一種復現水三相點的方法

創新者:呂 偉 謝 靜 鄭金娟 楊 志

一種復現水三相點的方法

創新者: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行水三相點瓶的凍制，得到一種復現水的三相點的方法，此方法具有凍制的便利性、快速穩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，具有提高測量準確性對溫度量傳的意義。

隨著測試技術的不斷發展，溫度儀表已得到了廣泛的應用。為了提高溫度計量的準確度，國家溫度計量技術委員會積極組織更新國家計量檢定規程，在新的《工業鉑、銅熱電阻》以及《標準水銀溫度計》檢定規程的實施中，發現對水三相點的應用越來越重視，因為在檢定工作中要求標準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行制作、保存和使用。

水三相點（0.01℃）是ITS-90國際實用溫標中極為重要的一個定義固定點，同時也是用來定義熱力學溫度單位——開爾文的基準點。水三相點是能夠最準確復現的固定點，因此水三相點的復現與測量是標準鉑電阻溫度計準確測溫的關鍵。水三相點的實現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。三相點瓶在經過凍制后使瓶內含有冰、水和水蒸氣三相共存并且處于熱平衡的狀態。

在JJG 161-2010《標準水銀溫度計》附錄E中給出了傳統采用液氮或干冰凍制三相點瓶復現水三相點的方法。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險大，凍制成功后還要經過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合進行水三相點的復現方法。

用精密恒溫槽和水三相點瓶復現水三相點的方法

水三相點瓶凍制原理

凍制原理是通過利用液體的過冷現象。在一定的壓力下，當液體溫度已經低于該壓力下液體的凝固點，此時液體仍不凝固，這種現象叫做液體的過冷現象，這時的液體稱之為過冷液體，是熱力學上的一種不穩定狀態，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，液體越純過冷現象就越明顯。高純水在-40℃溫度下才開始結冰，是因為液體太過于純凈，沒有凝固所需要的“結晶核”所致。當具備了凝固所需要的物質，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。

水三相點復現前的準備

將TL-1010SA精密恒溫槽槽體內充滿配置防凍液，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。開啟電源開關使液體循環，觀察液面并加液至溢流管溢流，控制器顯示應為環境溫度。

標準溫度計測量通道標定

標準溫度計測量通道標定是通過標準阻值測量進行標定的。對于標準鉑電阻溫度計而言，阻值量程是（4～101）Ω，采用10Ω和100Ω標準電阻經過環境溫度修正完成零點4Ω和滿量程100Ω的標定。

精密恒溫槽槽內0℃顯示溫度標定

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

只有經過標定正確顯示槽內溫度，才能保證水三相點瓶的凍制質量。

水三相點瓶的凍制與保存

將準備好的水三相點瓶對準專用可升降支架孔位，然后緩慢入位。工作槽體內液體溢流會溢流并通過溢流管排出至收集容器。將槽溫設定在-5.000℃并投入PID控溫，在水三相點瓶內插入標準鉑電阻溫度計，通過控制器測溫顯示區溫度數值觀察瓶內溫度直至趨近-5℃并已接近穩定時，取出標準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%的過冷水開始結冰成絮狀。結冰過程開始后停止搖動保持靜止等待大約3至5s的結冰過程結束后，將水三相點瓶放回槽內并將支架就位。

表1

一只水三相點瓶凍制成功后，瓶內三相物態已成飽和狀態，無需使冰套轉動和保持十幾個小時減小過冷度的過程，半小時后已趨于穩定。將槽溫設置在0℃下運行約1h后便可觀察到水三相點瓶溫度已經穩定。

如果需要長期連續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）開關置于on（指示燈亮）狀態。此時，槽溫的允許范圍約在-0.5℃至26℃之間，超出此溫區防凍瓶保護將動作，切斷制冷及加熱電源達到保護瓶子的目的。

由于瓶口暴露在環境空氣中，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。根據經驗我們將溫度設定值確定在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。

標準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準溫度計用本次測量數據同上級單位測量數據相比較，差值符合JJG160-2007規程中對標準器的規定，且符合JJG 161-2010規程中7.1.1條款中表4對水三相點瓶的技術指標的要求。

結束語

采用TL-1010SA精密恒溫槽和水三相點瓶相結合的方法來復現水的三相點，與傳統復現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《工業鉑、銅熱電阻》和JJG161—2010《標準水銀溫度計》中對水三相點瓶技術指標的要求。在溫度計量檢定以及校準工作中，二等標準鉑電阻溫度計作為高精度測量的主要標準，是檢定和校準電阻傳感器以及標準水銀溫度計的重要儀器，其準確性對保證測溫領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