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    我國溫度計量基準的建立

    發布時間:2020-08-31 作者: 來源: 瀏覽:11114
    一、前言
    溫度計量學是計量學領域中的一個重要分支。大家知道,溫度是一個重要而特殊的基本物理量。它的重要性在于與其他物理現象有著密切的關系??茖W研究和工農業生產中的每一個環節,均離不開對溫度的可靠而準確的測量。溫度是一種內涵量,不是廣延量。所以,它與其他物理量相比更為復雜。兩個溫度不能相加,只有相等或不相等的關系,而其他一般的物理量有單位,它們的測量結果即為該單位的倍數或分數。因此,長期以來,對于溫度而言,我們所作的測量,只是確定溫度在溫標上的位置。所以溫標在溫度測量中占有極其重要的地位。溫標是溫度準確、可靠測量的基礎。一個國家,溫標的建立與實施從一個側面反映了這個國家的計量科技水平。
    隨著世界科學技術的進步,為了更好地統一國際溫度量值,國際計量大會決定于1927年計劃制定“國際溫標”。首個國際溫標就是《1927年國際溫標(ITS-27)》。由于第二次世界大戰的爆發,推行工作立即停頓。到1945年二戰結束,經過一段經濟恢復時期,直到1948年才在第9次國際計量大會上重新恢復溫標討論,并在此基礎上進行修改。1948年,國際計量委員會正式頒布了《1948年國際溫標(ITS-48)》。
    1937年,溫度咨詢委員會(CCT)成立。這是一個專門討論國際溫標修訂和改進的專家機構。同時,它又是一個向國際計量委員會提出咨詢意見的顧問機構。從1979年開始,我國派遣凌善康同志為代表,任CCT委員并參與CCT對國際溫標的研究與修訂。    
    二、國際溫標的演變歷史及我國溫度基準的建立
    國際溫標從定義來看,實質上是一種經驗溫標。它是以熱力學溫度為標準而制定的,是熱力學溫度的一種近似。只是它與歷史上各種經驗溫標有本質區別。早在1887年,國際計量委員會曾決定采用“氫百度溫標”作為國際溫標,它以“定容氫氣體溫度計”為基礎,以精密玻璃水銀溫度計作為傳遞氫百度溫標的二級標準。但是,這樣的溫標未獲得各國廣泛采用。其原因可能是當時國際上的科技水平有限,以及當時國際計量局的權威性和影響力還遠遠不夠。
    下面對各時期國際溫標的基本內容、歷史演變情況以及我國相應的發展階段作一介紹:
    1.《1927年國際溫標(ITS-27)》時期(1927H~1948年)
    國際上第一個國際溫標就是《1927年國際溫標(ITS-27)》。1927年第7屆國際計量大會決定采用《1927年國際溫標(ITS-27)》作為全世界的統一溫標。所謂“溫標”,就是規定出一系列固定點、內插儀器和內插公式對溫度進行測溫計算。這一模式一直保持至今。
    《1927年國際溫標(ITS-27)》中有冰點、水沸點、金點、銀點等6個固定點及相應的內插公式;內插儀器采用了高準確度、高穩定性的鉑電阻溫度計、鉑銠/鉑熱電偶和光學高溫計。國際溫標每20年左右修改一次。因為在新溫標確定后,需要一段時間推廣和應用。
    1949年以前,正值國民政府統治瀕臨崩潰時期。當時工業溫度計量技術處于十分落后的狀態,談不上溫度測量標準的建設,更不可能實施國際溫標。
    2.《1948年國際溫標(ITS-48)》時期(1948~1968年)
    從1948年起,國際上開始執行《1948年國際溫標(ITS-48)》(以下簡稱“48溫標”)。當時,中國正值解放戰爭即將獲得最后勝利的高潮時期,也不可能考慮這些問題。
    直到20世紀50年代初,新中國成立后,國家著手恢復經濟,生產建設開始步入第一個五年計劃時期,那時工業建設也有了一定程度的發展。因此,1955年春,成立了國家計量局。新機構成立之初,全局只有50人左右,儀器設備只有前清時代留下的天平和若干營造尺等。
    1957年年底,國家計量局領導一方面加緊與原中華人民共和國第一機械工業部“工具研究院計量檢定所”籌備合并事宜,另一方面積極籌備成立新機構以及選拔干部和培養人才。當時成立的熱工處設有:(1)高溫實驗室;(2)中低溫實驗室;(3)電子儀表實驗室;(4)化學實驗室。首任處長是彭世欽同志。在熱工處成立之初,做了不少下基層企業的服務工作。 
    在人員培養方面,國家計量局領導派學員前往蘇聯計量科學研究院學習。在熱工專業人員的學習分配為:石質彥學習高溫計量(高溫固定點、熱電偶,光學高溫標準等),凌善康學習中低溫計量(低溫溫標固定點、水三相點、氣壓測量儀器、標準電阻溫度計制作等),黃國政學習壓力計量,賀錫蘅學習化學計量。
    1959年赴蘇學員學成歸國。就溫度方面而言,他們了解了如何復現國際溫標和量值傳遞全過程,同時把水三相點、鉑銠10-鉑熱電偶、鉑電阻溫度計的制造工藝和分度程序帶回,為我國啟動復現“48溫標”打下了基礎。這批學員很快成為我國溫度計量事業發展中的骨干力量。
    20世紀60年代初,國際上對“48溫標”作了部分修訂。1960年第11屆國際計量大會上,通過了“48溫標”的修訂版,并正式定名為《1948年國際實用溫標(1960年修訂版)》,并向世界頒布。修訂版對原來的溫標在文字和實驗方法上進行了修改,而固定點的溫度數值保持不變。從此,我國開始重視國際計量的發展趨勢,廣泛查閱資料,從參加的各種國際計量活動中了解情況,使得我國在溫度計量的發展方向上,有了比較好的掌握。因此,在一段時間內,溫度實驗室的籌備工作進行得比較順利。1961年,國家計量局又派人員到英國國家物理所(NPL)進行短期考察,重點了解開爾文測溫電橋技術,并在NPL驗收了從英國Tinsley儀器公司進口的精密電橋。此設備在當時的研究工作中起到了很大的作用。
    3.《1968年國際實用溫標(IPTS-68)》時期(1968~1990年)
    從1968年開始,國際正式推行《1968年國際實用溫標(IPTS-68)》(以下簡稱“68溫標”)。與“48溫標”相比,“68溫標”的重要修改部分為:①溫標的下限由氧沸點(約90K)延伸到氫三相點(13.81K);②修改了定義固定點的溫度指定值和內插公式,目的是為了使國際實用溫標溫度更接近于熱力學溫度值;③采用了第二輻射常數C2更加準確的新值)。這些都使溫度數值發生了變化。從1975年開始,又對溫標的文本進行了一次修訂,但“68溫標”的全部溫度數值保持不變,只是名稱改為《1968年國際溫標(1975年修訂版)》。
    “68溫標”分為3個溫區,分別用標準鉑電阻溫度計的W-t的多項式和標準鉑銠10-鉑熱電偶的E-t公式,以及普朗克輻射定律描述的公式來定義各溫區內的溫度值。
    溫度領域各實驗室的工作包括:建立相關的固定點、挑選基準內插儀器、進行量值傳遞等,用這些基本工作來保證我國溫度量值的準確、一致。
    20世紀60~70年代,正值世界上工業化國家處于經濟和科技快速發展階段,而這時,我國卻正遭受文化大革命的嚴重破壞。動蕩的局勢嚴重阻礙了我國經濟和計量事業的發展步伐。
    從文化大革命之后到20世紀80年代,我國經濟才逐步恢復。此時,國際計量委員會溫度咨詢委員會正醞釀對“68溫標”進行修改,并鼓勵各成員國開展對新溫標的研究。此時,熱工處溫度室的工作也有了起色。一方面,我們從名校中招收若干名優秀學生,讓他們在課題中進行實際鍛煉與培養;另一方面,積極向國家科委、工業部委及國家計量局爭取課題立項和經費支持。同時,在內部圍繞新溫標,設立具有前瞻性的課題進行研究。
    20世紀80年代中期,我國溫度領域,在加強人才培養和合理確定課題方面使得實驗室的發展進程加快。
    這階段各部門的工作歸納如下:
    (1)高溫部分
    高溫實驗室管轄的溫區為1064℃~2000℃。20世紀60年代初,在此范圍內,我國已建立了目測光學高溫計、金凝固點和扇形擋板。利用它們實現高溫溫標的延伸,并成功建立了我國1064℃~2000℃的IPTS-48溫標。20世紀80年代初,趙琪和原遵東等同志研制出了“三光路調制式基準光學比較儀”,為建立國際實用溫標IPTS-68的高溫段打下了堅實的基礎。從1987年開始,高溫實驗室進一步研究了“直流光電比較儀”,在技術指標上達到了國際同類儀器的水平,并為實施ITS-90創造了良好條件。與于同時,仇乃榮同志成功研制了高穩定度真空燈和充氣燈,為傳遞工作的順利進行作出了貢獻。
    (2)中低溫部分
    中低溫實驗室始建于20世紀50年代,是中國計量科學研究院建立最早的實驗室之一。中溫溫區為0℃~961.78℃,而低溫是指13.8033K~273.16K的溫度段。因為此溫區與工業和航空航天事業有密切聯系,所以備受各方面領導的重視。我國在中低溫溫標研究領域的進展,在國際同行中產生了一定的影響。我們中溫一等鉑電阻溫度計分度和傳遞工作的測量擴展不確定度已達到(0.4~4.5)mK的水平,置信水平為95%。在建立中溫基準中,當時的課題負責人是李訏謨同志,他在課題研究所包括的中溫固定點復現、高溫鉑電阻溫度計的研制中,起了主導作用。
    在低溫溫區,溫標是由低溫銠鐵溫度計復現而保存的。低溫室在精心挑選銠鐵溫度計的過程中,以及在實驗設計和研制精密低溫槽中發揮了創造性,收獲頗豐。這些工作也是我國低溫基準組數據保持良好的可靠而必要的條件。低溫室與NPL和意大利計量所(IMGC)進行了比對,結果證明:我國固定點在零點幾毫開內與之相符。我國低溫溫標13K以上的總不確定度保持在1mK之內。低溫項目的建設中,張國權為低溫基準的建立、李中樾同志為中國計量科學研究院水三相點容器的成功研制付出了大量心血。
    (3)熱電偶部分
    熱電偶的溫度范圍為IPTS-68中的660℃~1064℃,基準組由10支鉑銠10-鉑熱電偶組成,使用金、銀、銻3個凝固點分度。1978年,參加國際計量局組織的國際比對,取得了良好的結果。美國國家標準與技術研究院(NIST)的鉑銠10-鉑熱電偶的測量不確定度為0.2℃,測量范圍為0℃~1100℃。我國相應的測量不確定度為0.3℃,測量范圍也是0℃~1100℃,英國的測量不確定度也是0.3℃,基本上處于同一水平。
    4.《1990年國際溫標(ITS-90)》的研究準備與新溫標的推行
    《1990年國際溫標(ITS-90)》(以下簡稱“90溫標”)是根據第18屆國際計量大會及第77屆國際計量委員會會議決定而在全世界公布實施的新溫標。按照國際計量局的要求,自1990年1月1日起,在全世界執行《1990年國際溫標(ITS-90)》,以代替《1968年國際實用溫標(IPTS-68)》和《1976年0.5~30K暫行溫標(EPT-76)》。但是,我國準備新溫標的實施工作,早在1989~1990年期間已經開始。按照當時國家技術監督局“553號文件”的通知,要求各省、自治區、直轄市和國務院各部門的計量管理部門負責完成各自管轄范圍內的ITS-90的推行工作。中國計量科學研究院熱工處一方面承擔宣講ITS-90課程的責任;另一方面,對廣大企業中應用的工業電阻與熱電偶的分度表,按“90溫標”的新數據進行修改,以免影響廣大企業的生產。這項工作任務緊迫,必須按時完成。這期間,全國范圍組織了10多次宣講。任務已于1990年前提前完成。出色的溫標推行工作,給地方單位和企業代表提供了很大的支持,中國計量科學研究院受到國家技術監督局領導的表揚,以及國際計量局局長奎恩(T.J.Quinn)先生的稱贊。
    三、結束語
    溫度計量建設的前30年,是老一輩溫度計量工作者(如陳竹生、潘儒文、仇乃榮、李湜然、吳必勤等)艱苦奮斗令人難忘的歲月。這代人本著強烈的責任感和奮斗精神,不但為計量事業的發展打下了堅實的基礎,更為國家培養出了一批溫度計量方面的人才。在此,我們深切地期望我們的接班人,在今后歲月里,不負眾望,使溫度計量事業再創輝煌。
    中國計量科學研究院研制的1234.93K~2273K溫度基準裝置,1986年被批準為國家基準。

    本文刊發于《中國計量》雜志2012年第6期
    作者:中國計量科學研究院  凌善康


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