近十年来温度计量领域的发展相对比较不引人注目, 突破性的技术进展不多, 成熟的商品化新产品也不多。究其原因, 可能有两方面: (1)自ITS-90实施后, 为制订90温标提出主要问题得到大致解决, 需要有一个实施的稳定期, 而温标方面新的突破则仍在探索中; (2) 由于温度是计量的基本量之一,温度测量发展得很早, 在工业生产上相对其他参数(如流量、 物位等导出量)更为成熟, 生产中的大部分问题, 目前的仪表和方法都可基本解决。因此近年来温度计量方面的发展, 大致集中在以下几个方面:
( 1)如何将ITS-90更方便、更准确地传递到工作用的温度计;
( 2)在温度计量及仪表中采用高新技术,尤其是信息技术;
( 3)在有特殊要求, 传统技术难以解决的测温场合进行重点应用研究和探索。
本文将介绍以上几方面发展的一些信息。虽然在热力学温度测量和实现90 温标技术方面都有很多进展, 但就不在本文介绍了。
1. 温度固定点
除作为温标定义点的固定点, 仍在不断改进外, 为了方便而实用地传递温标, 以及提高校准工作的准确性, 近年来有两类固定点备受关注, 得到较大发展。
1. 1 高温非定义固定点
最引人注目的是高温范围各种金属-碳共晶点的发展。在ITS-90的定义固定点中温度最高的是铜凝固点(1084.62℃) , 在更高的温度温标是用辐射法外推定义的, 实用上十分不便, 而且高温时的不确定度也大。虽然CCT发布了一系列的温度更高的纯金属相变点作为补充, 常称为第二类固定点, 如钯、铂等, 但它们的温度仍不够高, 而且有些很难制成定点辐射黑体。所以, 以日本计量研究所(NRLM) 为首的不少国家研究所, 都在研究发展金属- 碳共晶点, 以便能在铜点到2500℃间实现一系列的定点黑体。已发表的定点有铁- 石墨(1153℃) , 镍- 石墨(1329℃) , 钯-石墨 (1492℃) , 铑-石墨(1657℃) , 铂-石墨(1738℃) , 钌-石墨(1953℃) , 铱-石墨(2290℃) 和铼-石墨( 2474℃)等。这些共晶点的熔化温坪的复现性优于70mK, 并优于凝固温坪的复现性。研究工作包括定点的结构、 熔解及凝固特性、提高复现性以及确定这些点在温标上的准确数值。后者已开始通过国际合作, 在若干个国家计量标准实验室进行。在高于2500 ℃的范围, 还尝试了碳化物- 碳共晶点, 如TiC- 石墨共晶点, 其熔点约2755。这些定点可用于校准辐射温度计, 也有可能代替温度灯作传递标准, 还有可能用于热电偶的校准。未来的温标(如果采用这些点的话)会可能因增加了内插点而降低不确定度。
1. 2 实用小型固定点装置
这些装置与实现ITS-90的国家计量标准实验室用的固定点装置相比, 其温度不确定度虽然略大一些, 但却远小于通常比较法校准所产生的不确定度。近年在中温范围发展了一系列小型固定点装置, 包括水三相点,镓、铟、锡、锑、锌、铝等金属定点装置。结构上有为实验室测量用的装置, 其金属定点瓶的尺寸为长约220mm, 直径约40mm。它们的不确定度较小, 金属凝固点的不确定度可优于1mK (Sn、In、Zn 点)。还有一些更小型的, 可以制成便携式, 用于在工业现场为温度计作周期检定。国外除各研究所研制、建立这类小型固定点装置外, 工业界已作为产品投入商业生产(如美国Har t 公司) , 装置上配有控制、显示装置及专用软件。
2. 干井式校验器
在常用范围内对工作温度计的校准, 通常是用搅拌式液体槽和管式校验炉。它们都较庞大, 而且使用不大方便, 于是人们就尝试用金属块(metal block)作为恒温腔体, 置于加热炉中温度较均匀的地方, 标准和被校的温度计通过导管插入金属块的插孔(well)中, 利用金属块良好的热传导能力和较大的热容, 获得较好的温度均匀性和稳定性, 作为比较法校准的恒温比较热源。随着科技的发展, 现在通过对炉子的分段加热、程序加热,已可制造出体积小、升降温快、温度均匀性好的装置, 装置上并安装有以计算机为核心的控温、测温仪器。作为一个给出标准温度值的计量器具, 在国外叫做干井式校验器(Dry- well calibrator) , 也可叫做金属块校验器(Metal block calibrator) , 或温度块校验器(Temperature block calibrator) , 供实验室和现场校准用, 十分方便。目前不但市场上已有成系列的产品, 各国的国家计量标准研究部门也投入力量进行工作。这种类型的校验器已在国际计量领域获得普遍的认可, 国外约90%的工业温度计的校准工作是用干井式校验器实施的。为保证它作为一个计量器具用于传递温标的准确性, 欧洲一些国家的计量标准研究机构对它们进行试验比对, 并制订了欧洲的 温度块校验器的校准导则, 在2000 年以 EA10/ 13 出版物颁布。标准实验室的干井式校验器, 在600~1064范围, 从插孔底部起40~ 80mm 内, 具有0. 05℃的温度均匀性, 用来校准热电偶时的准确性为0. 2。商品生产的校验器具有0. 1以内的温度均匀性, 不同的校验器可复盖从- 25~ 650℃的范围, 校验的准确度为±0.25~ 0.5 ℃ , 重量在2.7~ 5.4kg 之间。结构上除实验室用的形式外, 还有做成便携式的, 供现场校准之用。校准的对象除热电偶、热电阻外, 还有做成用于辐射温度计校准用的黑体型的校验器。我国干井式校验器的研制和用它们来校准工业温度计的工作也开展了相当长的时间, 如上海工业自动化仪表研究所就开发并生产过不同温度范围、不同精度的各种干井式校验器。但我国的这类装置, 通常不包括标准温度计和相应的测量仪表, 因此不给出标准温度值, 严格地说, 它们还是比较式温
3. 热电偶和热电阻
3. 1 纯贵金属热电偶的研究
由两种纯金属组成的热电偶, 因其材料均匀性远优于合金材料, 因而稳定性会好得多。在铂铑合金热电偶(S、R型)的不确定度已很难提高之后, 人们开始寻找由纯贵金属组成的热电偶, 以代替S和R型热电偶, 作为传递的标准。在80年代是铂-金(Pt/ Au)热电偶研究的高潮, 它的优良的热电稳定性和均匀性已得到确认, 并在各国的计量标准工作中广泛应用。但在我国, 它尚未得到官方的认可, 即在法定的传递系统中, 仍没有它的位置。但它的工作上限受金的熔点的限制, 只能到1000。因此90 年代以来铂-钯( Pt/ Pd)热电偶的研究甚为引人注目。研究表明, Pt / Pd 热电偶的特性远优于Pt Ph 合金系热电偶, 其均匀性极佳, 在使用2000 小时后, 因氧化引起的漂移小于50mK。在经过一定时间的高温老化后, 热电-温度关系就趋于稳定。据报导, 在1100 ℃炉内退火时, 在500小时内Ag点热电势值共变化了约80mK, 经过退火后在1100摄氏度的变化率降至10mK/100小时。使用到1300℃ , 它仍有
3. 2 用工业级铂热电阻作为传递的标准
石英保护管的长杆型标准铂电阻温度计虽然是实现和传递温标的标准仪器, 但在许多工作温度计的校准场合, 其结构并不适合作传递标准, 而且它的精确度太高, 常常比被校温度计(如工业铂热电阻) 高出几十倍以至上百倍, 超出传递链的要求, 是不合理的。在这些校准工作中, 需要一种尺寸较小, 不易损坏而精确度又合乎要求的标准器。工业级铂热电阻元件经多年研究, 其稳定性相当好, 并已得到国际上的确认, 用这些元件制成温度计, 单独分度并按一定程序周期检定, 完全可以作为一种传递标准。除稳定性外, 分度方程也是一个重要的不确定度来源, 因为它的分度关系并不符合国际温标中规定的标准铂电阻温度计的分度方程。如果沿用工业铂热电阻的分度方程(Callendar - Van Duson方程) , 则可能带来40mK 的不确定度。研究表明, 在Callendar-Van Duson方程的基础上加以修正, 可把这个不确定度减至10mK 以内。意大利已在国家计量检定系统中正式确认了用工业级铂热电阻作为传递标准的方法。在我国, 这种方法实际上在一些计量、 研究单位已长期应用。虽然目前这种方法还未在全国计量系统中取得合法地位, 但我国温度标准器具计量技术委员会已决定并开始采取必要步骤, 使这种合理的方法合法化。
3. 3 热电偶用于特殊场合的测温
在许多测温十分困难的工业场合, 主要问题是“保护”, 即为常规的热电偶丝提供良好的、有针对性的保护, 以抗拒恶劣的环境,在保护问题上, 一直有探索和进展。为了解决钨-铼热电偶高温下无法在氧化气氛工作中的问题, 美国在保护管内人为制造非氧化气氛, 另一种已在工业上应用的办法是用复合管型的实体热电偶, 保护管用两种不同种类、有不同用途的材料复合而成, 可以是金属或陶瓷, 或金属陶瓷。这样提高了耐磨、耐腐蚀的性能。我国东北大学长期在这方面从事研究, 其成果已在铝、铜、钢铁等冶金行业的不同生产过程的应中获得成功。
4. 辐射测温
辐射测温在近年相对其他的测温领域显得活跃些。
4. 1 建立辐射温度标准的研究
按ITS-90定义的标准仪器直接来传递温标给辐射测温仪表是不现实的, 也不方便,因而各国都在研究用辐射温度计作标准传递温标, 即以标准辐射温度计的输出来定义温度值。习惯上常用建立辐射温标这个词。这工作包括以下几个环节:
( 1)研制可作为标准器的辐射温度计( 或叫光电温度计)。德国PTB发展了LP2、LP3标准辐射温度计, 具有很高的线性度和很低的噪声平(1800K时在2ms的平均值仅约2mK) , 作为商品的名义精度为0.1%, 重复性为0.03% 至0.1%, 测量范围为1000~3400K。
( 2)建立一批固定点黑体和以标准铂电阻温度计为标准的比较黑体。
( 3)建立标准辐射温度计的输出与温标的关系, 研究它的不确定度。为了确认所建立的温标不确定度, 各国国家计量标准研究机构开展了一系列的比对工作。
4. 2 对目标尺寸影响(SSE)的研究
在上述工作中, 辐射温度计的目标尺寸影响的研究重要性日渐显得突出。由于温度计光学系统无法严格限制入射能量的目标尺寸,因而当同一温度计测量不同尺寸黑体辐射源, 或在不同距离安装时, 会给出不同的输出值, 这是建立的辐射温标的一个重要的不确定度来源。为此各国对这个影响的数值、测试方法进行了较详尽的研究。对LP3 温度计, 当其目标直径由10mm 变至70mm 时,SSE 小于1.2×0.001; 在 1500K 当距离在458~ 1005mm变化时, 输出变化为0.15K。在工作辐射温度计中, 这种误差来源一直受到重视, 但因通常设计目标大, 严格地试验的条件不易满足, 所以对个问题的研究不像标准温度计这样细致。
4. 3 技术条件及标准性能测试方法的规范化
对工作级辐射温度计的技术条件、校准及性能测试方法, 国际上一直没有权威性、规范性的文件, 有此类法规的国家也不多(我国是其中之一)。由于辐射温度计的应用越来越广, 并由工业发展到日常生活(红外耳温计的产量已数百万只) , 这方面需求的呼声也日益强烈。1996 年OIML 发布了全辐射高温计的国际文件( International Document) , 近来 IEC也在起草辐射温度计的国际标准, 从而开始国际规范化的工作。IEC 草案中的校准、测试方法与OIML 的文件基本一致。值得注意的是校准方法中与我国的检定规程和标准有明显的不一致之处。国际文件规定校准时温度计应瞄准的目标是黑体腔腔口, 这样定义理论上严格而明确, 但对工业温度计很难实施, 而中国规定瞄准腔底, 定义不如前者严格, 但方便实施。如何应对值得我们注意, 需要加以讨论研究。
4. 4 光通道热转换器( Light conduit ther- mal conver tor )
它有许多叫法, 也叫光偶, 或代替热电偶的辐射测温探头, 或符合热电偶关系的红外测温探头(IR-TC)。它有类似热电偶外保护套管的套管, 插入被测介质中, 在套管出口附近安装小型辐射测温探头, 用透镜聚焦瞄准套管底部(相当于黑体腔)或不用透镜而用光纤导光, 通过信号处理, 直接输出与热电偶分度特性相同的毫伏信号。它避免了热电偶材料高温下的漂移, 也避免了辐射温度计受对象发射率影响大的缺点, 又吸收了热电偶能测气、液介质和在控制系统中配套方便的优点。这种测温传感器的设想由来已久, 但长期无法真正实现。由于信息处理技术的进步及辐射测温技术的进步, 现在已有直接转换为各种热电偶分度表输出关系的产品。在美国已有商品生产, 乌克兰报导他们的转换器可测量700~ 1800℃范围, 在1700K 恶劣环境中使用1000 小时后, 变化不超过2K。
4. 5 消除发射率对辐射测温的影响
辐射测温法最大的误差来源是被测对象发射率的影响。为减少这个影响, 多年来研究过许多办法。90年代初, 由于硅列阵元件的成熟和计算机技术的进步, 出现了多波长辐射温度计, 测量多个波长的辐射信号并计算其比值, 辅以对象发射率的背景知识, 通常可较大地减少发射率的影响。但理论上不能消除这个影响, 实际上在一些情况下仍会产生较大误差。激光吸收辐射测温法( Laserabsorpt ion radiation thermometry 即LART )理论上可以完全消除发射率这个影响因素。它利用两束不同波长的大功率激光, 投射到被测对象表面的两个点, 使之吸收能量而产生温升。调节激光的能量, 使两个点的温升相同, 测量两束激光的能量之比, 再测量不投射激光时对象在该两个波长的辐射能量比, 就可以计算出被测表面的真实温度。90年代这个方法在英国得到发展, 以后又作为欧洲合作项目进行了进一步研究, 其目的是在工业上解决材料真实温度测量问题。实验室测量的结果令人满意, 证实了这种方法与对象发射率无关。在847~ 1033℃范围, 对处于同一温度而发射率相差很大的两种材料Pt和Inconel(一种耐热合金) 测量的结果, 相差在3以内。但目前的进展离工业应用还有很远距离。
5. 光纤测温
在常规办法无法测量的场合, 光纤测温得到较快发展。
( 1)用喇曼反向散射效应测量温度分布,用以检测埋于地下的油、气管线的泄漏。对温度敏感的光纤沿管线平行地敷设于管线下,测量泥土中的温度分布。泄漏的油或气会引起泄漏点附近温度反常, 改变了光纤的微观特性, 从而改变了反向散射光的强度, 用时间分辨的办法分析强度的变化, 即可确定泄漏位置。自动地比较已测量的正常状态下的温度分布与出现异常的温度分布, 可以可靠地检测泄漏。这种方法可用于管线永久性监测。
( 2)用荧光衰减时间法( fluorescencel lifetime)测温。温度探头的前端是用受激发可
发出荧光的材料制成的敏感元件(如铬-钇铝石榴石, 即Cr-YAG) , 产生的荧光按指数曲线衰减, 该指数是温度的函数。激发光及受激荧光通过光纤传输。测量记录衰减曲线并通过函数自动拟合, 可得到荧光时间值, 从而确定温度。温度探头使用晶状敏感元件时, 与光纤间需要耦合, 常因耦合不良使测量不可靠。新的研究报导, 如果在兰宝石光纤
端部掺入Cr3离子, 则可根本上解决这个问题, 并可在-50~ 550℃ 宽广的范围使用。
6. 信息技术时代自动化系统中的温度检测仪表
工业温度计主要用于工业过程的测量、控制, 它们和其他参数的检测仪表一样, 是工业过程自动化系统中的一部分, 可视为系统中的一个装置或元件。他们的功能和特性除量值测量外,还需具有满足系统要求的其他特性和功能。对一个系统而言, 这些特性和功能通常可能比准确度具有更重要的意义。现代的工业过程自动化系统是现场总线控制系统(Fieldbus Control System 即FCS)它是信息技术进入工业自动化后出现的新一代的自动控制系统。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自控装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。所有的现场仪表(温度检测仪表是其中一种)均接到现场总线上。在一个系统中, 通常不应使用各有不同输出的温度计, 必须将输出转变成统一的电信号, 这样温度计就变成了温度变送器。在现场总线控制系统中的温度变送器主要是热电偶变送器和热电阻变送器, 也有辐射温度变送器。为适应这种系统的要求, 它们应具有以下的功能:
( 1)数字化。
( 2)通信功能, 即能遵循不同总线类型规定的通信规约, 实现双向通信。
( 3)必要的智能, 如自动补偿, 自动校正、自动切换量程、 自动切换分度号和自整定等。
( 4)有些场合还要求具有现场模拟指示。同时, 在特性上, 要满足系统对电磁兼容
性的要求和电源与信号传输一致性的要求。目前采用现场总线技术的变送器, 已有适用不同总线类型(如 F. F, Profibus 等) 的产品。我国也已研制成功了现场总线式的热电偶和热电阻变送器。这些产品在新的使用现场总线技术的自动化系统中, 得到越来越广泛的应用, 而且随信息技术的迅速发展, 会得到越来越快的更新。