近十年來溫度計量領(lǐng)域的發(fā)展相對比較不引人注目, 突破性的技術(shù)進展不多, 成熟的商品化新產(chǎn)品也不多。究其原因, 可能有兩方面: (1)自ITS-90實施后, 為制訂90溫標(biāo)提出主要問題得到大致解決, 需要有一個實施的穩(wěn)定期, 而溫標(biāo)方面新的突破則仍在探索中; (2) 由于溫度是計量的基本量之一,溫度測量發(fā)展得很早, 在工業(yè)生產(chǎn)上相對其他參數(shù)(如流量、 物位等導(dǎo)出量)更為成熟, 生產(chǎn)中的大部分問題, 目前的儀表和方法都可基本解決。因此近年來溫度計量方面的發(fā)展, 大致集中在以下幾個方面:
( 1)如何將ITS-90更方便、更準(zhǔn)確地傳遞到工作用的溫度計;
( 2)在溫度計量及儀表中采用高新技術(shù),尤其是信息技術(shù);
( 3)在有特殊要求, 傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的測溫場合進行重點應(yīng)用研究和探索。
本文將介紹以上幾方面發(fā)展的一些信息。雖然在熱力學(xué)溫度測量和實現(xiàn)90 溫標(biāo)技術(shù)方面都有很多進展, 但就不在本文介紹了。
1. 溫度固定點
除作為溫標(biāo)定義點的固定點, 仍在不斷改進外, 為了方便而實用地傳遞溫標(biāo), 以及提高校準(zhǔn)工作的準(zhǔn)確性, 近年來有兩類固定點備受關(guān)注, 得到較大發(fā)展。
1. 1 高溫非定義固定點
最引人注目的是高溫范圍各種金屬-碳共晶點的發(fā)展。在ITS-90的定義固定點中溫度最高的是銅凝固點(1084.62℃) , 在更高的溫度溫標(biāo)是用輻射法外推定義的, 實用上十分不便, 而且高溫時的不確定度也大。雖然CCT發(fā)布了一系列的溫度更高的純金屬相變點作為補充, 常稱為第二類固定點, 如鈀、鉑等, 但它們的溫度仍不夠高, 而且有些很難制成定點輻射黑體。所以, 以日本計量研究所(NRLM) 為首的不少國家研究所, 都在研究發(fā)展金屬- 碳共晶點, 以便能在銅點到2500℃間實現(xiàn)一系列的定點黑體。已發(fā)表的定點有鐵- 石墨(1153℃) , 鎳- 石墨(1329℃) , 鈀-石墨 (1492℃) , 銠-石墨(1657℃) , 鉑-石墨(1738℃) , 釕-石墨(1953℃) , 銥-石墨(2290℃) 和錸-石墨( 2474℃)等。這些共晶點的熔化溫坪的復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于70mK, 并優(yōu)于凝固溫坪的復(fù)現(xiàn)性。研究工作包括定點的結(jié)構(gòu)、 熔解及凝固特性、提高復(fù)現(xiàn)性以及確定這些點在溫標(biāo)上的準(zhǔn)確數(shù)值。后者已開始通過國際合作, 在若干個國家計量標(biāo)準(zhǔn)實驗室進行。在高于2500 ℃的范圍, 還嘗試了碳化物- 碳共晶點, 如TiC- 石墨共晶點, 其熔點約2755。這些定點可用于校準(zhǔn)輻射溫度計, 也有可能代替溫度燈作傳遞標(biāo)準(zhǔn), 還有可能用于熱電偶的校準(zhǔn)。未來的溫標(biāo)(如果采用這些點的話)會可能因增加了內(nèi)插點而降低不確定度。
1. 2 實用小型固定點裝置
這些裝置與實現(xiàn)ITS-90的國家計量標(biāo)準(zhǔn)實驗室用的固定點裝置相比, 其溫度不確定度雖然略大一些, 但卻遠小于通常比較法校準(zhǔn)所產(chǎn)生的不確定度。近年在中溫范圍發(fā)展了一系列小型固定點裝置, 包括水三相點,鎵、銦、錫、銻、鋅、鋁等金屬定點裝置。結(jié)構(gòu)上有為實驗室測量用的裝置, 其金屬定點瓶的尺寸為長約220mm, 直徑約40mm。它們的不確定度較小, 金屬凝固點的不確定度可優(yōu)于1mK (Sn、In、Zn 點)。還有一些更小型的, 可以制成便攜式, 用于在工業(yè)現(xiàn)場為溫度計作周期檢定。國外除各研究所研制、建立這類小型固定點裝置外, 工業(yè)界已作為產(chǎn)品投入商業(yè)生產(chǎn)(如美國Har t 公司) , 裝置上配有控制、顯示裝置及專用軟件。
2. 干井式校驗器
在常用范圍內(nèi)對工作溫度計的校準(zhǔn), 通常是用攪拌式液體槽和管式校驗爐。它們都較龐大, 而且使用不大方便, 于是人們就嘗試用金屬塊(metal block)作為恒溫腔體, 置于加熱爐中溫度較均勻的地方, 標(biāo)準(zhǔn)和被校的溫度計通過導(dǎo)管插入金屬塊的插孔(well)中, 利用金屬塊良好的熱傳導(dǎo)能力和較大的熱容, 獲得較好的溫度均勻性和穩(wěn)定性, 作為比較法校準(zhǔn)的恒溫比較熱源。隨著科技的發(fā)展, 現(xiàn)在通過對爐子的分段加熱、程序加熱,已可制造出體積小、升降溫快、溫度均勻性好的裝置, 裝置上并安裝有以計算機為核心的控溫、測溫儀器。作為一個給出標(biāo)準(zhǔn)溫度值的計量器具, 在國外叫做干井式校驗器(Dry- well calibrator) , 也可叫做金屬塊校驗器(Metal block calibrator) , 或溫度塊校驗器(Temperature block calibrator) , 供實驗室和現(xiàn)場校準(zhǔn)用, 十分方便。目前不但市場上已有成系列的產(chǎn)品, 各國的國家計量標(biāo)準(zhǔn)研究部門也投入力量進行工作。這種類型的校驗器已在國際計量領(lǐng)域獲得普遍的認可, 國外約90%的工業(yè)溫度計的校準(zhǔn)工作是用干井式校驗器實施的。為保證它作為一個計量器具用于傳遞溫標(biāo)的準(zhǔn)確性, 歐洲一些國家的計量標(biāo)準(zhǔn)研究機構(gòu)對它們進行試驗比對, 并制訂了歐洲的 溫度塊校驗器的校準(zhǔn)導(dǎo)則, 在2000 年以 EA10/ 13 出版物頒布。標(biāo)準(zhǔn)實驗室的干井式校驗器, 在600~1064范圍, 從插孔底部起40~ 80mm 內(nèi), 具有0. 05℃的溫度均勻性, 用來校準(zhǔn)熱電偶時的準(zhǔn)確性為0. 2。商品生產(chǎn)的校驗器具有0. 1以內(nèi)的溫度均勻性, 不同的校驗器可復(fù)蓋從- 25~ 650℃的范圍, 校驗的準(zhǔn)確度為±0.25~ 0.5 ℃ , 重量在2.7~ 5.4kg 之間。結(jié)構(gòu)上除實驗室用的形式外, 還有做成便攜式的, 供現(xiàn)場校準(zhǔn)之用。校準(zhǔn)的對象除熱電偶、熱電阻外, 還有做成用于輻射溫度計校準(zhǔn)用的黑體型的校驗器。我國干井式校驗器的研制和用它們來校準(zhǔn)工業(yè)溫度計的工作也開展了相當(dāng)長的時間, 如上海工業(yè)自動化儀表研究所就開發(fā)并生產(chǎn)過不同溫度范圍、不同精度的各種干井式校驗器。但我國的這類裝置, 通常不包括標(biāo)準(zhǔn)溫度計和相應(yīng)的測量儀表, 因此不給出標(biāo)準(zhǔn)溫度值, 嚴格地說, 它們還是比較式溫
3. 熱電偶和熱電阻
3. 1 純貴金屬熱電偶的研究
由兩種純金屬組成的熱電偶, 因其材料均勻性遠優(yōu)于合金材料, 因而穩(wěn)定性會好得多。在鉑銠合金熱電偶(S、R型)的不確定度已很難提高之后, 人們開始尋找由純貴金屬組成的熱電偶, 以代替S和R型熱電偶, 作為傳遞的標(biāo)準(zhǔn)。在80年代是鉑-金(Pt/ Au)熱電偶研究的高潮, 它的優(yōu)良的熱電穩(wěn)定性和均勻性已得到確認, 并在各國的計量標(biāo)準(zhǔn)工作中廣泛應(yīng)用。但在我國, 它尚未得到官方的認可, 即在法定的傳遞系統(tǒng)中, 仍沒有它的位置。但它的工作上限受金的熔點的限制, 只能到1000。因此90 年代以來鉑-鈀( Pt/ Pd)熱電偶的研究甚為引人注目。研究表明, Pt / Pd 熱電偶的特性遠優(yōu)于Pt Ph 合金系熱電偶, 其均勻性極佳, 在使用2000 小時后, 因氧化引起的漂移小于50mK。在經(jīng)過一定時間的高溫老化后, 熱電-溫度關(guān)系就趨于穩(wěn)定。據(jù)報導(dǎo), 在1100 ℃爐內(nèi)退火時, 在500小時內(nèi)Ag點熱電勢值共變化了約80mK, 經(jīng)過退火后在1100攝氏度的變化率降至10mK/100小時。使用到1300℃ , 它仍有
3. 2 用工業(yè)級鉑熱電阻作為傳遞的標(biāo)準(zhǔn)
石英保護管的長桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計雖然是實現(xiàn)和傳遞溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器, 但在許多工作溫度計的校準(zhǔn)場合, 其結(jié)構(gòu)并不適合作傳遞標(biāo)準(zhǔn), 而且它的精確度太高, 常常比被校溫度計(如工業(yè)鉑熱電阻) 高出幾十倍以至上百倍, 超出傳遞鏈的要求, 是不合理的。在這些校準(zhǔn)工作中, 需要一種尺寸較小, 不易損壞而精確度又合乎要求的標(biāo)準(zhǔn)器。工業(yè)級鉑熱電阻元件經(jīng)多年研究, 其穩(wěn)定性相當(dāng)好, 并已得到國際上的確認, 用這些元件制成溫度計, 單獨分度并按一定程序周期檢定, 完全可以作為一種傳遞標(biāo)準(zhǔn)。除穩(wěn)定性外, 分度方程也是一個重要的不確定度來源, 因為它的分度關(guān)系并不符合國際溫標(biāo)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計的分度方程。如果沿用工業(yè)鉑熱電阻的分度方程(Callendar - Van Duson方程) , 則可能帶來40mK 的不確定度。研究表明, 在Callendar-Van Duson方程的基礎(chǔ)上加以修正, 可把這個不確定度減至10mK 以內(nèi)。意大利已在國家計量檢定系統(tǒng)中正式確認了用工業(yè)級鉑熱電阻作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的方法。在我國, 這種方法實際上在一些計量、 研究單位已長期應(yīng)用。雖然目前這種方法還未在全國計量系統(tǒng)中取得合法地位, 但我國溫度標(biāo)準(zhǔn)器具計量技術(shù)委員會已決定并開始采取必要步驟, 使這種合理的方法合法化。
3. 3 熱電偶用于特殊場合的測溫
在許多測溫十分困難的工業(yè)場合, 主要問題是“保護”, 即為常規(guī)的熱電偶絲提供良好的、有針對性的保護, 以抗拒惡劣的環(huán)境,在保護問題上, 一直有探索和進展。為了解決鎢-錸熱電偶高溫下無法在氧化氣氛工作中的問題, 美國在保護管內(nèi)人為制造非氧化氣氛, 另一種已在工業(yè)上應(yīng)用的辦法是用復(fù)合管型的實體熱電偶, 保護管用兩種不同種類、有不同用途的材料復(fù)合而成, 可以是金屬或陶瓷, 或金屬陶瓷。這樣提高了耐磨、耐腐蝕的性能。我國東北大學(xué)長期在這方面從事研究, 其成果已在鋁、銅、鋼鐵等冶金行業(yè)的不同生產(chǎn)過程的應(yīng)中獲得成功。
4. 輻射測溫
輻射測溫在近年相對其他的測溫領(lǐng)域顯得活躍些。
4. 1 建立輻射溫度標(biāo)準(zhǔn)的研究
按ITS-90定義的標(biāo)準(zhǔn)儀器直接來傳遞溫標(biāo)給輻射測溫儀表是不現(xiàn)實的, 也不方便,因而各國都在研究用輻射溫度計作標(biāo)準(zhǔn)傳遞溫標(biāo), 即以標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計的輸出來定義溫度值。習(xí)慣上常用建立輻射溫標(biāo)這個詞。這工作包括以下幾個環(huán)節(jié):
( 1)研制可作為標(biāo)準(zhǔn)器的輻射溫度計( 或叫光電溫度計)。德國PTB發(fā)展了LP2、LP3標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計, 具有很高的線性度和很低的噪聲平(1800K時在2ms的平均值僅約2mK) , 作為商品的名義精度為0.1%, 重復(fù)性為0.03% 至0.1%, 測量范圍為1000~3400K。
( 2)建立一批固定點黑體和以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計為標(biāo)準(zhǔn)的比較黑體。
( 3)建立標(biāo)準(zhǔn)輻射溫度計的輸出與溫標(biāo)的關(guān)系, 研究它的不確定度。為了確認所建立的溫標(biāo)不確定度, 各國國家計量標(biāo)準(zhǔn)研究機構(gòu)開展了一系列的比對工作。
4. 2 對目標(biāo)尺寸影響(SSE)的研究
在上述工作中, 輻射溫度計的目標(biāo)尺寸影響的研究重要性日漸顯得突出。由于溫度計光學(xué)系統(tǒng)無法嚴格限制入射能量的目標(biāo)尺寸,因而當(dāng)同一溫度計測量不同尺寸黑體輻射源, 或在不同距離安裝時, 會給出不同的輸出值, 這是建立的輻射溫標(biāo)的一個重要的不確定度來源。為此各國對這個影響的數(shù)值、測試方法進行了較詳盡的研究。對LP3 溫度計, 當(dāng)其目標(biāo)直徑由10mm 變至70mm 時,SSE 小于1.2×0.001; 在 1500K 當(dāng)距離在458~ 1005mm變化時, 輸出變化為0.15K。在工作輻射溫度計中, 這種誤差來源一直受到重視, 但因通常設(shè)計目標(biāo)大, 嚴格地試驗的條件不易滿足, 所以對個問題的研究不像標(biāo)準(zhǔn)溫度計這樣細致。
4. 3 技術(shù)條件及標(biāo)準(zhǔn)性能測試方法的規(guī)范化
對工作級輻射溫度計的技術(shù)條件、校準(zhǔn)及性能測試方法, 國際上一直沒有權(quán)威性、規(guī)范性的文件, 有此類法規(guī)的國家也不多(我國是其中之一)。由于輻射溫度計的應(yīng)用越來越廣, 并由工業(yè)發(fā)展到日常生活(紅外耳溫計的產(chǎn)量已數(shù)百萬只) , 這方面需求的呼聲也日益強烈。1996 年OIML 發(fā)布了全輻射高溫計的國際文件( International Document) , 近來 IEC也在起草輻射溫度計的國際標(biāo)準(zhǔn), 從而開始國際規(guī)范化的工作。IEC 草案中的校準(zhǔn)、測試方法與OIML 的文件基本一致。值得注意的是校準(zhǔn)方法中與我國的檢定規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)有明顯的不一致之處。國際文件規(guī)定校準(zhǔn)時溫度計應(yīng)瞄準(zhǔn)的目標(biāo)是黑體腔腔口, 這樣定義理論上嚴格而明確, 但對工業(yè)溫度計很難實施, 而中國規(guī)定瞄準(zhǔn)腔底, 定義不如前者嚴格, 但方便實施。如何應(yīng)對值得我們注意, 需要加以討論研究。
4. 4 光通道熱轉(zhuǎn)換器( Light conduit ther- mal conver tor )
它有許多叫法, 也叫光偶, 或代替熱電偶的輻射測溫探頭, 或符合熱電偶關(guān)系的紅外測溫探頭(IR-TC)。它有類似熱電偶外保護套管的套管, 插入被測介質(zhì)中, 在套管出口附近安裝小型輻射測溫探頭, 用透鏡聚焦瞄準(zhǔn)套管底部(相當(dāng)于黑體腔)或不用透鏡而用光纖導(dǎo)光, 通過信號處理, 直接輸出與熱電偶分度特性相同的毫伏信號。它避免了熱電偶材料高溫下的漂移, 也避免了輻射溫度計受對象發(fā)射率影響大的缺點, 又吸收了熱電偶能測氣、液介質(zhì)和在控制系統(tǒng)中配套方便的優(yōu)點。這種測溫傳感器的設(shè)想由來已久, 但長期無法真正實現(xiàn)。由于信息處理技術(shù)的進步及輻射測溫技術(shù)的進步, 現(xiàn)在已有直接轉(zhuǎn)換為各種熱電偶分度表輸出關(guān)系的產(chǎn)品。在美國已有商品生產(chǎn), 烏克蘭報導(dǎo)他們的轉(zhuǎn)換器可測量700~ 1800℃范圍, 在1700K 惡劣環(huán)境中使用1000 小時后, 變化不超過2K。
4. 5 消除發(fā)射率對輻射測溫的影響
輻射測溫法最大的誤差來源是被測對象發(fā)射率的影響。為減少這個影響, 多年來研究過許多辦法。90年代初, 由于硅列陣元件的成熟和計算機技術(shù)的進步, 出現(xiàn)了多波長輻射溫度計, 測量多個波長的輻射信號并計算其比值, 輔以對象發(fā)射率的背景知識, 通常可較大地減少發(fā)射率的影響。但理論上不能消除這個影響, 實際上在一些情況下仍會產(chǎn)生較大誤差。激光吸收輻射測溫法( Laserabsorpt ion radiation thermometry 即LART )理論上可以完全消除發(fā)射率這個影響因素。它利用兩束不同波長的大功率激光, 投射到被測對象表面的兩個點, 使之吸收能量而產(chǎn)生溫升。調(diào)節(jié)激光的能量, 使兩個點的溫升相同, 測量兩束激光的能量之比, 再測量不投射激光時對象在該兩個波長的輻射能量比, 就可以計算出被測表面的真實溫度。90年代這個方法在英國得到發(fā)展, 以后又作為歐洲合作項目進行了進一步研究, 其目的是在工業(yè)上解決材料真實溫度測量問題。實驗室測量的結(jié)果令人滿意, 證實了這種方法與對象發(fā)射率無關(guān)。在847~ 1033℃范圍, 對處于同一溫度而發(fā)射率相差很大的兩種材料Pt和Inconel(一種耐熱合金) 測量的結(jié)果, 相差在3以內(nèi)。但目前的進展離工業(yè)應(yīng)用還有很遠距離。
5. 光纖測溫
在常規(guī)辦法無法測量的場合, 光纖測溫得到較快發(fā)展。
( 1)用喇曼反向散射效應(yīng)測量溫度分布,用以檢測埋于地下的油、氣管線的泄漏。對溫度敏感的光纖沿管線平行地敷設(shè)于管線下,測量泥土中的溫度分布。泄漏的油或氣會引起泄漏點附近溫度反常, 改變了光纖的微觀特性, 從而改變了反向散射光的強度, 用時間分辨的辦法分析強度的變化, 即可確定泄漏位置。自動地比較已測量的正常狀態(tài)下的溫度分布與出現(xiàn)異常的溫度分布, 可以可靠地檢測泄漏。這種方法可用于管線永久性監(jiān)測。
( 2)用熒光衰減時間法( fluorescencel lifetime)測溫。溫度探頭的前端是用受激發(fā)可
發(fā)出熒光的材料制成的敏感元件(如鉻-釔鋁石榴石, 即Cr-YAG) , 產(chǎn)生的熒光按指數(shù)曲線衰減, 該指數(shù)是溫度的函數(shù)。激發(fā)光及受激熒光通過光纖傳輸。測量記錄衰減曲線并通過函數(shù)自動擬合, 可得到熒光時間值, 從而確定溫度。溫度探頭使用晶狀敏感元件時, 與光纖間需要耦合, 常因耦合不良使測量不可靠。新的研究報導(dǎo), 如果在蘭寶石光纖
端部摻入Cr3離子, 則可根本上解決這個問題, 并可在-50~ 550℃ 寬廣的范圍使用。
6. 信息技術(shù)時代自動化系統(tǒng)中的溫度檢測儀表
工業(yè)溫度計主要用于工業(yè)過程的測量、控制, 它們和其他參數(shù)的檢測儀表一樣, 是工業(yè)過程自動化系統(tǒng)中的一部分, 可視為系統(tǒng)中的一個裝置或元件。他們的功能和特性除量值測量外,還需具有滿足系統(tǒng)要求的其他特性和功能。對一個系統(tǒng)而言, 這些特性和功能通?？赡鼙葴?zhǔn)確度具有更重要的意義。現(xiàn)代的工業(yè)過程自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System 即FCS)它是信息技術(shù)進入工業(yè)自動化后出現(xiàn)的新一代的自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。所有的現(xiàn)場儀表(溫度檢測儀表是其中一種)均接到現(xiàn)場總線上。在一個系統(tǒng)中, 通常不應(yīng)使用各有不同輸出的溫度計, 必須將輸出轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的電信號, 這樣溫度計就變成了溫度變送器。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的溫度變送器主要是熱電偶變送器和熱電阻變送器, 也有輻射溫度變送器。為適應(yīng)這種系統(tǒng)的要求, 它們應(yīng)具有以下的功能:
( 1)數(shù)字化。
( 2)通信功能, 即能遵循不同總線類型規(guī)定的通信規(guī)約, 實現(xiàn)雙向通信。
( 3)必要的智能, 如自動補償, 自動校正、自動切換量程、 自動切換分度號和自整定等。
( 4)有些場合還要求具有現(xiàn)場模擬指示。同時, 在特性上, 要滿足系統(tǒng)對電磁兼容
性的要求和電源與信號傳輸一致性的要求。目前采用現(xiàn)場總線技術(shù)的變送器, 已有適用不同總線類型(如 F. F, Profibus 等) 的產(chǎn)品。我國也已研制成功了現(xiàn)場總線式的熱電偶和熱電阻變送器。這些產(chǎn)品在新的使用現(xiàn)場總線技術(shù)的自動化系統(tǒng)中, 得到越來越廣泛的應(yīng)用, 而且隨信息技術(shù)的迅速發(fā)展, 會得到越來越快的更新。