cu、Au、Ag、AI點(diǎn)也需重新測(cè)定。德國PTB用光電輻射法也重新測(cè)定了Au-Ag間隔，與ITS-90相差16 mK，即以銀點(diǎn)為參考點(diǎn)的金點(diǎn)熱力學(xué)值應(yīng)為1 337.346 K，而ITS-90規(guī)定金點(diǎn)值為1 337.330 K。國際計(jì)量局溫度咨詢委員會(huì)(CCT)希望有條件的國家實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行熱力學(xué)溫度的研究工作。

2.2 尋找新的固定點(diǎn)，改善溫標(biāo)內(nèi)插公式的準(zhǔn)確性

這次ITS-90增加了一些新的固定點(diǎn)，如Ne、Hg、Ga、In、AI、Cu。但有些固定點(diǎn)間隔過大，使內(nèi)插公式的準(zhǔn)確度受到一定影響。為此，一些實(shí)驗(yàn)室正在探索新的固定點(diǎn)，測(cè)定它們的復(fù)現(xiàn)性。例如，660～962℃溫度區(qū)間無固定點(diǎn)，中國測(cè)試技術(shù)研究院對(duì)氯化鈉(NaCI)進(jìn)行了測(cè)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(diǎn)。最近，加拿大NRC研制成功AI-Cu合金(549℃)固定點(diǎn)容器，復(fù)現(xiàn)性與純金屬相同。俄羅斯(VNHM)正尋找室溫附近固定點(diǎn),采用Ga-In合金(20.476℃)進(jìn)行了測(cè)定。英、美、加、意、中等國在低溫領(lǐng)域進(jìn)行了新固定點(diǎn)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(diǎn)。而Xe三相點(diǎn)處在Ar、Hg三相點(diǎn)之間，也是很有前途的固定點(diǎn)。

2.3 溫標(biāo)的非唯一性

溫標(biāo)的非唯一性是當(dāng)前溫標(biāo)復(fù)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(diǎn)。溫度計(jì)的非唯一性是溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)誤差來源之一，是歷屆溫標(biāo)中不可避免的。溫度計(jì)的非唯一性是指不同的溫度計(jì)，在測(cè)量非因定點(diǎn)溫度的同一熱狀態(tài)，獲得不同的溫度值。溫度計(jì)的非唯一性是由于溫度計(jì)本身特性不同引起的，而非實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)溫區(qū)和子溫區(qū)，它們具有同樣的定義地位。與此同時(shí)，不可避免地引進(jìn)了溫區(qū)和子溫區(qū)間的不一致性，即用同一支溫度計(jì)測(cè)量同一熱狀態(tài)，用不同溫區(qū)的定義公式獲得多個(gè)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(shí)驗(yàn)研究及分析。NIST用5支0.25n和2.5標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(SPRT),在273～933 K分度，其溫度計(jì)的不一致性在Cd點(diǎn)為4.35 mK，In點(diǎn)為5.91 mK，Ga點(diǎn)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(diǎn)為3.92 mK，In點(diǎn)為2.38 mK。NIM在13～273 K之間測(cè)定溫度計(jì)的非唯一性，以基準(zhǔn)溫度計(jì)為準(zhǔn)，測(cè)定其他七支溫度計(jì)的數(shù)據(jù)。測(cè)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(xué)溫度測(cè)定

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

2.5 國際實(shí)用溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)性

各國標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和一些研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了很多工作得以復(fù)現(xiàn)ITS-90，特別是復(fù)現(xiàn)0.65 K到13.S K之間的新溫標(biāo)或者0.65 K與24.6 K之間的新溫標(biāo)。由于定容內(nèi)插氣體溫度計(jì)從未被采用過，所以在采取ITS-90之前，有些實(shí)驗(yàn)室必須建立它。接下來的工作是對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)傳遞溫度計(jì)例如銠-鐵電阻溫度計(jì)進(jìn)行研制，以適應(yīng)新的要求。此外，在復(fù)現(xiàn)之后，各實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行溫標(biāo)比對(duì)是必要的，包括3He和4He蒸汽壓溫標(biāo)。在比對(duì)中，可以從使用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變裝置和密封容器得到益處。盡管對(duì)ITS-90的所有定義固定點(diǎn)都進(jìn)行過仔細(xì)的研究，但它們中的某些點(diǎn)如汞三相點(diǎn)。錮凝固點(diǎn)。銀、金和銅凝固點(diǎn)仍須作進(jìn)一步的研究。工作在-200℃或-250℃以上的實(shí)驗(yàn)室必須更換它們的某些標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)來檢定接觸式溫度計(jì)。在這方面，除PRT以外，金-鉑熱偶是另一個(gè)可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)。在962℃以上，輻射測(cè)溫法并不總是最方便的方法。作為ITS-90的近似技術(shù)，有時(shí)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(zhǔn)確度。

為了將國際實(shí)用溫標(biāo)從定義變成現(xiàn)實(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)，許多國家都由本國的國家計(jì)量機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)國際實(shí)用溫標(biāo)，并通過經(jīng)常的國際對(duì)比，以保證國際間溫度量值的統(tǒng)一。中國計(jì)量科學(xué)研究院用一套實(shí)物（包括實(shí)現(xiàn)溫標(biāo)固定點(diǎn)的裝置和基準(zhǔn)溫度計(jì)組）來復(fù)現(xiàn)國際實(shí)用溫標(biāo)，并以此作為中國溫度計(jì)量的最高標(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)溫度計(jì)下面，設(shè)有一等和二等標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，通過逐級(jí)檢定，將中國計(jì)量科學(xué)研究院所建立和保存的國際實(shí)用溫標(biāo)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(jì)（包括測(cè)溫儀表），都應(yīng)進(jìn)行定期的檢定，以保證其示值符合國際實(shí)用溫標(biāo)。

工業(yè)溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)像熱電偶和鉑鎳銅電阻溫度計(jì)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(xué)轉(zhuǎn)換，以考慮ITS-90所引入的數(shù)值差，同時(shí)也得考慮消除一階導(dǎo)數(shù)的不連續(xù)性。在這方面，修改分度表的活動(dòng)將由國際電工委員會(huì)（IEC)、法制計(jì)量國際組織(LOLM)以及各國計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)管理機(jī)構(gòu)主持和推動(dòng)。目前，國際計(jì)量學(xué)界又在醞釀修改國際實(shí)用溫標(biāo)?？傊S著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國際實(shí)用溫標(biāo)應(yīng)該不斷修改。但是，作為一種使用很廣泛的國際標(biāo)準(zhǔn),又應(yīng)當(dāng)保持相對(duì)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(huì)做了很多工作。從1927年建立第一個(gè)國際溫標(biāo)以來的半個(gè)多世紀(jì)中,溫標(biāo)經(jīng)過幾次修訂，這幾次修訂都是為了使國際實(shí)用溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)趨于一致，使用定點(diǎn)復(fù)現(xiàn)性更高，同時(shí)使插補(bǔ)用的溫度計(jì)使用起來更加方便，測(cè)溫下限也不斷向下延伸，以滿足低溫領(lǐng)域的測(cè)溫要求。

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[2]凌善康，趙琪.溫度－溫標(biāo)及其復(fù)現(xiàn)方法[M].計(jì)量出版社，1984：45-51.

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