2023-03-07 09:09:50 由 yihong 发表
通用测温仪和温标
从热力学上讲，温度是两个系统中的量，当两个系统进行热接触并达到热平衡时，该量在两个系统中取相同的值。 例如，如果两个不同大小的容器在不同的压力和温度下充满不同的气体进行热接触，经过一段时间后，每种气体的最终体积、压力、熵、焓和其他热力学性质可能不同， 但温度是一样的。
在热力学上，两个系统的温度比总是可以确定的。 这允许开发热力学温标，因为存在隐含的唯一零温度。 此外，它允许自由地为唯一状态分配值。 因此，温度单位的大小是任意的。
SI 温标是开尔文温标。 它将水的三相点定义为数值 273.16，即 273.16 K。该标度中的温度单位是开尔文 (K)。
另一个标度是朗肯标度，其中水的三相点定义为值 491.688 °R（朗肯度）。 在朗肯温标中，温度是开尔文温度的 9/5。
开尔文和朗肯标度都是热力学的，然而，其他非热力学标度可以从它们推导出来。 摄氏温标的单位为 °C（摄氏度），单位大小等于 1 开尔文。
T(°C) = T(K) – 273.15 Eqn. 1
而华氏温标被定义为
T(°F) = T(°R) – 459.67 Eqn. 2
此外，
T(°C) = [T(°F) – 32]*(5/9) Eqn. 3
摄氏度和华氏度都是非热力学温度标度，即温度的比率与热力学性质无关（50 °F 的一天并不比 25 °F 的一天“热”两倍！）这些尺度用于它们的 每天经历的温度范围的实用表示。
在最基本的层面上，温度计是一种具有可测量输出的设备，该输出会以可重现的方式随温度变化。 如果我们可以在不引入任何未知的、与温度相关的量的情况下明确地写出温度计的状态方程，那么我们称该温度计为初级温度计。 这些包括气体温度计、声学温度计、噪声温度计和总辐射温度计。 辅助温度计的输出必须根据定义的固定温度点进行校准。 例如，铂电阻温度检测器 (RTD) 基于铂丝电阻随温度的变化。
由于主温度计不切实际（由于尺寸、速度和费用），因此大多数应用都使用辅助温度计。 通常的做法是使用二级温度计，并根据一级温度计和固定点将其校准到国际公认的温标。 定义温标的最新努力产生了 1990 年国际温标 (ITS-90) 和 2000 年暂定低温温标 (PLTS-2000)。
ITS-90 由 17 个固定点和 4 个定义仪器定义。 它的温度范围从 0.65 K 到 10,000 K。对于低温用途，三种定义仪器是氦蒸气压测温法、气体测温法和铂电阻测温法。
对于低于 1 K 的温度，有 2000 年临时低温标度 (PLTS 2000)。 PLTS-2000 由多项式定义，该多项式将 He3 的熔化压力与 0.9 mK 至 1 K 范围内的温度相关联。压力与温度的关系基于初级温度计，例如约翰逊噪声和核取向。 PLTS-2000 的实现需要氦 3 熔化压力温度计 (MPT)。 为了最好地实现 PLTS-2000，使用了具有绝对压力标准的 MPT。 这是一种昂贵且耗时的方法。 另一种方法是使用 MPT 作为插值仪器与超导固定点结合使用。
很少（如果有的话）个人或实验室能够承担维护实现 ITS-90 和 PLTS-2000 所需设备的费用。 更习惯购买由标准实验室校准的温度计。 即便如此，该温度计通常会从主温度计中取出两到三倍。
通常，温标一旦定义，就会从初级温度计转移到由政府机构维护的二级温度计，例如国家标准与技术研究院 (NIST)、国家物理实验室 (NPL) 或德国联邦物理技术研究院 ( 聚苯乙烯）。 这些辅助温度计中最常见的是电阻温度计，它通常是高纯度铂或高纯度铑铁合金。 标准级铂电阻温度计称为标准铂电阻温度计 (SPRT)，而铑铁电阻温度计称为 RIRT。 当以无应变配置绕线时，这两种材料都非常稳定。 这些标准级电阻温度计的维护是为了方便地校准客户的温度计。 标准实验室将在一组由该政府机构校准的电阻温度计上保持温标。 这是极其昂贵和耗时的。 因此，初级标准不会用于日常操作。 相反，标准实验室将为此目的校准一套工作标准。 这些是用于校准销售给客户的温度计的标准。 校准传输过程中的每个步骤都会在最终校准的整体精度中引入一个小的附加误差。
除了传感器校准过程之外，还有一类传感器的制造过程具有高度可重复性。 所有这些传感器都具有类似的输出温度响应曲线，在指定的公差范围内。 工业级铂温度计和硅二极管是可互换传感器的示例，即它们作为温度函数的输出（R 对 T 或 V 对 T）非常均匀，任何传感器都可以与另一个传感器互换——无需校准—— 并且温度读数仍然准确。 精度水平由公差带指定。 使用硅二极管，传感器可以在 0.25 K 以内互换。
定点
可重复的温度点称为固定点。 这些只是在相同温度下可重复出现的点。 不动点的例子有很多。 这些包括沸点、凝固点、三相点、超导转变点和超流体转变点。
图 1 显示了典型的压力-温度相图。 物质可以三种状态存在：固态、液态和气态。 压力-温度图直观上是有道理的。 如果我们将物质加热到足够高的温度，它就会变成气态。 如果我们使物质承受足够高的压力，它就会变成固体。 在这些极限之间的压力和温度组合下，物质可以液体形式存在。 分隔这些物质状态的边界称为熔化（或冻结）曲线、汽化（或冷凝）曲线和升华曲线。 所有三个曲线的交点称为三重点。 所有三种物质状态都可以在该压力和温度下共存。 当我们说物质的凝固点或沸点是可重现的时，这意味着我们是在与先前测量相同的标称压力下测量该点。 如图所示，没有单一的凝固点或单一的沸点。 有无数的凝固点和沸点构成物质固态和液态之间的边界。 然而，有一个单一的三重点，这使得它本质上是可重现的。 对于一种物质来说，只有一种压力和温度的组合才能获得三相点。
图 1 – 通用压力与温度曲线
