創(chuàng)新者:呂 偉 謝 靜 鄭金娟 楊 志

一種復(fù)現(xiàn)水三相點的方法

創(chuàng)新者:呂 偉 謝 靜 鄭金娟 楊 志

本文通過采用TL-1010SA精密恒溫槽和水三相點瓶進(jìn)行水三相點瓶的凍制，得到一種復(fù)現(xiàn)水的三相點的方法，此方法具有凍制的便利性、快速穩(wěn)定以及長時間保存的特點，解決了溫度實驗室隨時對水三相點使用的需求，具有提高測量準(zhǔn)確性對溫度量傳的意義。

隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度儀表已得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高溫度計量的準(zhǔn)確度，國家溫度計量技術(shù)委員會積極組織更新國家計量檢定規(guī)程，在新的《工業(yè)鉑、銅熱電阻》以及《標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計》檢定規(guī)程的實施中，發(fā)現(xiàn)對水三相點的應(yīng)用越來越重視，因為在檢定工作中要求標(biāo)準(zhǔn)或者參考鉑電阻溫度計必須實測其水三相點值，這就要求我們檢定人員必須熟悉了解并掌握水三相點在實際使用中如何進(jìn)行制作、保存和使用。

水三相點（0.01℃）是ITS-90國際實用溫標(biāo)中極為重要的一個定義固定點，同時也是用來定義熱力學(xué)溫度單位——開爾文的基準(zhǔn)點。水三相點是能夠最準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)的固定點，因此水三相點的復(fù)現(xiàn)與測量是標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計準(zhǔn)確測溫的關(guān)鍵。水三相點的實現(xiàn)是通過利用水三相點容器，目前溫度計量大量使用的是玻璃水三相點瓶，瓶內(nèi)裝有高純水，這種純水的同位素組分基本上和海水相同。三相點瓶在經(jīng)過凍制后使瓶內(nèi)含有冰、水和水蒸氣三相共存并且處于熱平衡的狀態(tài)。

在JJG 161-2010《標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計》附錄E中給出了傳統(tǒng)采用液氮或干冰凍制三相點瓶復(fù)現(xiàn)水三相點的方法。其特點是凍制操作過程繁雜、耗費時間長，而且水三相點瓶凍裂風(fēng)險大，凍制成功后還要經(jīng)過24小時存放后方可使用。因此這里介紹一種采用TL-1010SA精密恒溫槽和水三相點瓶相結(jié)合進(jìn)行水三相點的復(fù)現(xiàn)方法。

用精密恒溫槽和水三相點瓶復(fù)現(xiàn)水三相點的方法

水三相點瓶凍制原理

凍制原理是通過利用液體的過冷現(xiàn)象。在一定的壓力下，當(dāng)液體溫度已經(jīng)低于該壓力下液體的凝固點，此時液體仍不凝固，這種現(xiàn)象叫做液體的過冷現(xiàn)象，這時的液體稱之為過冷液體，是熱力學(xué)上的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，在通過外界的摩擦、晃動等作用下會迅速的凝固，并且使溫度回升，液體越純過冷現(xiàn)象就越明顯。高純水在-40℃溫度下才開始結(jié)冰，是因為液體太過于純凈，沒有凝固所需要的“結(jié)晶核”所致。當(dāng)具備了凝固所需要的物質(zhì)，例如投入少許的固體，或者搖晃液體，都能使液體迅速的凝固。

水三相點復(fù)現(xiàn)前的準(zhǔn)備

將TL-1010SA精密恒溫槽槽體內(nèi)充滿配置防凍液，放入水三相點專用可升降支架并使用測試架安放好控溫溫度計。開啟電源開關(guān)使液體循環(huán)，觀察液面并加液至溢流管溢流，控制器顯示應(yīng)為環(huán)境溫度。

標(biāo)準(zhǔn)溫度計測量通道標(biāo)定

標(biāo)準(zhǔn)溫度計測量通道標(biāo)定是通過標(biāo)準(zhǔn)阻值測量進(jìn)行標(biāo)定的。對于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計而言，阻值量程是（4～101）Ω，采用10Ω和100Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻經(jīng)過環(huán)境溫度修正完成零點4Ω和滿量程100Ω的標(biāo)定。

精密恒溫槽槽內(nèi)0℃顯示溫度標(biāo)定

將精密恒溫槽槽溫設(shè)定值調(diào)至0℃，并且恒溫穩(wěn)定。具體操作步驟為:首先檢查控制器測溫顯示區(qū)標(biāo)準(zhǔn)溫度計編號是否與準(zhǔn)備使用的溫度計實際編號相同，確保溫度計誤差函數(shù)分度系數(shù)輸入正確，然后將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計插入槽內(nèi)并觀察溫度顯示值穩(wěn)定，以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計顯示溫度值為標(biāo)準(zhǔn)溫度對0℃槽溫進(jìn)行修正，同時按動▼鍵與▲鍵進(jìn)入主菜單“偏差校準(zhǔn)”對槽溫“零點”進(jìn)行修正。最后重新在0℃槽溫進(jìn)行控溫并穩(wěn)定后讀數(shù)，檢查其槽溫是否在允差之內(nèi)。

只有經(jīng)過標(biāo)定正確顯示槽內(nèi)溫度，才能保證水三相點瓶的凍制質(zhì)量。

水三相點瓶的凍制與保存

將準(zhǔn)備好的水三相點瓶對準(zhǔn)專用可升降支架孔位，然后緩慢入位。工作槽體內(nèi)液體溢流會溢流并通過溢流管排出至收集容器。將槽溫設(shè)定在-5.000℃并投入PID控溫，在水三相點瓶內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計，通過控制器測溫顯示區(qū)溫度數(shù)值觀察瓶內(nèi)溫度直至趨近-5℃并已接近穩(wěn)定時，取出標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計及過冷的水三相點瓶在手中垂直抖動一下，此時可以觀察到約有40%的過冷水開始結(jié)冰成絮狀。結(jié)冰過程開始后停止搖動保持靜止等待大約3至5s的結(jié)冰過程結(jié)束后，將水三相點瓶放回槽內(nèi)并將支架就位。

表1

一只水三相點瓶凍制成功后，瓶內(nèi)三相物態(tài)已成飽和狀態(tài)，無需使冰套轉(zhuǎn)動和保持十幾個小時減小過冷度的過程，半小時后已趨于穩(wěn)定。將槽溫設(shè)置在0℃下運行約1h后便可觀察到水三相點瓶溫度已經(jīng)穩(wěn)定。

如果需要長期連續(xù)保存已凍制好的水三相點瓶可將控制面板上的Anti-freeze Protection（防凍瓶保護(hù)）開關(guān)置于on（指示燈亮）狀態(tài)。此時，槽溫的允許范圍約在-0.5℃至26℃之間，超出此溫區(qū)防凍瓶保護(hù)將動作，切斷制冷及加熱電源達(dá)到保護(hù)瓶子的目的。

由于瓶口暴露在環(huán)境空氣中，釋放影響會造成口部冰套慢慢融化，須將瓶口密封后使支架下降直至全浸。根據(jù)經(jīng)驗我們將溫度設(shè)定值確定在0.015℃下水三相點可以保存兩周左右，對于在溫度實驗室長期保存水三相點十分方便。

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計水三相點電阻值的測量及驗證

由表1可見 ，凍制的兩只水三相點瓶分別采用三支標(biāo)準(zhǔn)溫度計用本次測量數(shù)據(jù)同上級單位測量數(shù)據(jù)相比較，差值符合JJG160-2007規(guī)程中對標(biāo)準(zhǔn)器的規(guī)定，且符合JJG 161-2010規(guī)程中7.1.1條款中表4對水三相點瓶的技術(shù)指標(biāo)的要求。

結(jié)束語

采用TL-1010SA精密恒溫槽和水三相點瓶相結(jié)合的方法來復(fù)現(xiàn)水的三相點，與傳統(tǒng)復(fù)現(xiàn)水三相點的方法相比具有操作更方便、安全，快速且保存時間長等特點，能夠滿足JJG229—2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》和JJG161—2010《標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計》中對水三相點瓶技術(shù)指標(biāo)的要求。在溫度計量檢定以及校準(zhǔn)工作中，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為高精度測量的主要標(biāo)準(zhǔn)，是檢定和校準(zhǔn)電阻傳感器以及標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計的重要儀器，其準(zhǔn)確性對保證測溫領(lǐng)域的量傳有著極為重要的意義。

呂 偉 謝 靜 鄭金娟 楊 志

中國飛行試驗研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.07.001