我國(guó)溫度計(jì)量基準(zhǔn)的建立

一、前言

溫度計(jì)量學(xué)是計(jì)量學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。大家知道，溫度是一個(gè)重要而特殊的基本物理量。它的重要性在于與其他物理現(xiàn)象有著密切的關(guān)系?？茖W(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，均離不開對(duì)溫度的可靠而準(zhǔn)確的測(cè)量。溫度是一種內(nèi)涵量，不是廣延量。所以，它與其他物理量相比更為復(fù)雜。兩個(gè)溫度不能相加，只有相等或不相等的關(guān)系，而其他一般的物理量有單位，它們的測(cè)量結(jié)果即為該單位的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于溫度而言，我們所作的測(cè)量，只是確定溫度在溫標(biāo)上的位置。所以溫標(biāo)在溫度測(cè)量中占有極其重要的地位。溫標(biāo)是溫度準(zhǔn)確、可靠測(cè)量的基礎(chǔ)。一個(gè)國(guó)家，溫標(biāo)的建立與實(shí)施從一個(gè)側(cè)面反映了這個(gè)國(guó)家的計(jì)量科技水平。

隨著世界科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了更好地統(tǒng)一溫度量值，計(jì)量大會(huì)決定于1927年計(jì)劃制定“溫標(biāo)”。溫標(biāo)就是《1927年溫標(biāo)(ITS-27)》。由于第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，推行工作立即停頓。到1945年二戰(zhàn)結(jié)束，經(jīng)過(guò)一段經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時(shí)期，直到1948年才在第9次計(jì)量大會(huì)上重新恢復(fù)溫標(biāo)討論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。1948年，計(jì)量委員會(huì)正式頒布了《1948年溫標(biāo)(ITS-48)》。

1937年，溫度咨詢委員會(huì)(CCT)成立。這是一個(gè)專門討論溫標(biāo)修訂和改進(jìn)的專家機(jī)構(gòu)。同時(shí)，它又是一個(gè)向計(jì)量委員會(huì)提出咨詢意見的顧問(wèn)機(jī)構(gòu)。從1979年開始，我國(guó)派遣凌善康同志為代表，任CCT委員并參與CCT對(duì)溫標(biāo)的研究與修訂。    

二、溫標(biāo)的演變歷史及我國(guó)溫度基準(zhǔn)的建立

溫標(biāo)從定義來(lái)看，實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。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。只是它與歷*各種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)有本質(zhì)區(qū)別。早在1887年，計(jì)量委員會(huì)曾決定采用“溫標(biāo)”作為溫標(biāo)，它以“定容氫氣體溫度計(jì)”為基礎(chǔ)，以精密玻璃水銀溫度計(jì)作為傳遞氫溫標(biāo)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。但是，這樣的溫標(biāo)未獲得各國(guó)廣泛采用。其原因可能是當(dāng)時(shí)上的科技水平有限，以及當(dāng)時(shí)計(jì)量局的性和影響力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

下面對(duì)各時(shí)期溫標(biāo)的基本內(nèi)容、歷史演變情況以及我國(guó)相應(yīng)的發(fā)展階段作一介紹:

1.《1927年溫標(biāo)(ITS-27)》時(shí)期(1927H～1948年)

上個(gè)溫標(biāo)就是《1927年溫標(biāo)(ITS-27)》。1927年第7屆計(jì)量大會(huì)決定采用《1927年溫標(biāo)(ITS-27)》作為*的統(tǒng)一溫標(biāo)。所謂“溫標(biāo)”，就是規(guī)定出一系列固定點(diǎn)、內(nèi)插儀器和內(nèi)插公式對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)溫計(jì)算。這一模式一直保持至今。

《1927年溫標(biāo)(ITS-27)》中有冰點(diǎn)、水沸點(diǎn)、金點(diǎn)、銀點(diǎn)等6個(gè)固定點(diǎn)及相應(yīng)的內(nèi)插公式；內(nèi)插儀器采用了高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性的鉑電阻溫度計(jì)、鉑銠/鉑熱電偶和光學(xué)高溫計(jì)。溫標(biāo)每20年左右修改一次。因?yàn)樵谛聹貥?biāo)確定后，需要一段時(shí)間推廣和應(yīng)用。

1949年以前，正值國(guó)民政府統(tǒng)治瀕臨崩潰時(shí)期。當(dāng)時(shí)工業(yè)溫度計(jì)量技術(shù)處于十分落后的狀態(tài)，談不上溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，更不可能實(shí)施溫標(biāo)。

2.《1948年溫標(biāo)(ITS-48)》時(shí)期(1948～1968年)

從1948年起，上開始執(zhí)行《1948年溫標(biāo)(ITS-48)》(以下簡(jiǎn)稱“48溫標(biāo)”)。當(dāng)時(shí)，中國(guó)正值解放戰(zhàn)爭(zhēng)即將獲得后勝利的高潮時(shí)期，也不可能考慮這些問(wèn)題。

直到20世紀(jì)50年代初，新中國(guó)成立后，國(guó)家著手恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)建設(shè)開始步入個(gè)五年計(jì)劃時(shí)期，那時(shí)工業(yè)建設(shè)也有了一定程度的發(fā)展。因此，1955年春，成立了國(guó)家計(jì)量局。新機(jī)構(gòu)成立之初，全局只有50人左右，儀器設(shè)備只有前清時(shí)代留下的天平和若干營(yíng)造尺等。

1957年年底，國(guó)家計(jì)量局領(lǐng)導(dǎo)一方面加緊與原中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部“工具研究院計(jì)量檢定所”籌備合并事宜，另一方面積極籌備成立新機(jī)構(gòu)以及選拔干部和培養(yǎng)人才。當(dāng)時(shí)成立的熱工處設(shè)有:(1)高溫實(shí)驗(yàn)室；(2)中低溫實(shí)驗(yàn)室；(3)電子儀表實(shí)驗(yàn)室；(4)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。首任處長(zhǎng)是彭世欽同志。在熱工處成立之初，做了不少下基層企業(yè)的服務(wù)工作。 

在人員培養(yǎng)方面，國(guó)家計(jì)量局領(lǐng)導(dǎo)派學(xué)員前往蘇聯(lián)計(jì)量科學(xué)研究院學(xué)習(xí)。在熱工專業(yè)人員的學(xué)習(xí)分配為:石質(zhì)彥學(xué)習(xí)高溫計(jì)量(高溫固定點(diǎn)、熱電偶，光學(xué)高溫標(biāo)準(zhǔn)等)，凌善康學(xué)習(xí)中低溫計(jì)量(低溫溫標(biāo)固定點(diǎn)、水三相點(diǎn)、氣壓測(cè)量?jī)x器、標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)制作等)，黃國(guó)政學(xué)習(xí)壓力計(jì)量，賀錫蘅學(xué)習(xí)化學(xué)計(jì)量。

1959年赴蘇學(xué)員學(xué)成歸國(guó)。就溫度方面而言，他們了解了如何復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)和量值傳遞全過(guò)程，同時(shí)把水三相點(diǎn)、鉑銠10-鉑熱電偶、鉑電阻溫度計(jì)的制造工藝和分度程序帶回，為我國(guó)啟動(dòng)復(fù)現(xiàn)“48溫標(biāo)”打下了基礎(chǔ)。這批學(xué)員很快成為我國(guó)溫度計(jì)量事業(yè)發(fā)展中的骨干力量。

20世紀(jì)60年代初，上對(duì)“48溫標(biāo)”作了部分修訂。1960年第11屆計(jì)量大會(huì)上，通過(guò)了“48溫標(biāo)”的修訂版，并正式定名為《1948年實(shí)用溫標(biāo)(1960年修訂版)》，并向世界頒布。修訂版對(duì)原來(lái)的溫標(biāo)在文字和實(shí)驗(yàn)方法上進(jìn)行了修改，而固定點(diǎn)的溫度數(shù)值保持不變。從此，我國(guó)開始重視計(jì)量的發(fā)展趨勢(shì)，廣泛查閱資料，從參加的各種計(jì)量活動(dòng)中了解情況，使得我國(guó)在溫度計(jì)量的發(fā)展方向上，有了比的掌握。因此，在一段時(shí)間內(nèi)，溫度實(shí)驗(yàn)室的籌備工作進(jìn)行得比較順利。1961年，國(guó)家計(jì)量局又派人員到英國(guó)國(guó)家物理所(NPL)進(jìn)行短期考察，重點(diǎn)了解開爾文測(cè)溫電橋技術(shù)，并在NPL驗(yàn)收了從英國(guó)Tinsley儀器公司的精密電橋。此設(shè)備在當(dāng)時(shí)的研究工作中起到了很大的作用。

3.《1968年實(shí)用溫標(biāo)(IPTS-68)》時(shí)期(1968～1990年)

從1968年開始，正式推行《1968年實(shí)用溫標(biāo)(IPTS-68)》(以下簡(jiǎn)稱“68溫標(biāo)”)。與“48溫標(biāo)”相比，“68溫標(biāo)”的重要修改部分為:①溫標(biāo)的下限由氧沸點(diǎn)(約90K)延伸到氫三相點(diǎn)(13.81K)；②修改了定義固定點(diǎn)的溫度值和內(nèi)插公式，目的是為了使實(shí)用溫標(biāo)溫度更接近于熱力學(xué)溫度值；③采用了第二輻射常數(shù)C2更加準(zhǔn)確的新值)。這些都使溫度數(shù)值發(fā)生了變化。從1975年開始，又對(duì)溫標(biāo)的文本進(jìn)行了一次修訂，但“68溫標(biāo)”的全部溫度數(shù)值保持不變，只是名稱改為《1968年溫標(biāo)(1975年修訂版)》。

“68溫標(biāo)”分為3個(gè)溫區(qū)，分別用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的W-t的多項(xiàng)式和標(biāo)準(zhǔn)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(lái)定義各溫區(qū)內(nèi)的溫度值。

溫度領(lǐng)域各實(shí)驗(yàn)室的工作包括:建立相關(guān)的固定點(diǎn)、挑選基準(zhǔn)內(nèi)插儀器、進(jìn)行量值傳遞等，用這些基本工作來(lái)保證我國(guó)溫度量值的準(zhǔn)確、一致。

20世紀(jì)60～70年代，正值世界上工業(yè)化國(guó)家處于經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展階段，而這時(shí)，我國(guó)卻正遭受文化大革命的嚴(yán)重破壞。動(dòng)蕩的局勢(shì)嚴(yán)重阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)和計(jì)量事業(yè)的發(fā)展步伐。

從文化大革命之后到20世紀(jì)80年代，我國(guó)經(jīng)濟(jì)才逐步恢復(fù)。此時(shí)，計(jì)量委員會(huì)溫度咨詢委員會(huì)正醞釀對(duì)“68溫標(biāo)”進(jìn)行修改，并鼓勵(lì)各成員國(guó)開展對(duì)新溫標(biāo)的研究。此時(shí)，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(yōu)秀學(xué)生，讓他們?cè)谡n題中進(jìn)行實(shí)際鍛煉與培養(yǎng)；另一方面，積極向國(guó)家科委、工業(yè)部委及國(guó)家計(jì)量局爭(zhēng)取課題立項(xiàng)和經(jīng)費(fèi)支持。同時(shí)，在內(nèi)部圍繞新溫標(biāo)，設(shè)立具有前瞻性的課題進(jìn)行研究。

20世紀(jì)80年代中期，我國(guó)溫度領(lǐng)域，在加強(qiáng)人才培養(yǎng)和合理確定課題方面使得實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展進(jìn)程加快。

這階段各部門的工作歸納如下:

(1)高溫部分

高溫實(shí)驗(yàn)室管轄的溫區(qū)為1064℃～2000℃。20世紀(jì)60年代初，在此范圍內(nèi)，我國(guó)已建立了目測(cè)光學(xué)高溫計(jì)、金凝固點(diǎn)和扇形擋板。利用它們實(shí)現(xiàn)高溫溫標(biāo)的延伸，并成功建立了我國(guó)1064℃～2000℃的IPTS-48溫標(biāo)。20世紀(jì)80年代初，趙琪和原遵東等同志研制出了“三光路調(diào)制式基準(zhǔn)光學(xué)比較儀”，為建立實(shí)用溫標(biāo)IPTS-68的高溫段打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從1987年開始，高溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步研究了“直流光電比較儀”，在技術(shù)指標(biāo)上達(dá)到了同類儀器的水平，并為實(shí)施ITS-90創(chuàng)造了良好條件。與于同時(shí)，仇乃榮同志成功研制了高穩(wěn)定度真空燈和充氣燈，為傳遞工作的順利進(jìn)行作出了貢獻(xiàn)。

(2)中低溫部分

中低溫實(shí)驗(yàn)室始建于20世紀(jì)50年代，是中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建立早的實(shí)驗(yàn)室之一。中溫溫區(qū)為0℃～961.78℃，而低溫是指13.8033K～273.16K的溫度段。因?yàn)榇藴貐^(qū)與工業(yè)和航空航天事業(yè)有密切聯(lián)系，所以備受各方面領(lǐng)導(dǎo)的重視。我國(guó)在中低溫溫標(biāo)研究領(lǐng)域的進(jìn)展，在同行中產(chǎn)生了一定的影響。我們中溫一等鉑電阻溫度計(jì)分度和傳遞工作的測(cè)量擴(kuò)展不確定度已達(dá)到(0.4～4.5)mK的水平，置信水平為95%。在建立中溫基準(zhǔn)中，當(dāng)時(shí)的課題負(fù)責(zé)人是李訏謨同志，他在課題研究所包括的中溫固定點(diǎn)復(fù)現(xiàn)、高溫鉑電阻溫度計(jì)的研制中，起了主導(dǎo)作用。

在低溫溫區(qū)，溫標(biāo)是由低溫銠鐵溫度計(jì)復(fù)現(xiàn)而保存的。低溫室在精心挑選銠鐵溫度計(jì)的過(guò)程中，以及在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研制精密低溫槽中發(fā)揮了創(chuàng)造性，收獲頗豐。這些工作也是我國(guó)低溫基準(zhǔn)組數(shù)據(jù)保持良好的可靠而必要的條件。低溫室與NPL和意大利計(jì)量所(IMGC)進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果證明:我國(guó)固定點(diǎn)在零點(diǎn)幾毫開內(nèi)與之相符。我國(guó)低溫溫標(biāo)13K以上的總不確定度保持在1mK之內(nèi)。低溫項(xiàng)目的建設(shè)中，張國(guó)權(quán)為低溫基準(zhǔn)的建立、李中樾同志為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院水三相點(diǎn)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(zhǔn)組由10支鉑銠10-鉑熱電偶組成，使用金、銀、銻3個(gè)凝固點(diǎn)分度。1978年，參加計(jì)量局組織的比對(duì)，取得了良好的結(jié)果。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的鉑銠10-鉑熱電偶的測(cè)量不確定度為0.2℃，測(cè)量范圍為0℃～1100℃。我國(guó)相應(yīng)的測(cè)量不確定度為0.3℃，測(cè)量范圍也是0℃～1100℃，英國(guó)的測(cè)量不確定度也是0.3℃，基本上處于同一水平。

4.《1990年溫標(biāo)(ITS-90)》的研究準(zhǔn)備與新溫標(biāo)的推行

《1990年溫標(biāo)(ITS-90)》(以下簡(jiǎn)稱“90溫標(biāo)”)是根據(jù)第18屆計(jì)量大會(huì)及第77屆計(jì)量委員會(huì)會(huì)議決定而在*公布實(shí)施的新溫標(biāo)。按照計(jì)量局的要求，自1990年1月1日起，在*執(zhí)行《1990年溫標(biāo)(ITS-90)》，以代替《1968年實(shí)用溫標(biāo)(IPTS-68)》和《1976年0.5～30K暫行溫標(biāo)(EPT-76)》。但是，我國(guó)準(zhǔn)備新溫標(biāo)的實(shí)施工作，早在1989～1990年期間已經(jīng)開始。按照當(dāng)時(shí)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局“553號(hào)文件”的通知，要求各省、自治區(qū)、直轄市和各部門的計(jì)量管理部門負(fù)責(zé)完成各自管轄范圍內(nèi)的ITS-90的推行工作。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院熱工處一方面承擔(dān)宣講ITS-90課程的責(zé)任；另一方面，對(duì)廣大企業(yè)中應(yīng)用的工業(yè)電阻與熱電偶的分度表，按“90溫標(biāo)”的新數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，以免影響廣大企業(yè)的生產(chǎn)。這項(xiàng)工作任務(wù)緊迫，必須按時(shí)完成。這期間，全國(guó)范圍組織了10多次宣講。任務(wù)已于1990年前提前完成。出色的溫標(biāo)推行工作，給地方單位和企業(yè)代表提供了很大的支持，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院受到國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局領(lǐng)導(dǎo)的表?yè)P(yáng)，以及計(jì)量局局長(zhǎng)奎恩(T.J.Quinn)先生的稱贊。

三、結(jié)束語(yǔ)

溫度計(jì)量建設(shè)的前30年，是老一輩溫度計(jì)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(qiáng)烈的責(zé)任感和奮斗精神，不但為計(jì)量事業(yè)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更為國(guó)家培養(yǎng)出了一批溫度計(jì)量方面的人才。在此，我們深切地期望我們的，在今后歲月里，不負(fù)眾望，使溫度計(jì)量事業(yè)再創(chuàng)輝煌。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的1234.93K～2273K溫度基準(zhǔn)裝置，1986年被批準(zhǔn)為國(guó)家基準(zhǔn)。