冰點裝置影響因素分析

翁紅波 劉彥成

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

關鍵詞：冰點；水三相點；冰點器制作

1 引言

ITS90國際溫標規定：冰和空氣飽和水的平衡稱為冰點。其溫度為0℃。在熱學專業內，0℃計量應用非常廣泛，如標準鉑電阻的Rtp、自熱效應，工業鉑熱電阻的零點，熱電偶、溫度二次儀表檢定中零點補償等。相是物質以固態、液態、氣態存在的具體形式，物質從一相狀態轉換成另一相狀態的過程稱為相變。純物質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能，而不是提高了物質的溫度，反之釋放熱量也只是減少了分子的內能。這便是熱學定義固定點的原理，產生0℃的固定點稱為水三相點。水三相點是開爾文熱力學溫度的唯一基準點，也是90國際溫標中重要的固定點，1954年，第10屆國際計量大會定義水三相點溫度值為273.16K（0.01℃）。

但是除了標準鉑電阻的Rtp等要求極高的測量項目外，一般產生0℃的恒溫源不建議使用水三相點，因為水三相點除了精度高外有一些明顯缺點：凍制過程中使用干冰或者液氨存在一定的危險；凍制工藝復雜，時間長；使用不方便。冰點器是利用純凈水在相變過程溫度不變的原理產生0℃的恒溫源的一種簡易方式，它不像水三相點對真空度、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，水面應低于冰面10～20mm，即產生0℃的恒溫源，其不確定度在U≤0.04℃，k=2的水平。冰點制作簡單，形式多樣，可適用于各種工業計量場合，但正是由于制作要求低，在制作、使用中存在一些誤區，有時會極大影響到測量結果。本文從制作工藝、時間、冰水純度以及大氣壓強等影響因素進行分析并給出最佳使用的建議。

2 試驗設備

2.1 冰點器的選擇

目前常用的冰點器有大型、標準型和迷你型，考慮到標準鉑電阻的感溫鉑引線一般在30～50mm，本文采用標準冰點器容器：深度34cm；容器直徑的外徑18cm，內徑11cm。

2.2 傳感器及電測設備選擇

由于冰點器產生0℃的不確定度在U≤0.04℃，k=2的水平。所以傳感器與電測設備的精度要非常高，本文選用FLUKE公司生產的標準鉑電阻和測溫儀TTI-2，其不確定度合成滿足冰點測試要求。

3 冰點器制作方法

制作冰點的冰要成雪花狀，制作冰花一般都采用刨冰機，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，水面應低于冰面10～20mm也是共識，所以加水量的大小影響本文也不予考慮。目前制作冰點的問題焦點在于加水的過程，一種方法是制作冰點過程中加水，即冰花需要經過一下水在放入冰點器中也稱為洗冰，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分，都能達到堅固潮濕狀態。很明顯不洗冰的方法比較簡單，而且常規的觀測不能區分兩種方法的準確程度。

4 時間影響因素分析

在水三相點制作過程中有一個穩定時間至少在一天以上，一是因為相變達到平衡需要一定的時間，二是因為水三相點中冰晶的生長或結晶需要時間，只有冰晶穩定時間內應變的慢慢消失，溫度才能恒定。冰點器中的冰是雪花狀的，相比水三相點中的整體固態冰套相平衡需要時間會大大縮短，結合前面提到的兩種制作冰點器的方法，傳感器插入深度為冰點器的1/2中間部位，冰點器制作完成后每一小時記錄一次數據（見表1）。

從研究數據來看，冰、水純度越高，則所制作的冰點越接近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實際情況差異會很大。不過在一般利用冰點器作為溫度源時，水質影響因素不是主要因素。

5 插入深度影響因素分析

工業鉑熱電阻的零點，熱電偶檢定中都有對插入冰點深度有明確的規定，本文選用檢定標準熱電偶時參考端插入深度試驗作為分析插入深度影響因素。試驗結果表明：插入深度對測量結果有影響，當插入深度大于120mm時，參考端插入深度變化帶入的影響量小于0.04℃，當插入深度大于130mm時，參考端插入深度變化帶入的影響量小于0.02℃，同時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。這也符合了規程所規定的要求。

6 其它影響因素分析

復現性、靜壓修正、自熱修正等，這些因素對冰點器的影響不是主要因素。本文就不一一分析。

7 結論

冰點器存在很多熱學計量應用中，計量人員普遍認為冰點器很準，各個相關規程在使用冰點器是不用計量標定的。從各種分析結論看不同的制作方法和使用方法會帶來一定的誤差，所以在制作和使用冰點器應注意以下幾點：

（1）盡量采用純凈水，不能含有可溶性鹽類雜質。

（2）制作完成后，冰面要發烏，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，不能把冰點等效為0℃，還需要標準溫度傳感器來標定。

參考文獻

[1] 碩士學位論文.冰溫蓄冷材料及其相變蓄冷特性的實驗研究.

[2] 國防科工委科技與質量司.熱學計量.原子能出版社，2002.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局.不同來源的水三相點容器的比對.中國計量出版社，2000.

[4] 冰點和水三相點原理及測量方法.

[5] 冰點溫度的確定.

[6] 國防科工委科技與質量司.計量技術基礎.原子能出版社，2002.