冰點(diǎn)裝置影響因素分析

翁紅波 劉彥成

摘 要：簡述冰點(diǎn)和水三相點(diǎn)的概念，介紹冰點(diǎn)器的制作方法，從制作工藝、時(shí)間、冰水純度以及插入深度等影響因素進(jìn)行分析并給出最佳使用的建議。

關(guān)鍵詞：冰點(diǎn)；水三相點(diǎn)；冰點(diǎn)器制作

1 引言

ITS90國際溫標(biāo)規(guī)定：冰和空氣飽和水的平衡稱為冰點(diǎn)。其溫度為0℃。在熱學(xué)專業(yè)內(nèi)，0℃計(jì)量應(yīng)用非常廣泛，如標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的Rtp、自熱效應(yīng)，工業(yè)鉑熱電阻的零點(diǎn)，熱電偶、溫度二次儀表檢定中零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)取Ｏ嗍俏镔|(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)存在的具體形式，物質(zhì)從一相狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一相狀態(tài)的過程稱為相變。純物質(zhì)在相變的過程中保持溫度恒定不變，這是由于從外界吸收的熱量在相變的過程中只是增加了分子的內(nèi)能，而不是提高了物質(zhì)的溫度，反之釋放熱量也只是減少了分子的內(nèi)能。這便是熱學(xué)定義固定點(diǎn)的原理，產(chǎn)生0℃的固定點(diǎn)稱為水三相點(diǎn)。水三相點(diǎn)是開爾文熱力學(xué)溫度的唯一基準(zhǔn)點(diǎn)，也是90國際溫標(biāo)中重要的固定點(diǎn)，1954年，第10屆國際計(jì)量大會(huì)定義水三相點(diǎn)溫度值為273.16K（0.01℃）。

但是除了標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的Rtp等要求極高的測量項(xiàng)目外，一般產(chǎn)生0℃的恒溫源不建議使用水三相點(diǎn)，因?yàn)樗帱c(diǎn)除了精度高外有一些明顯缺點(diǎn)：凍制過程中使用干冰或者液氨存在一定的危險(xiǎn)；凍制工藝復(fù)雜，時(shí)間長；使用不方便。冰點(diǎn)器是利用純凈水在相變過程溫度不變的原理產(chǎn)生0℃的恒溫源的一種簡易方式，它不像水三相點(diǎn)對(duì)真空度、水的來源、水中氫氧同位素的含量和水中溶解的氣體含量有苛刻的要求。制作冰點(diǎn)只需要使雪花狀的冰和純凈水均勻混合，冰水混合物壓緊以消除氣泡，水面應(yīng)低于冰面10～20mm，即產(chǎn)生0℃的恒溫源，其不確定度在U≤0.04℃，k=2的水平。冰點(diǎn)制作簡單，形式多樣，可適用于各種工業(yè)計(jì)量場合，但正是由于制作要求低，在制作、使用中存在一些誤區(qū)，有時(shí)會(huì)極大影響到測量結(jié)果。本文從制作工藝、時(shí)間、冰水純度以及大氣壓強(qiáng)等影響因素進(jìn)行分析并給出最佳使用的建議。

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 冰點(diǎn)器的選擇

目前常用的冰點(diǎn)器有大型、標(biāo)準(zhǔn)型和迷你型，考慮到標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的感溫鉑引線一般在30～50mm，本文采用標(biāo)準(zhǔn)冰點(diǎn)器容器：深度34cm；容器直徑的外徑18cm，內(nèi)徑11cm。

2.2 傳感器及電測設(shè)備選擇

由于冰點(diǎn)器產(chǎn)生0℃的不確定度在U≤0.04℃，k=2的水平。所以傳感器與電測設(shè)備的精度要非常高，本文選用FLUKE公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和測溫儀TTI-2，其不確定度合成滿足冰點(diǎn)測試要求。

3 冰點(diǎn)器制作方法

制作冰點(diǎn)的冰要成雪花狀，制作冰花一般都采用刨冰機(jī)，冰花大小基本相同，所以冰花的影響本文不予考慮。另外冰水混合物壓緊以消除氣泡，水面應(yīng)低于冰面10～20mm也是共識(shí)，所以加水量的大小影響本文也不予考慮。目前制作冰點(diǎn)的問題焦點(diǎn)在于加水的過程，一種方法是制作冰點(diǎn)過程中加水，即冰花需要經(jīng)過一下水在放入冰點(diǎn)器中也稱為洗冰，然后攪拌壓緊，另一種方法是刨完的冰花直接加入冰點(diǎn)器中然后再壓拌加水緊攪。兩種方法最后從制作效果上來看不容易區(qū)分，都能達(dá)到堅(jiān)固潮濕狀態(tài)。很明顯不洗冰的方法比較簡單，而且常規(guī)的觀測不能區(qū)分兩種方法的準(zhǔn)確程度。

4 時(shí)間影響因素分析

在水三相點(diǎn)制作過程中有一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間至少在一天以上，一是因?yàn)橄嘧冞_(dá)到平衡需要一定的時(shí)間，二是因?yàn)樗帱c(diǎn)中冰晶的生長或結(jié)晶需要時(shí)間，只有冰晶穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的慢慢消失，溫度才能恒定。冰點(diǎn)器中的冰是雪花狀的，相比水三相點(diǎn)中的整體固態(tài)冰套相平衡需要時(shí)間會(huì)大大縮短，結(jié)合前面提到的兩種制作冰點(diǎn)器的方法，傳感器插入深度為冰點(diǎn)器的1/2中間部位，冰點(diǎn)器制作完成后每一小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)（見表1）。

從研究數(shù)據(jù)來看，冰、水純度越高，則所制作的冰點(diǎn)越接近0℃。尤其我國幅員遼闊，南北自來水差異很大，如果使用自來水制作冰點(diǎn)實(shí)際情況差異會(huì)很大。不過在一般利用冰點(diǎn)器作為溫度源時(shí)，水質(zhì)影響因素不是主要因素。

5 插入深度影響因素分析

工業(yè)鉑熱電阻的零點(diǎn)，熱電偶檢定中都有對(duì)插入冰點(diǎn)深度有明確的規(guī)定，本文選用檢定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶時(shí)參考端插入深度試驗(yàn)作為分析插入深度影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明：插入深度對(duì)測量結(jié)果有影響，當(dāng)插入深度大于120mm時(shí)，參考端插入深度變化帶入的影響量小于0.04℃，當(dāng)插入深度大于130mm時(shí)，參考端插入深度變化帶入的影響量小于0.02℃，同時(shí)參考端各路的均勻性溫差帶入的影響量很小，所以熱電偶參考端插入深度要大于120mm。這也符合了規(guī)程所規(guī)定的要求。

6 其它影響因素分析

復(fù)現(xiàn)性、靜壓修正、自熱修正等，這些因素對(duì)冰點(diǎn)器的影響不是主要因素。本文就不一一分析。

7 結(jié)論

冰點(diǎn)器存在很多熱學(xué)計(jì)量應(yīng)用中，計(jì)量人員普遍認(rèn)為冰點(diǎn)器很準(zhǔn)，各個(gè)相關(guān)規(guī)程在使用冰點(diǎn)器是不用計(jì)量標(biāo)定的。從各種分析結(jié)論看不同的制作方法和使用方法會(huì)帶來一定的誤差，所以在制作和使用冰點(diǎn)器應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡量采用純凈水，不能含有可溶性鹽類雜質(zhì)。

（2）制作完成后，冰面要發(fā)烏，插入一支合適口徑的開口玻璃管，在提起玻璃管之前，按住其頂部，都可引出一個(gè)冰水混合物的立柱體，在平坦的表面上立柱不倒。

（3）在精密測量中，不能把冰點(diǎn)等效為0℃，還需要標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器來標(biāo)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 碩士學(xué)位論文.冰溫蓄冷材料及其相變蓄冷特性的實(shí)驗(yàn)研究.

[2] 國防科工委科技與質(zhì)量司.熱學(xué)計(jì)量.原子能出版社，2002.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.不同來源的水三相點(diǎn)容器的比對(duì).中國計(jì)量出版社，2000.

[4] 冰點(diǎn)和水三相點(diǎn)原理及測量方法.

[5] 冰點(diǎn)溫度的確定.

[6] 國防科工委科技與質(zhì)量司.計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ).原子能出版社，2002.