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我国温度计量基准的建立

发布时间:2020-08-31 作者: 来源: 浏览:181
一、前言
温度计量学是计量学领域中的一个重要分支。大家知道,温度是一个重要而特殊的基本物理量。它的重要性在于与其他物理现象有着密切的关系。科学研究和工农业生产中的每一个环节,均离不开对温度的可靠而准确的测量。温度是一种内涵量,不是广延量。所以,它与其他物理量相比更为复杂。两个温度不能相加,只有相等或不相等的关系,而其他一般的物理量有单位,它们的测量结果即为该单位的倍数或分数。因此,长期以来,对于温度而言,我们所作的测量,只是确定温度在温标上的位置。所以温标在温度测量中占有极其重要的地位。温标是温度准确、可靠测量的基础。一个国家,温标的建立与实施从一个侧面反映了这个国家的计量科技水平。
随着世界科学技术的进步,为了更好地统一国际温度量值,国际计量大会决定于1927年计划制定“国际温标”。首个国际温标就是《1927年国际温标(ITS-27)》。由于第二次世界大战的爆发,推行工作立即停顿。到1945年二战结束,经过一段经济恢复时期,直到1948年才在第9次国际计量大会上重新恢复温标讨论,并在此基础上进行修改。1948年,国际计量委员会正式颁布了《1948年国际温标(ITS-48)》。
1937年,温度咨询委员会(CCT)成立。这是一个专门讨论国际温标修订和改进的专家机构。同时,它又是一个向国际计量委员会提出咨询意见的顾问机构。从1979年开始,我国派遣凌善康同志为代表,任CCT委员并参与CCT对国际温标的研究与修订。    
二、国际温标的演变历史及我国温度基准的建立
国际温标从定义来看,实质上是一种经验温标。它是以热力学温度为标准而制定的,是热力学温度的一种近似。只是它与历史上各种经验温标有本质区别。早在1887年,国际计量委员会曾决定采用“氢百度温标”作为国际温标,它以“定容氢气体温度计”为基础,以精密玻璃水银温度计作为传递氢百度温标的二级标准。但是,这样的温标未获得各国广泛采用。其原因可能是当时国际上的科技水平有限,以及当时国际计量局的权威性和影响力还远远不够。
下面对各时期国际温标的基本内容、历史演变情况以及我国相应的发展阶段作一介绍:
1.《1927年国际温标(ITS-27)》时期(1927H~1948年)
国际上第一个国际温标就是《1927年国际温标(ITS-27)》。1927年第7届国际计量大会决定采用《1927年国际温标(ITS-27)》作为全世界的统一温标。所谓“温标”,就是规定出一系列固定点、内插仪器和内插公式对温度进行测温计算。这一模式一直保持至今。
《1927年国际温标(ITS-27)》中有冰点、水沸点、金点、银点等6个固定点及相应的内插公式;内插仪器采用了高准确度、高稳定性的铂电阻温度计、铂铑/铂热电偶和光学高温计。国际温标每20年左右修改一次。因为在新温标确定后,需要一段时间推广和应用。
1949年以前,正值国民政府统治濒临崩溃时期。当时工业温度计量技术处于十分落后的状态,谈不上温度测量标准的建设,更不可能实施国际温标。
2.《1948年国际温标(ITS-48)》时期(1948~1968年)
从1948年起,国际上开始执行《1948年国际温标(ITS-48)》(以下简称“48温标”)。当时,中国正值解放战争即将获得最后胜利的高潮时期,也不可能考虑这些问题。
直到20世纪50年代初,新中国成立后,国家着手恢复经济,生产建设开始步入第一个五年计划时期,那时工业建设也有了一定程度的发展。因此,1955年春,成立了国家计量局。新机构成立之初,全局只有50人左右,仪器设备只有前清时代留下的天平和若干营造尺等。
1957年年底,国家计量局领导一方面加紧与原中华人民共和国第一机械工业部“工具研究院计量检定所”筹备合并事宜,另一方面积极筹备成立新机构以及选拔干部和培养人才。当时成立的热工处设有:(1)高温实验室;(2)中低温实验室;(3)电子仪表实验室;(4)化学实验室。首任处长是彭世钦同志。在热工处成立之初,做了不少下基层企业的服务工作。 
在人员培养方面,国家计量局领导派学员前往苏联计量科学研究院学习。在热工专业人员的学习分配为:石质彦学习高温计量(高温固定点、热电偶,光学高温标准等),凌善康学习中低温计量(低温温标固定点、水三相点、气压测量仪器、标准电阻温度计制作等),黄国政学习压力计量,贺锡蘅学习化学计量。
1959年赴苏学员学成归国。就温度方面而言,他们了解了如何复现国际温标和量值传递全过程,同时把水三相点、铂铑10-铂热电偶、铂电阻温度计的制造工艺和分度程序带回,为我国启动复现“48温标”打下了基础。这批学员很快成为我国温度计量事业发展中的骨干力量。
20世纪60年代初,国际上对“48温标”作了部分修订。1960年第11届国际计量大会上,通过了“48温标”的修订版,并正式定名为《1948年国际实用温标(1960年修订版)》,并向世界颁布。修订版对原来的温标在文字和实验方法上进行了修改,而固定点的温度数值保持不变。从此,我国开始重视国际计量的发展趋势,广泛查阅资料,从参加的各种国际计量活动中了解情况,使得我国在温度计量的发展方向上,有了比较好的掌握。因此,在一段时间内,温度实验室的筹备工作进行得比较顺利。1961年,国家计量局又派人员到英国国家物理所(NPL)进行短期考察,重点了解开尔文测温电桥技术,并在NPL验收了从英国Tinsley仪器公司进口的精密电桥。此设备在当时的研究工作中起到了很大的作用。
3.《1968年国际实用温标(IPTS-68)》时期(1968~1990年)
从1968年开始,国际正式推行《1968年国际实用温标(IPTS-68)》(以下简称“68温标”)。与“48温标”相比,“68温标”的重要修改部分为:①温标的下限由氧沸点(约90K)延伸到氢三相点(13.81K);②修改了定义固定点的温度指定值和内插公式,目的是为了使国际实用温标温度更接近于热力学温度值;③采用了第二辐射常数C2更加准确的新值)。这些都使温度数值发生了变化。从1975年开始,又对温标的文本进行了一次修订,但“68温标”的全部温度数值保持不变,只是名称改为《1968年国际温标(1975年修订版)》。
“68温标”分为3个温区,分别用标准铂电阻温度计的W-t的多项式和标准铂铑10-铂热电偶的E-t公式,以及普朗克辐射定律描述的公式来定义各温区内的温度值。
温度领域各实验室的工作包括:建立相关的固定点、挑选基准内插仪器、进行量值传递等,用这些基本工作来保证我国温度量值的准确、一致。
20世纪60~70年代,正值世界上工业化国家处于经济和科技快速发展阶段,而这时,我国却正遭受文化大革命的严重破坏。动荡的局势严重阻碍了我国经济和计量事业的发展步伐。
从文化大革命之后到20世纪80年代,我国经济才逐步恢复。此时,国际计量委员会温度咨询委员会正酝酿对“68温标”进行修改,并鼓励各成员国开展对新温标的研究。此时,热工处温度室的工作也有了起色。一方面,我们从名校中招收若干名优秀学生,让他们在课题中进行实际锻炼与培养;另一方面,积极向国家科委、工业部委及国家计量局争取课题立项和经费支持。同时,在内部围绕新温标,设立具有前瞻性的课题进行研究。
20世纪80年代中期,我国温度领域,在加强人才培养和合理确定课题方面使得实验室的发展进程加快。
这阶段各部门的工作归纳如下:
(1)高温部分
高温实验室管辖的温区为1064℃~2000℃。20世纪60年代初,在此范围内,我国已建立了目测光学高温计、金凝固点和扇形挡板。利用它们实现高温温标的延伸,并成功建立了我国1064℃~2000℃的IPTS-48温标。20世纪80年代初,赵琪和原遵东等同志研制出了“三光路调制式基准光学比较仪”,为建立国际实用温标IPTS-68的高温段打下了坚实的基础。从1987年开始,高温实验室进一步研究了“直流光电比较仪”,在技术指标上达到了国际同类仪器的水平,并为实施ITS-90创造了良好条件。与于同时,仇乃荣同志成功研制了高稳定度真空灯和充气灯,为传递工作的顺利进行作出了贡献。
(2)中低温部分
中低温实验室始建于20世纪50年代,是中国计量科学研究院建立最早的实验室之一。中温温区为0℃~961.78℃,而低温是指13.8033K~273.16K的温度段。因为此温区与工业和航空航天事业有密切联系,所以备受各方面领导的重视。我国在中低温温标研究领域的进展,在国际同行中产生了一定的影响。我们中温一等铂电阻温度计分度和传递工作的测量扩展不确定度已达到(0.4~4.5)mK的水平,置信水平为95%。在建立中温基准中,当时的课题负责人是李訏謨同志,他在课题研究所包括的中温固定点复现、高温铂电阻温度计的研制中,起了主导作用。
在低温温区,温标是由低温铑铁温度计复现而保存的。低温室在精心挑选铑铁温度计的过程中,以及在实验设计和研制精密低温槽中发挥了创造性,收获颇丰。这些工作也是我国低温基准组数据保持良好的可靠而必要的条件。低温室与NPL和意大利计量所(IMGC)进行了比对,结果证明:我国固定点在零点几毫开内与之相符。我国低温温标13K以上的总不确定度保持在1mK之内。低温项目的建设中,张国权为低温基准的建立、李中樾同志为中国计量科学研究院水三相点容器的成功研制付出了大量心血。
(3)热电偶部分
热电偶的温度范围为IPTS-68中的660℃~1064℃,基准组由10支铂铑10-铂热电偶组成,使用金、银、锑3个凝固点分度。1978年,参加国际计量局组织的国际比对,取得了良好的结果。美国国家标准与技术研究院(NIST)的铂铑10-铂热电偶的测量不确定度为0.2℃,测量范围为0℃~1100℃。我国相应的测量不确定度为0.3℃,测量范围也是0℃~1100℃,英国的测量不确定度也是0.3℃,基本上处于同一水平。
4.《1990年国际温标(ITS-90)》的研究准备与新温标的推行
《1990年国际温标(ITS-90)》(以下简称“90温标”)是根据第18届国际计量大会及第77届国际计量委员会会议决定而在全世界公布实施的新温标。按照国际计量局的要求,自1990年1月1日起,在全世界执行《1990年国际温标(ITS-90)》,以代替《1968年国际实用温标(IPTS-68)》和《1976年0.5~30K暂行温标(EPT-76)》。但是,我国准备新温标的实施工作,早在1989~1990年期间已经开始。按照当时国家技术监督局“553号文件”的通知,要求各省、自治区、直辖市和国务院各部门的计量管理部门负责完成各自管辖范围内的ITS-90的推行工作。中国计量科学研究院热工处一方面承担宣讲ITS-90课程的责任;另一方面,对广大企业中应用的工业电阻与热电偶的分度表,按“90温标”的新数据进行修改,以免影响广大企业的生产。这项工作任务紧迫,必须按时完成。这期间,全国范围组织了10多次宣讲。任务已于1990年前提前完成。出色的温标推行工作,给地方单位和企业代表提供了很大的支持,中国计量科学研究院受到国家技术监督局领导的表扬,以及国际计量局局长奎恩(T.J.Quinn)先生的称赞。
三、结束语
温度计量建设的前30年,是老一辈温度计量工作者(如陈竹生、潘儒文、仇乃荣、李湜然、吴必勤等)艰苦奋斗令人难忘的岁月。这代人本着强烈的责任感和奋斗精神,不但为计量事业的发展打下了坚实的基础,更为国家培养出了一批温度计量方面的人才。在此,我们深切地期望我们的接班人,在今后岁月里,不负众望,使温度计量事业再创辉煌。
中国计量科学研究院研制的1234.93K~2273K温度基准装置,1986年被批准为国家基准。

本文刊发于《中国计量》杂志2012年第6期
作者:中国计量科学研究院  凌善康


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