温度计量的发展
学生学号： 0900102206
学生姓名： 陈长骏
专业班级： 09自动化2 班 分 院： 机电工程学院
中国计量学院
China Jiliang University
目 录 温度计量的发展 .......................................................................................................................................................................... 1 摘 要: .......................................................................................................................................................................................... 2 Development of TemperatureMetrology ...................................................................................................................................... 2 1 测温学的起源和经验温标 ...................................................................................................................................................... 3 2 理想气体温标 .......................................................................................................................................................................... 3 3 热力学温标 .............................................................................................................................................................................. 4 4 热力学温度的测量 .................................................................................................................................................................. 5
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5 辐射测温技术的发展 .............................................................................................................................................................. 5 6 国际温标.................................................................................................................................................................................. 7 7 1990年国际温标( ITS- 90) ...................................................................................................................................................... 8 8 温标的固定点 .......................................................................................................................................................................... 8 9 2000年0. 9mK - 1K 临时低温温标( PLTS- 2000) ................................................................................................................ 9 10 高温金属-碳共晶固定点研究计划 ...................................................................................................................................... 9 参考文献.................................................................................................................................................................................... 10
温度计量的发展
摘 要:
本文简要介绍了接触测温学和非接触测温学的起源及发展, 温标的概念和理论基础以及演变过程, 当前国际温度计量学界未来温标研究的热点和部分新进展。
关键词: 温度计; 温标; 热力学温度; 辐射温度; 固定点; 金属- 碳共晶点.
Development of TemperatureMetrology
Abstract:
T his paper briefly introduces the contact and the contact differential thermometry differential thermometry origin and development, the concept of Fahrenheit and theoretical basis and evolution process, the current international temperature field measurement is the future Research hot spot and the part of the new progress.
Key words: the thermometer; Fahrenheit; Thermodynamics .
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1 测温学的起源和经验温标
1592年伽利略( Galileo)研制了空气温度计, 它根据空气的热胀冷缩, 使玻璃管中的水位发生变化, 从而指示温度高低。人们通常把温度计的发明归功于伽利略。经过长期的实践,人们逐渐总结出要准确测量温度, 必须具备合适的测温物质、稳定的固定点、合理的分度法三个条件。1724年华伦海特取人体温度为一个固定点, 定义为96度, 水的凝固点为另一个固定点, 定为32度, 创立了华氏温标, 用符号℉表示。1742年瑞典学者摄休斯(Ander celsius)把水沸点和冰融点两点之间均分100等份建立一个温标, 这就是摄氏温标, 摄氏度以符号e 表示。经验温标在历史上起过重要的作用, 但存在很大的缺点, 它的定义有很大的随意性, 定义的范围太窄,把温度与测温物质的膨胀关系看成简单的正比关系。
2 理想气体温标
人们在研究中发现, 当气体的压强趋近于零时,气体的特性趋近于理想气体。理想气体的状态方程为: P V /T = nR
式中: P、V) 给定质量气体的压强和体积, n、R 为气体的摩尔数和普适常数。
理想气体严格遵守三条定律: 即波义耳- 马特略定律, 查理定律和盖# 吕萨克定律。由理想气体的状态方程很容易得出两个关系式:
P1 /P 2 = T1 /T2 及V1 /V2 = T1 /T2
可以看出温度只与理想气体的压强或体积有关,而与测温物质无关。实验还证明当气体的压强很小时, 它的压强膨胀系数和体积膨胀系数在测量误差范围内相等, 约等于1 /273.
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15 @ 1 /度。理想气体的等容和等压的延长线都交于一点, 即在温度坐标轴的t= - 273. 15e 处(如图), 理想气体温标给出了绝对零度的概念。
3 热力学温标
英国物理学家威廉# 汤姆森(W illiam Thomson)即开尔文( Ke lv in)根据查理定律和理想气体的压强膨胀系数认识到, 在零下273. 15摄氏度时气体的动能为零, 因而是真正的零度。1848年他以理想热机的热功关系为基础, 以一种最简单的选择给出了关系式:
Q1 /Q2 = T1 /T2
根据此式建立的温标称为热力学温标, 也称为绝对热力学温标。它是以热力学第二定律为基础的温标, 是一种科学的温标, 人们通常把用这种方法定义的温度称为热力学温度。热力学温度是国际上公认的最基本的温度, 一切温度测量(包括国际温标)最终都以它为准。温度测量的基础是热力学温标, 它用来保证温度量值的准确、一致和正确传递。1854年开
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尔文又进一步指出, 只要选定一个固定点, 给出它在热力学温标上的温度值, 就能把热力学温标完全确定下来。
4 热力学温度的测量
热力学温度的测量必须使用基准测温法, 它使用的温度计所用的状态方程应明白无误地表达出来, 而不引入未知的、与温度有关的常数。符合基准测温法条件的温度计有: 气体温度计、声学温度计、噪声温度计、磁温度计和辐射温度计。随着科学技术的进步, 其它测温技术在一些温区表现出与气体温度计具有同样的性能或优势。如以SQU ID(超导量子干涉器件)放大器为基础的噪声温度计可用于测量极低的温度。辐射温度计在高温区比气体温度计有更高的准确度, 1990年国际温标( ITS- 90)中铝凝固点( 660e ) 以上的某些数值来自于辐射测温法的测量结果。
5 辐射测温技术的发展
5. 1 热辐射的研究发现
1800年英国天文学家赫谢尔(Herschel)用分光棱镜将太阳光分解成七色光, 并用水银温度计依次测量不同颜色光线的热效应时发现了一种奇异的现象。他发现在红光外侧确实存在一种人眼看不见的/ 热线0, 后称/红外线0。研究表明, 物质的热运动是产生红外线的根源,
红外辐射的物理本质是热辐射, 这种辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定。也就是说, 温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。
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5. 2 辐射温度测量的理论基础
1830年出现了温差热电偶, 由多个热电偶串联制成的热电堆, 其灵敏度比最好的水银温度计高40倍,拓展了红外辐射的观察范围, 提高了测量准确度, 促进了红外辐射的研究。1859年克希霍夫( K irchho ff)根据热平衡原理导出了关于热辐射的基本定律, 克希霍夫还首先提出了/ 黑体0的概念, 于1860年给出了黑体辐射源制作的理论原则。到20 世纪40年代, 高菲( Gou ffe)建立了完整的空腔辐射理论, 为黑体辐射源的应用和辐射温度测量技术的发展奠定了基础。1880年美国物理学家兰利( Lang ley)发明的测辐射热仪, 灵敏度可达到十万分之一度, 它比热电堆的灵敏度又提高了几十倍。人们利用获得的大量测量数据, 逐步确定了红外(热)辐射的基本定律。1884年玻耳兹曼( Bo ltzm ann)根据热力学和麦克斯韦电磁理论从理论上证明了斯忒藩( Stefan)依据实验测量数据于1879年得出的: 由黑体辐射出的总能量与黑体的绝对温度的四次方成正比的量化结论, 建立了斯忒藩) 玻耳兹曼辐射定律。即
Mb = RT4( R)
斯忒藩- 玻耳兹曼常数)1900年德国物理学家普朗克( P lank)用量子理论
准确地给出了黑体的辐射定律:M ( K, T ) = c1K- 5/ ( e( c2/KT ) - 1)式中: c1 和c2 分别是第一第二辐射常数。普朗克公式表明了黑体的单色辐射通量与波长K, 绝对温度T之间的关系。
普朗克公式描述了黑体辐射的普遍规律, 其它黑体辐射定律可由它导出。
5. 3 辐射温度计
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1917年制造出了商用隐丝式光学高温计, 它根据热物体的光谱辐射亮度随温度升高而增强的原理, 采用目视观察被测物体与已被标定过的高温计小灯泡的亮度平衡实现对被测物体温度的测量。依据这种原理工作的辐射高温计至今在实验室和工业现场中仍有使用, 不过现在大多数实验室使用的都是不用人眼平衡, 测量准确度更高的光电高温计, 工业现场大
多使用红外测温仪。目前比较常用的辐射温度测量仪器有: 光学(电)高温计、比色温度计、光谱温度计、红外测温仪、红外扫描仪、热像仪等。
6 国际温标
1872年国际计量委员会决定采用摄氏温标, 当时只作为精确测量米原器的线膨胀系数。1888年国际计量局用定容气体温度计分度四支玻璃水银温度计,在0e ~ 100e 范围内精度达到? 0. 005e 。因此,1889年第一届国际计量大会上决定用定容氢气体温度计分度0e 到100e 范围内的热力学温标, 它基于两个固定点) 冰点和汽点。在1927年第七届国际计量大会上通过一份正式建议, 称为1927年国际温标, 这是人类历史上第一个国际温标。温标实际上就是温度的数值表示法, 1927年国际温标以热力学百度温标为最基本的温标, 定义的温度单位是一个标准大气压下冰的融化温度( 0e )和水的沸腾温度( 100e )之间间隔的1 /100, 单位符号
/ e 0。定义的温度范围是- 190e 到3000e , 它包括氧点、冰点、水沸点、硫沸点、银凝固点、金凝固点六个固定点。铂电阻温度计、热电偶、光学高温计三种内插仪器和四个内插公式。分成四个温区, 每个温区有各自的复现方法, 金点以上根据维恩公式延伸。1954年国际计量大会( CGPM )决定, 把水三相点的热力学温度(符号为T )规定为273. 16K。1967年国际计量大会又确定, 把热力学温度的单位) 开尔文定义为: 水三相点热力学
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温度的1 /273. 16, 符号为K。
7 1990年国际温标( ITS- 90)
ITS- 90定义的温度范围为从0. 65K 向上到根据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, 上限没有限制。温标采用了17个定义固定点仍分四个温区:0. 65K 到5. 0K之间, T90由3H e和4H e的蒸汽压与
温度的关系式来定义。由3. 0K 到氖的三相点( 24. 5561K )之间, T90是使用三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( 1318033K ) 到银凝固点( 961178e )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。银凝固点( 961. 78e )以上, T90借助于一个定义固定点和普朗克辐射定律来定义。
8 温标的固定点
在国际温标中选用的固定点都是根据物质的相变过程来实现的。在物质的相变过程中存在某一相对应的温度, 固相与液相两相共存就叫凝固点(凝固时)或熔解点(熔解时)。在标准大气压下, 液态和蒸汽共存叫沸点。在一个确定的压强和温度下固态、液态和汽态三相共存叫三相点。水三相点( 273. 16K ): 水三相点就是水的三相(固、液、汽)共存的温度点。水三相点是国际温标中最基本的一个固定点(基准点), 它的温度被定义为273. 16K ( 0. 01e ) , 这个值是真值没有误差, 温标中的其它温度点的数值均以273. 16K 为基准点, 它有非常高的复现性(优于? 0. 1mK )。金属固定点: 实验证明, 金属的凝固温坪比熔解温坪要好, 故国际温标一般都选用金属的凝固点来复现温标。分度标准铂电阻温度计时, 为了达到
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最高的
准确度, 所用的金属样品的纯度都应为99. 9999% 以上, 不同金属的固定点的复现不确定度在零点几毫开到数毫开以内。
9 2000年0. 9mK - 1K 临时低温温标( PLTS- 2000)
ITS- 90温标定义的温度下限是0. 65K, 为满足更低温测量的需要, 2000年CIPM 采纳CCT 的建议公布临时低温温标PLTS- 2000(或T2000 )。这个温标的定义是基于3H e的溶解压和溶解曲线上的固定点, 它的温度定义范围是0. 9mK- 1K。
10 高温金属-碳共晶固定点研究计划
当前温标研究领域中最引人注目的热点是高温金属- 碳共晶固定点的研究。ITS - 90规定温标在银凝固点以上是根据普朗克定律定义外推的, 银凝固点的不确定度就要随温度平方关系带入其它温度点。在温度较高时( 2000e 以上)不确定度很大, 因此迫切
需要寻找复现性好的高温固定点。国际温度咨询委员会( CCT ) 在1996 年19 次会议提出建议寻找2000e 以上复现性好于0. 1e 的固定点。从1999年日本国家计量所Yamada 的首次报告以来, 世界上许多国家温度计量实验室积极投入这项研究。目前从1100e 到3200e 温度范围内, 各国实验室已进行过研究的金属(碳化物) - 碳(M ( C ) - C)共晶固定点主要有: Fe (铁) - C ( 1153e )、Co (钴) - C( 1324e )、N i ( 镍) - C ( 1329e )、Pd ( 钯) - C
( 1492e )、Rh ( 铑) - C ( 1657e )、Pt ( 铂) - C( 1738e )、Ru ( 钌) - C ( 1953e )、
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Ir ( 铱) - C( 2290e )、Re ( 铼) - C ( 2474e )、DMo ( 钼) C - C( 2583e )、T i (钛) C - C ( 2761e )、Zr (锆) C - C( 2882e )、H f(铪) C - C ( 3185e )等。这些固定点的
性能显示了它在计量学上具有的价值, 从银点到3300K 实现达到100mK 重复性的目标是完全可能的。由于这些固定点在计量学上所具有的巨大潜力,这项研究已经从一个有趣的研究课题变成一个国际合作研究计划。该项研究的主要目标就是选择一种国际上共同认可的新定义替代银点以上ITS- 90国际温标的当前定义, 它通过一组性能优良的高温固定点复现和传递热力学温度, 这样做的优点是: 比当前定义有十分低的不确定度, 在温标复现和传递中的不确定度比现行温标小5至10倍; 温标比当前ITS- 90更简单, 实现起来更灵活, 适用性更大, 热力学温度可经过短的溯源链直接传递到用户; 全世界大多数国家实验室能够实现新温标, 不必承担建立绝对辐射测量设备的昂贵成本。使金属(碳化物) - 碳共晶固定点成为计量学主要工具的研究计划预计在2011年以前完成。2011年通过一个协议重新定义银点以上温标, 正式允许通过金属(碳化物) - 碳共晶点传递热力学温度。
属(碳化物) - 碳共晶点传递热力学温度。
参考文献
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