Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

История единицы температуры и международной шкалы температур

1878 г. Начало изготовления эталонов метра. Каждый национальный эталон метра был снабжен двумя ртутно-стеклянными термометрами, которые калибровались в МБМВ.  Термометры, по заказу МБМВ были изготовлены парижским мастером Тоннело. Термометры были изготовлены из специального очень стабильного стекла, так, что воспроизводимость их показаний достигала нескольких тысячных долей градуса. Возникла необходимость установить единую международную шкалу температур, по которой термометры могли точно калиброваться. 

1884-87 г. Работа по установлению абсолютной (термодинамической) шкалы, по которой могли калиброваться лучшие ртутные термометры,  проводилась в МБМВ французским ученым Шаппюи. На первом этапе исследований он детально изучил газовый термометр постоянного объема, используя для его заполнения различные газы: водород, азот, диоксид углерода. Погрешность его измерений оценивалась на уровне одной сотой градуса в диапазоне до 100 °С. 

1887 г. Международная конференция по мерам и весам одобрила первую практическую международную шкалу температур – шкалу, реализуемую водородным газовым термометром постоянного объема, названную нормальной водородной шкалой. Шкала была основана на двух реперных точках – точке плавления льда и кипения воды. Решение было ратифицировано Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 г. 

1888-1889 г. Исследования Шаппюи были продолжены, было показано, что газовые термометры постоянного объема более пригодны для создания международных практических эталонов. В исследовании Гриффитса, проводимого в Кью Обсерватории, Великобритания, работа с газовым термометрам проводилась с целью расширения диапазона температур.  В сотрудничестве с Каллендаром, Гиффитс разрабатывал платиновый термометр сопротивления, который был стабильным до 600 °С.  Каллендар и Гиффитс использовали для градуировки платиновых термометров третью точку - точку кипения серы, которую оценили в 444,53 °С. Они предложили МБМВ провести сличения платиновых термометров с газовым термометром Шаппюи. 

1897 г. Сличения были проведены Шапюи в сотрудничестве с Харкером из Кью Обсерватории. В процессе работы была предложена шкала газового термометра постоянного объема, заполненного азотом и работающего в диапазоне до точки кипения серы, которая в их экспериментах получилась равной 444, 70 °С, что довольно близко к результату, полученному Каллендаром и Гриффитсом.  

1899 г. Множество исследований точек затвердевания и кипения проводились в течение последних двух десятилетий девятнадцатого века. Каллендар дал подробный обзор газовой термометрии на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки (БААС) и, показав, что работа с газовым термометром очень сложна, сделал предложение по введению практической температурной шкалы. Он предложил, чтобы платиновый термометр сопротивления был принят в качестве определяющего инструмента шкалы, и чтобы он был откалиброван в точке замерзания воды и при температурах кипения воды и серы. Кроме того, он предложил выбрать конкретную партию платиновой проволоки, из которой изготавливались бы термометры, определяющие шкалу. Он выразил намерение назвать шкалу «Шкала Температур  Британской Ассоциации» и связать ее с «идеальной» температурной шкалой через измерение газовым термометром точки кипения серы.  Пока не ясно, почему британская ассоциация не поддержала это предложение. 

1911г. Physikalish-Technische Reichanstalt (PTR, который позднее стал ПТБ), Берлин, направил циркулярное письмо в МБМВ, Национальную физическую лабораторию (NPL) в  Теддингтоне и в Бюро стандартов (BS, которое в 1934 году стало Национальным бюро  стандартов, NBS, и в 1986 году Национальным институтом стандартов и технологии, NIST), Вашингтон, с предложением, чтобы термодинамическая шкала была принята в качестве международной шкале температур, и чтобы практическая реализация шкалы осуществлялась платиновыми термометрами согласно  предложению Каллендера в 1899 г. Оба института НФЛ и БС согласились, после чего были определены константы платины, и было предложено, что выше верхнего предела (1100 ° C) шкала определялась с помощью оптического пирометра. 

1913 г. На пятой Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), инициатива ПТБ встретила понимание и поддержку, была принята Резолюция с предложением к директорам трех институтов встретиться с целью формирования соглашения по температурной шкале. Однако планируемая встреча не состоялась, в связи с началом Первой мировой войны. 

1923 г. Ко времени, когда дискуссия по шкале была возобновлена, три национальные лаборатории ввели в действие шкалу платинового термометра сопротивления, охватывающую диапазон от -38 ° C (точка затвердевание ртути) до  444,5 ° С (температура кипения серы), используя квадратичную интерполяционную зависимость. В ходе визита в НФЛ и ПТБ представителя БС, основной принцип международной шкалы был согласован. Шкала должна быть основана на платиновом термометре сопротивления, работающем в диапазоне до 650 ° С, калиброванном при 0 ° С, 100 ° С и температуре кипения серы 444,5 ° C. Между 650 ° C и 1100 ° C шкала определялась с помощью Pt​​-10% Rh / Pt термопары калиброванной в точках затвердевания цинка, сурьмы, серебра и золота и с использованием кубического интерполяционного уравнения. Выше точки золота, 1063 ° C, был предложен оптический пирометр. За этим неофициальным соглашением последовало более широкое обсуждение, в котором принимали участие также МБМВ и представители Лейденского университета. 

1925 г. В 1925 году проект положения о шкале был подготовлен для представления в Международный комитет по мерам и весам (МКМВ) в 1927 г. Диапазон платинового термометра сопротивления был продлен до -193 ° C,  кубическое уравнение для термопары было заменено квадратичным уравнением с калибровочными точками затвердевания сурьмы (630 ° C), серебра (960 ° C), и золота. 

1927 г. 7-я конференция ГКМВ приняла Международную температурную шкалу 1927 года (МТШ-27), которая мало чем отличались от проекта 1925 года. Было запланировано проведение международной конференции по термометрии в 1928 году, на котором вопрос о статусе Международной шкалы температур был бы рассмотрен более детально. Эта конференция, однако, не состоялась. 

1937 г. Международным комитетом по мерам и весам (МКМВ) создан Консультативный комитет по термометрии и калориметрии для консультаций по вопросам, связанным с этими видами измерений. Консультативный комитет по термометрии (ККТ) в значительной степени взял на себя инициативу в вопросах, связанных с развитием международной шкалы температур. 

1948 г. Первый пересмотр МТШ состоялся в 1948 г. В новой версии, единственным изменением ниже 0 ° С было исчезновение экстраполяции ниже точки кислорода, до -190 ° С, т.к. эта экстраполяция считалась не надежной. МПТШ-48 доходила только до -182,97 ° C. Точка стыковки между термометром сопротивления и термопарой изменилась с 660 ° С до точки затвердевания сурьмы, 630,5 ° C, а температура приписанная точке серебра, была немного увеличена, от 960,5 ° C до 960,8 ° C. Также было принято решение отказаться от названия "градусов по стоградусной шкале" для единицы температуры и заменить его на «градус Цельсия». 

1954 г. 10-я конференция ГКМВ наконец приняла предложение, которое Кельвин сделал еще в 1854 году, а именно, что единица термодинамической температуры должна определяется в терминах интервала между абсолютным нулем и одной фиксированной реперной точкой. Реперной точкой была выбрана тройная точка воды, которой было приписано значение термодинамической температуры 273,16 ° К. Предложение о тройной точке воды было сделано еще в 1948 году, но в то время не было еще единой точки зрения относительно того, какое значение должно быть присвоено  абсолютному нулю. Вопрос был окончательно решен ГКМВ только в 1954.

1958 г. МКМВ принял Таблицу давления паров 4He от температуры, предложенную ККТ. Таблица была основана на данных газового термометра, сглаженных магнитным термометром и, ниже 2,2 К, сглаженных термодинамическими расчетами. Она охватывала диапазон от 0,5 К до 5,23 К и стала известна как 1958 4Не шкала, а температуры, измеряемые на ее основе, обозначались T58. 

1961 г. В 1961 году было решено, что НФЛ и ВНИИФТРИ, Москва, проведут сличение платиновых термометров сопротивления калиброванных по четырем наиболее известным шкалам газового термометра. Это были шкалы НФЛ (1961), НБС (1955), ВНИИФТРИ (1954) и Университета штата Пенсильвания ПСУ (1954). Результаты сличений послужили основой низкотемпературной части МПТШ-68. 

Шкалу НБС-55 стоит  особо отметить, так как она является примером того, каким образом так называемая "проволочная шкала" может успешно действовать. НБС-55 является шкалой, основанной на газовой термометрии 1939 года, она первоначально поддерживалась группой из шести термометров сопротивления платины, и была известна как НБС-39. В 1955 году было принято произвольное смещение 10 мК по всей шкале, и название было изменено на НБС-55. Преемники этих шести термометров НБС-39 по-прежнему используются для поддержания версии НБС шкалы МПТШ-68.

1962 г. Вскоре после принятия в 1958 году 4Не шкалы, еще одно предложение было сделано в отношении шкалы давления пара для 3He. Оно было основано на сравнении давления паров 3Не с  4Не выше 0,9 К, и с термодинамическими расчетами ниже 0,9 К. Шкала была принята МКМВ и стала известена как 1962 3Не шкала, температура измеряемая по этой шкале, обозначалась T62.  

1964 г. ККТ принял стандартную функцию W для интерполяции между рядом низкотемпературных реперных точек. ККТ-64 была опубликована в виде таблицы под названием "Временная справочная таблица ССТ-64 W от Т для термометров сопротивления платиновых в диапазоне 12 К до 273,15 К". 

1966 г. Рабочая группа ККТ предложила 1966 Временную Шкалу, с учетом дальнейших результатов газовой термометрии для точки кипения кислорода и тройной точки водорода. 

1968 г. Состоялся второй пересмотр шкалы температур, и он разрешил любопытную ситуацию, когда термодинамические температуры были определены совсем другим способом, чем международные практические температуры. В МПТШ-68, обе единицы температуры, термодинамическая и практическая, были определены как равные 1 / 273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Сама единица была переименована в "кельвин" вместо "градус Кельвина" и обозначена "К" вместо "° К". 

МПТШ-68 состояла из четырех частей: 

(а) от 13,81 K до 273,15 K;

(б) от 0 ° C до 630,74 ° С;

(с) 630,74 ° С до 1064,43 ° C; и

(d) выше 1064,43 ° С.  

В части (а) шкала была определена в виде набора из шести низкотемпературных фиксированных точек и стандартной функции. В диапазоне (б) шкала была определена посредством старого квадратного уравнения Каллендара, но изменена с учетом новых значений газовой термометрии для реперных точек. В части (с) основным инструментом была Pt-10% Rh / Pt термопара, откалиброванная в 630,74 ° C и в точках затвердевания серебра и золота, использующая квадратичную интерполяционную формулу. Часть (d) была определена по излучению черного тела и использовала уравнение Планка. 

1976 г. В 1976 МКМВ утвердил новую низкотемпературную шкалу,  названную «временная 0,5 K до 30 K температурная шкала», или ВТШ-76. Целью было обеспечить единую шкалу, на основе которой можно было бы сделать измерения температуры в этом диапазоне, в ожидании пересмотра и продления вниз МПТШ-68. Шкала основана на  одиннадцати фиксированных точках в пределах диапазона от 0,5 К до 30 К, также в шкале приводились отклонения между Т76 и следующими существующими шкалами: МПТШ-68; 4Не-1958 и 3He-1962 шкалы давления паров; НФЛ-75 и версия НБС МПТШ-68, которая была определена по разности от НБС-55. В отличие от МПТШ-68, ВТШ-76, таким образом, могла быть реализована в различных формах; либо с помощью одной из указанных выше шкал и табличных данных отклонений в тексте ВТШ-76 или с помощью термодинамического интерполяционного термометра, такого как газовый термометр или магнитный термометр, калиброванными в одной или нескольких из указанных реперных точек ВТШ- 76. 

1990 г. Международная температурная шкала 1990 (МТШ-90) вступила в силу 1 января 1990, заменив МПТШ-68 и ВТШ-76. 

МТШ-90 отличается от МПТШ-68 в ряде важных аспектов: 

она использует тройную точку воды (273,16 К), а не точку затвердевания воды (273,15 К), в качестве опорной точки;

она распространяется на более низкие температуры: 0,65 K вместо 13,8 K;

она находится в более близком согласии с термодинамическими температурами;

улучшилась преемственность и точность;

она имеет ряд перекрывающихся диапазонов и поддиапазонов;

в определенных диапазонах существуют альтернативные, но существенно эквивалентные определения;

она включает в себя шкалу давления паров гелия;

она включает в себя интерполирующий газовый термометр в качестве одного из основных инструментов;

диапазон платинового термометра сопротивления, как определяющего инструмента, был продлен с 630 ° С до точки серебра, 962 ° C;

Pt / 10% Rh-Pt термопары больше не является определяющим инструментом шкалы;

диапазон, основанный на закон излучения Планка начинается в точке серебра, а не в точке золота, но возможно использование любой из точек: серебра, золота или меди в качестве опорных точек для этой части шкалы. 

2000 г. Чтобы расширить диапазон МТШ-90 до 0,9 мК, была разработана и утверждена в 2000 году «Временная низкотемпературная шкала (ВНТШ-2000). Шкала основана на давлении расплава гелия 3Не из-за высокой чувствительности и достоверности, с которой оно может быть измерено в широком диапазоне: она охватывает область в районе трех десятых градуса вокруг узкой области температуры, соответствующей минимуму давления при 315,24 мК.

2005 г. Новый подход к построению практики измерений температуры в целом был предложен ККТ в 2005 г. Согласно новой концепции МТШ-90 не должна являться единственным способом измерения и выражения температуры. Наряду с существующими практическими шкалами МТШ-90 и ПНТШ-2000 (Предварительная низкотемепературная шкала) в практику измерений должна войти термодинамическая шкала. 

Для того, чтобы создать законодательную платформу для этого подхода было решено разработать документ по практической реализации единицы температуры, называемый “Mise en pratique for the definition of the kelvin” (MePK). Подробнее см. раздел "Развитие международной температурной шкалы"

Основной источник: сайт МБМВ bipm.org