《欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)项目对延长全球使用的温标寿命有着重要帮助》

  • 编译者: 李晓萌
  • 发布时间:2024-09-11
  • ITS-90温标在全球范围内使用,但未解决的问题可能会限制其使用寿命。已完成的EMPIR项目解决了这些问题。

    温标

    2019年,温度的国际单位开尔文(K)根据基本玻尔兹曼常数(K)重新定义。这增加了将主要温度测量值从实验室带到使用点的可能性,并直接传播热力学温度。

    然而,这些结果可能需要十年才能实现,因此在此之前必须使用当前的温标——1990年国际温标(ITS-90)和专门的低温温标——2000年临时低温温标(PLTS-2000)。

    ITS-90包含许多子范围,涵盖了从0.65 K(-272.5℃)到>1300 K(~>1030℃)的广泛温度范围。各种纯物质的一组固定温度(熔点、冰点、三相点或沸点),例如水的三相点(273.16 K/0.01 oC)和锡的冰点(505.078 K/231.928 oC)或银的冰点(1234.93 K/961.78 oC),用于校准标准铂电阻温度计(SPT)并建立ITS-90。

    限制ITS-90寿命的问题

    30多年来,目前的天平提供了可靠、可追溯的温度测量,测量不确定度低。然而,该系统存在几个潜在问题,可能会限制其未来的使用寿命。

    一个问题是,标尺使用的一个定点是汞的三相点(Hg,234.156 K/-38.8344 oC)。这是《水俣公约》禁止的有毒金属。如果这一禁令扩大到its-90中的使用——因为没有可行的替代品——这将意味着无法获得不确定性最低的大部分范围。

    ITS-90的第二个问题在于测量不确定度,特别是与1型和3型非唯一性有关的不确定度以及与标准铂电阻温度计的使用有关的不确定性。

    1型非唯一性与同一标准铂电阻温度计的不同重叠ITS 90子范围内的插值之间的差异有关,而3型则源于同一子范围内单个温度计之间的差异。后者是由于温度计的电阻特性不同,插值不能充分考虑这些微小的差异。

    缺乏对这些因素的了解最终将限制可实现的不确定性,这反过来可能会影响高温工艺的节能或低温技术的发展。

    现已完成的EMPIR项目“实现重新定义的开尔文”(18SIB02,Real-K)解决了这两个问题。

    新的定点单元

    为了替换汞固定点,该项目研究了新的电池类型,并提供了两种基于二氧化碳(CO2)和六氟化硫(SF6)的可行替代品,并将其整合到ITS-90中。如果禁止在固定点使用汞,现在可以找到可行的替代品。

    非唯一性

    该项目使用标准铂电阻温度计对1型和3型非唯一性进行了全面调查,使ITS-90的整体测量不确定度降低了30%以上。

    最终用户现在首次对类型1和类型3的非唯一性不确定性有了可靠的估计。这将允许扩展标尺的可用性,直到主要测温方法成熟。

    其他项目成果

    新仪器和测量

    ·开发了3种主要的实用测温技术,用于在低温(<25 K)下进行测量,即一次磁场波动测温法(pMFFT)、库仑阻塞温度计(CBT)和快速声学气体温度计(fast AGT)。

    ·首次明确确定了1426 K至-3020 K的四个高温固定点(HTFP)的低不确定性温度。这些提供了比通过绝对初级辐射测量常规实现的更低的不确定性,并将有助于实现和传播具有低不确定性的热力学温度。

    ·开发了一套覆盖10 K至350 K的测温气体(如Ar、Ne、He)关键热物理性质的可靠和全面的从头计算值。这项工作将气体温度测量校准从每温度一周简化到不到一天,并为实际的基于气体的初级温度测量奠定了基础,从而直接将温度可追溯性传递到开尔文。

    该项目的一篇综述文章中列出了许多进展(Towards realising the redefined kelvin,Measurement,DOI:10.1016/j.measurement.2022.111725)。

    这项研究在两个欧洲计量伙伴关系项目中继续进行:

    ·通过多定点辐射测温(22RPT03,MultiFixRad)提高开尔文的实现,继续进行高温定点的工作。

    ·重新定义的开尔文(22IEM02,DireK-T)的传播继续了初级测温的传播。

    负责协调该项目的,来自英国国家物理实验室(NPL)的Graham Machin谈到了这项工作:“Real-K项目在实现重新定义的开尔文方面取得了巨大进展。这是通过将气体温度测量推进到最先进水平之外,并提供了新的高温固定点,这将是未来传播热力学温度的基础。ITS-90的寿命延长工作是一项关键成就,为这些更基本的温度测量方法的开发(并继续开发)提供了时间”。

    该EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。

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