温度计量技术的发展与应用

陈晓雷

摘 要：随着近代工业、农业生产的不断发展与进步，尤其是冶金、化学工业的飞速發展，其对温度计量的要求也越来越高。但近10年来温度计量技术的发展不太引人注目，未出现较为突出的突破性技术进展，一方面是由于ITS-90的实施解决了较多传统的温标问题，且需要一个实施稳定期；另一方面是由于温度测量技术发展较早，相对工作生产的其他参数更加成熟，可基本解决仪表及方法等问题，因此，该文主要针对如何将ITS-90更方便、准确地传递到工作用的温度计，并在温度计量中融入高新信息技术，解决传统技术难以实现的测温问题等内容进行综述分析。

关键词：温度计量 ITS-90 技术综述

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0074-02

1 研究背景

受各种客观因素、主观因素的影响，近10年业温度计量技术的发展相对缓慢，不仅没有较为引人注目的研究成果，而且缺乏突破性的技术进展，甚至连比较成熟的商品化新产品也为数不多。纠其原因可能有两个方面：一方面由于ITS-90实施解决了90温标提出的主要问题，而新的国际温标的实施需要一个相对较长的稳定期，针对温标的研究仍然在探索中。ITS-90于20世纪90年代开始实施，其所定义的温度范围从0.65 K向上直至应用普朗克辐射定律使用单色辐射高温计实际可测得的最高温度，并未设定上限。ITS-90共采用17个定义固定点，仍然分为4个温区，0.65 K到5.0 K之间，T90由3He和4He的蒸汽压与温度的关系式来定义。由3.0 K到氖的三相点（24.55 61 K）之间，T90是使用3个定义固定点及规定的内插方法用氦气体温度计来定义。平衡氢三相点（13.803 3 K）到银凝固点（961.78 ℃）之间，T90是使用一组定义固定点及规定的内插方法用铂电阻温度计来定义。另一方面，在工业生产领域，相对于流量、物位等参数，温度测量的发展更早，而温度更是计量的基本量之一，应用目前的仪表、方法可解决生产中的大部分问题，因此，对温度计量的研究重点更加侧重于如何将ITS-90更准确、方便地传递到工作用的温度计，并实现温度计量与高新信息技术的融合，更好地解决传统技术难以实现的测温问题。

2 温度固定点研究进展

在国际温标中，固定点的确定标准是以物质的相变过程为依据的，在物质发生相变时会存在一个特定的温度，一般情况下如固相与液相共存，凝固点即其凝固时的温度，熔解点即为熔解时的温度，而液态与蒸汽在标准大气压下沸点共存，如，压强、温度固定，三相点即固态、液态、汽态三相共存的温度。但是现阶段温标定义点的固定点仍在不断改进，除此之外，高温非定义固定点、实用小型固定装置的发展也成为温度计量研究的热点问题。

2.1 高温非定义固定点

ITS-90中定义固定点温度最高的是铜凝固点，为1 084.62 ℃，高于该固定点的温度温标采用辐射法外推定义。尽管现阶段CCT补充了一系列温度更高的纯金属相变点，称其为第二类固定点，但其温度仍不够高，并且较难制成定点辐射黑体，故很多国家将研究重点放在金属-碳共晶点方面，以使可以在铜点到2 500 ℃之间实现一系列定点黑体。后续金属-碳共晶点可用于辐射温度计的校准，可代替温灯作为传递标准等；如果采用这些点后续温标的不确定度可能会有所下降。

2.2 实用小型固定点装置

与ITS-90中国家计量标准实验室所用的固定点装置相比，实用小型固定点装置的温度不确定度相对较大，但是与通常比较法校准所产生的不确定度相比却远远小于前者。近年来中温范围发展了水三相点、金属定点装置等一系列小型固定点装置，其不确定度较小，金属凝固点的不确定度优于1 mK。还有一些便携式的、小型固定点装置，主要适用于工业现场对温度计进行周期性检测；此外，这些装置上还配有控制装置、显示装置及专用的计算机软件，提高其适用性。

3 辐射测温技术的发展

由相关研究报道可知，红外线主要来自于物质的热运动，由此可见，红外辐射其物理本质为热辐射，因此，辐射量主要由物体的温度、物体材料的性质等参数决定的，即温度决定着热辐射现象，黑体辐射的普遍规律可通过普朗克公式描述出来，由普朗克公式可知，黑体的单色辐射通量、波长、绝对温度之间有直接相关性，因此，可通过普朗克公式导出其他黑体辐射定律。商用隐丝式光学高温计在20世纪初被制造出来，其原理是热物体的光谱辐射亮度会随着温度的升高而增强，目视即可观察受测物体，观测其是否与被标定过的高温计小灯泡亮度保持平衡来实现其温度的测量。由于辐射高温计的这一工作原理，其至今仍应用于实验室及工业现场中，不过实验室所用的辐射高温计多用准确度更高的光电高温计，工作现场则多应用红外测温仪。

4 自动化系统中的温度检测仪表

工业温度计主要应用于工业生产，而工业自动化控制系统通常需要包括温度计量器具与其他参数检测器具。不过在同一个系统中无论使用何种温度计，均需将其输出信号转变成统一的电信号，由此可见，在工业自动化控制系统中的温度计是某种意义的温度变送器，比如：基于现场总线的控制系统主要应用热电偶变送器、热电阻变送器或辐射温度变送器等。一般情况下，自动化系统中的温度检测仪表要具备数字化的特点，可遵循不同总线类型规定的通信规则制度，实现双向通信的功能；具备自动补偿、自动校正等智能功能，此外一些特殊场合还要具备现场模拟指示等。自动化系统的温度检测仪器还要满足系统对电磁兼容性的要求，且电源与信息要保持传输的一致性。此外，还要满足系统要求的其他特性与功能，现场总线技术是一种数字式、串行、多点通信的数据总线，其与现场装置和控制室内的自控装置通过温度检测仪表实现与现场总线的连接，而在系统中这些特性与功能可能比温度测量的准确度意义更为重大。

总之，在人们日常生活、工业生产及科学实验中，温度计量不仅应用广泛，且地位重要，尤其是在工业生产中，温度计量实现了质检流程的简化，大大提高了工业生产的效率。由此可见，温度计量的应用具有广泛性、重要性的优势，因此，加强温度计量技术的研究具有重要意义。

参考文献

[1] 凌善康，李瑞生，王梓林，等.我国温度计量标准的研究进展[J].物理，2014（1）：103-105.

[2] 韩隆恒.气动试验中低温等离子体的温度计量及展望[J].流体力学实验与测量，2016（1）：135-137.