朱鵬飛， 屈繼峰， 孫建平， 蔡晉輝， 周貞宇

(1. 中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院， 浙江 杭州 310000； 2. 中國計量科學(xué)研究院， 北京 100029)

1 引 言

平衡氫三相點是ITS-90國際溫標(biāo)中的低溫定義固定點，同時也是我國國家溫度基準(zhǔn)固定點。為保證我國低溫量值傳遞的統(tǒng)一，中國計量科學(xué)研究院于上世紀(jì)80年代起采用單固定點容器單支溫度計開展了低溫固定點復(fù)現(xiàn)研究[1～4]。隨著復(fù)現(xiàn)技術(shù)的進步，低溫固定點復(fù)現(xiàn)由單個固定點容器向多容器多支溫度計依次復(fù)現(xiàn)的方向發(fā)展，以解決以往低溫固定點復(fù)現(xiàn)耗時長、效率低等問題。但是這些技術(shù)無論是單個固定點容器或多固定點容器均采用液氦作為冷源提供復(fù)現(xiàn)所需的恒溫環(huán)境。液氦在復(fù)現(xiàn)過程中的蒸發(fā)導(dǎo)致液氦液面下降，必須間隔一段時間向恒溫杜瓦中輸入液氦，這樣會使內(nèi)部溫場發(fā)生擾動，并且檢定人員需要花費大量的時間來跟蹤固定點設(shè)備的升降溫過程。

為了提高我國平衡氫三相點復(fù)現(xiàn)的技術(shù)水平，中國計量科學(xué)研究院與意大利國家計量院合作，成功研制了一套基于閉環(huán)GM制冷機的低溫三相點復(fù)現(xiàn)裝置。該裝置采用準(zhǔn)絕熱法[2]，依靠精確的測溫、控溫和脈沖加熱復(fù)現(xiàn)平衡氫三相點[5]。并開發(fā)了配套的控制程序，實現(xiàn)了對復(fù)現(xiàn)過程的自動控制和自動測量。該裝置不但提高了工作效率，而且提升了復(fù)現(xiàn)性。經(jīng)實驗驗證，該裝置復(fù)現(xiàn)的平衡氫三相點溫坪時間可達8 h以上，復(fù)現(xiàn)性在0.05 mK以內(nèi)。

2 復(fù)現(xiàn)裝置

平衡氫三相點復(fù)現(xiàn)裝置主要分為兩部分：低溫恒溫實驗系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)。低溫恒溫實驗系統(tǒng)由GM制冷機、低溫恒溫器和真空系統(tǒng)組成。測量控制系統(tǒng)包括溫度測量、溫度控制和脈沖加熱系統(tǒng)3大部分。

2.1 低溫恒溫實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用GM制冷機作為冷源，提供滿足平衡氫三相點復(fù)現(xiàn)所需的恒溫冷環(huán)境。在復(fù)現(xiàn)過程中，消除了由于液氦蒸發(fā)而引起的熱擾動。該制冷機在50 Hz交流供電時，二級冷頭溫度最低可降至7 K左右[5]。

低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括平衡氫、氖、氧和氬4個三相點容器、一級防輻射屏、二級防輻射屏、絕熱屏、銅制均溫塊等。一級防輻射屏上安裝有電阻溫度計，用來測量一級防輻射屏的溫度。二級防輻射屏和絕熱屏上均安裝有控溫溫度計和加熱器，分別用來對兩個屏進行溫度的測量和控溫。二級防輻射屏作為內(nèi)外真空室的分界面，銦封于二級冷頭上。均溫塊用于安裝固定點和溫度計，共可以安裝4個固定點和5支溫度計，整個均溫塊懸掛于樣品架上，以減少均溫塊與其他組件的熱接觸。本次實驗只安裝一支基準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(7904)，用來復(fù)現(xiàn)平衡氫固定點的溫度值。低溫恒溫器內(nèi)的測量引線和加熱引線采用雙繞線方法繞制于均溫塊和各防輻射屏上，形成多段熱錨，降低引線的漏熱。

圖1 低溫恒溫器裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 測量控制系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)溫度測量、溫度控制和脈沖加熱3大功能。通過GPIB數(shù)據(jù)線，實現(xiàn)與各測量儀器的通訊，其示意圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件示意圖

實驗中，使用英國ASL生產(chǎn)的F900測溫電橋測量基準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(7904)的電阻值，該溫度計在水三相點處的阻值約為25 Ω。電橋的參數(shù)設(shè)置見表1[6]。絕熱屏溫度的測量和控制采用Agilent3458A萬用表和Keithley6220恒流源配套使用。溫度控制時，為了防止溫度過沖，需要設(shè)定合適的PID參數(shù)，實現(xiàn)對絕熱屏溫度的精確控制。一級防輻射屏和二級防輻射屏均采用Lakeshore340控溫儀測量溫度，并通過設(shè)置合適的PID參數(shù)和選擇合適的加熱功率，實現(xiàn)對二級防輻射屏溫度的控制。

表1 F900電橋參數(shù)

實驗在準(zhǔn)絕熱的條件下進行，通過在Labview控制程序中設(shè)置合適的脈沖電流大小、脈沖時間、熱平衡恢復(fù)時間等參數(shù)，利用脈沖加熱實現(xiàn)平衡氫三相點的復(fù)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)硬件信息見表2。

表2 控制系統(tǒng)所用硬件信息

3 平衡氫固定點的復(fù)現(xiàn)

3.1 平衡氫的定義

氫的分子有兩種：正氫，其2個質(zhì)子的自旋是平行的；仲氫，其2個質(zhì)子的自旋是相反或者反平行的。在低溫下，氫更偏向于以仲氫的形式存在，當(dāng)溫度下降時，仲氫的比例也會增加。在室溫下，氫的狀態(tài)為75%的正氫和25%的仲氫，具有這樣比例的氫稱之為正常氫;而平衡氫是指氫的狀態(tài)為0.21%的正氫和99.79%的仲氫。平衡氫和正常氫的物理性質(zhì)有著一定的差別，平衡氫的溫度要比正常氫略低，但溫度值更加穩(wěn)定。所以在ITS-90國際溫標(biāo)中，規(guī)定氫固定點樣品的狀態(tài)為更加穩(wěn)定的平衡氫[7]。

3.2 復(fù)現(xiàn)步驟

整個復(fù)現(xiàn)過程主要包括以下4個階段：

第一階段：開啟機械泵對內(nèi)外真空室進行抽真空，待真空度降至10 Pa以下后，關(guān)閉內(nèi)真空室并充入101.325 kPa氦氣作為熱交換氣體。開啟分子泵繼續(xù)對外真空室進行抽真空，待外真空室的真空度降至1×10-3Pa后，開啟制冷機降溫，約10 h后溫度降至10 K左右。

第二階段：將二級防輻射屏的溫度控制在14.2 K附近，絕熱屏的溫度控制在14 K附近。在此溫度下持續(xù)12 h，實現(xiàn)氫的正仲轉(zhuǎn)換，得到復(fù)現(xiàn)所規(guī)定的平衡氫。

第三階段：氫在正仲轉(zhuǎn)換的過程中會被完全融化，需要再次進行降溫將其凝固。降溫凝固的過程，只需要關(guān)閉二級防輻射屏和絕熱屏的控溫程序，使其溫度降到平衡氫三相點溫度以下。

第四階段：將二級防輻射屏和絕熱屏的溫度控制在13.85 K附近。圖3和圖4為復(fù)現(xiàn)過程中二級防輻射屏和絕熱屏的溫度波動曲線，其中二級防輻射屏的溫度波動為5 mK，絕熱屏的溫度波動為1 mK左右。通過脈沖加熱，使均溫塊的溫度低于平衡氫三相點40 mK左右，停止對均溫塊加熱。觀察不加熱時基準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計的溫漂，最好是緩慢上漂，溫漂速率控制在10 mK/h內(nèi)，必要時調(diào)整絕熱屏溫度設(shè)定值。當(dāng)滿足溫漂要求后，啟動自動復(fù)現(xiàn)溫坪程序。

圖3 二級防輻射屏溫度波動曲線

圖4 絕熱屏溫度波動曲線

平衡氫固定點復(fù)現(xiàn)加熱脈沖的大小、脈沖個數(shù)以及脈沖恢復(fù)時間的設(shè)置見表3。

表3 脈沖加熱參數(shù)

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 溫坪的復(fù)現(xiàn)性

復(fù)現(xiàn)性(多次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差)是評價復(fù)現(xiàn)裝置性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過控制脈沖電流的大小，可以改變溫坪持續(xù)時間的長短；通過設(shè)定合適的脈沖大小，人為地將平衡氫溫坪時間t控制在8 h左右。溫坪曲線全貌和局部如圖5所示,通過對實驗數(shù)據(jù)分析可知，圖5(b)中8段溫坪的波動為0.13 mK。

圖5 平衡氫三相點溫坪曲線

實驗數(shù)據(jù)的處理有兩種被廣泛使用的方法：一種方法是均值法[5]，去掉整段溫坪的最初和最后15%，剩下的70%取平均值作為該段溫坪的值；另一種方法是1/F曲線擬合法[8，9]，首先定義平衡溫度融化分?jǐn)?shù)F，每段脈沖后所得的溫坪值都會對應(yīng)一個F，畫出1/F～T的散點圖，然后作線性擬合，外推到1/F=1時所對應(yīng)的溫度值，將該溫度值定義為本次復(fù)現(xiàn)的溫坪值[10～12]，圖6為某次復(fù)現(xiàn)的結(jié)果。

圖6 平衡氫三相點1/F線性擬合

實驗數(shù)據(jù)是在重復(fù)性條件下獲得的，求出10次實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，其計算結(jié)果見表4。根據(jù)表4所得結(jié)果，兩種處理方法所得的平衡氫三相點溫坪平均值相差在0.05 mK以內(nèi)，并且兩種處理方法得到的復(fù)現(xiàn)性均優(yōu)于0.05 mK。

4.2 自熱修正

表4 平衡氫三相點溫坪復(fù)現(xiàn)數(shù)據(jù)

圖7 10 mA和溫坪曲線圖

方法10mA溫坪/Ω52mA溫坪/Ω自熱/mK均值法13.80389913.8036220.2771/F擬合法13.80393213.8036280.304

5 不確定度分析

表6給出了平衡氫三相點復(fù)現(xiàn)實驗的不確定度分析。不確定度主要由以下幾部分組成：溫坪的復(fù)現(xiàn)性，指10次實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，由表4可以獲得；基準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計的自熱效應(yīng)，經(jīng)多次測量結(jié)果計算得到的不確定度為0.02 mK；本次實驗固定點容器內(nèi)所用氣體的純度為6 N，參考INRIM數(shù)據(jù)[9，10]以及其他國家的數(shù)據(jù)，由微量雜質(zhì)和同位素引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.012 mK；平衡氫在正仲轉(zhuǎn)換過程中也會帶來不確定度，由此引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定不超過0.01 mK[9]；當(dāng)樣品處于固-液兩相時，由于靜壓引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.005 mK[13]；復(fù)現(xiàn)過程中，由于絕熱屏的溫度高于三相點溫度40 mK左右，由此產(chǎn)生的溫度測量誤差最大不超過0.1 mK，按照均勻分布得出標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.058 mK。

表6 平衡氫不確定度 mK

在利用F900電橋測量基準(zhǔn)溫度計的電阻時，根據(jù)電橋校準(zhǔn)證書得知，電阻比值測量的擴展不確定度為0.02×10-6，按照均勻分布得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.02 mK。

6 結(jié) 論

通過實驗研究，新研制的平衡氫三相點自動復(fù)現(xiàn)裝置復(fù)現(xiàn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.083 mK，測量結(jié)果的擴展不確定度為0.165 mK。該系統(tǒng)的成功研制，提高了我國平衡氫三相點復(fù)現(xiàn)的技術(shù)水平，保障了國家基準(zhǔn)量值的傳遞，為開展國際比對奠定了基礎(chǔ)。

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