水三相點瓶在熱工計量檢定中的應用
發布時間：2017-09-01
1990年國際溫標( ITS―90 )規定在-189?344 2~660?323℃溫區內的溫度值由在一組規定的定義固定點分度的標準鉑電阻溫度計確定,定義固定點包括鋁凝固點、鋅凝固點、錫凝固點、銦凝固點、鎵熔點、汞三相點、氬三相點及水三相點,并使用規定的參考函數和偏差函數內插計算定義固定點之間的溫度值。
溫度值表示式為
W(t)=R(t)/R(0?01℃) (1)
式中W(t)為標準鉑電阻溫度計在溫度t的電阻值與水三相點溫度(0?01℃)的電阻值的比值。由式(1)可見,水三相點既是熱力學溫度的重要基準點,也是1990年國際溫標( ITS―90)定義的基本、重要的固定點。因此,水三相點的正確復現以及測量的準確性是檢定標準鉑電阻溫度計固定點的關鍵。
1水三相點及水三相點瓶
1?1水三相點
水三相點是水的固態、液態、汽態(冰、水、汽)三相平衡時的溫度,用國際單位制表示為273?16 K (0?01℃)。由于不同的物質在不同的溫度、壓力下,其固相、液相、氣相三相共存的溫度不同。高純度水(水的同位素成分相當于海水)的三相點只有在壓力為610?75 Pa、溫度為0?01℃時才會出現。因此,在計量檢定中,要想獲得精確的水三相點,需要一個特制的儀器來復現。
1?2水三相點瓶及凍制過程
在標準鉑電阻溫度計的測量中,水三相點是在水三相點瓶里復現的。水三相點瓶的結構如圖1所示。
目前,大部分檢定機構采用的水三相點瓶為直徑約60 mm的玻璃容器,用一個同心、直徑約15mm、一端封閉的細玻璃管作為溫度計插管,容器在直空下充入高純度的水并密封。這樣,在密封的條件下,水三相點的溫度穩定性好,可長時間保持在0?01℃,避免外界大氣壓及空氣中雜質的影響,測量的準確度較高。滿足了在檢定標準鉑電阻溫度計時需要長時間測量的要求。
水三相點瓶常用的凍制方法有干冰制冷法、液氮制冷法、水三相點瓶凍制器法3種。干冰及液氮制冷法是常規使用凍制三相點瓶的方法。本文介紹水三相點瓶凍制器凍制三相點瓶的過程。采用半導體致冷管理,彌補了在夏季氣溫較高進行檢定時,用干冰及液氮制冷法凍制三相點瓶的不足。
凍制水三相點瓶前,要將水三相點瓶放入冰箱或冰瓶中預冷2 h以上,取出先用干凈的脫脂棉將水三相點瓶阱內的雜物及水分擦干,并用酒精沖洗干凈,待凍制器外露的冷凍管充分降溫預冷后(預冷溫度一般設定為-20℃)就可進行水三相點瓶的凍制。
將適量的酒精倒入預冷的瓶子中,把三相點瓶慢慢套向冷凍管,使冷凍管的底部輕輕抵住瓶子內管的底,然后固定好三相點瓶,找把瓶子圍上保溫棉布,以加快凍制速度。在凍制過程中,由于凍制器降溫速度較快(約18 min),從水三相點瓶液面處開始,純水會出現全凍現象,透過外管可觀察到純水呈不透明云片樣刺紋,此時,取下水三相點瓶,倒掉內插管內酒精,輕輕晃動瓶身,使純水冰套與外壁分離,重新套向冷凍管,待溫度計阱底部周圍的冰層結實后,逐漸向阱內注入酒精,使半導體熱管傳導均勻,但要注意酒精不得超過三相點瓶的液面。50~80 min (視環境溫度不同而異)后,即可在溫度計插管周圍形成厚薄均勻、外表平滑的5~10 mm厚的冰套,取下三相點瓶,在溫度計阱內注入約30 mL 0℃的蒸餾水。最后,用棉花塞住阱口,并把水三相點瓶置于大冰瓶中保存。剛凍制好的三相點瓶需在冰瓶中放置24 h以上才能使用,因為純水在凍成冰后產生較大的應力,如果此時使用,溫度并不是0?01℃,會對測量結果造成影響。另外,在凍制過程中,水三相點瓶中水的表面會結成薄冰,隨著時間的延長,薄冰會同玻璃外壁凍在一起,造成三相點瓶的炸裂,因此,要不斷用雙手握住三相點瓶的液面處,避免薄冰的生成。
2標準鉑電阻溫度計Rtp的測量
在檢定二等標準鉑電阻溫度計Rtp之前,水三相點瓶應凍制好并冷藏24 h以上。每次使用前,先往溫度計阱內注入略高于0℃的冰水,與三相點瓶的液面平齊,并給三相點瓶一個微旋轉沖量,使冰套能自由轉動,然后把三相點瓶放進盛滿碎冰的冰瓶中。為了減少熱輻射和熱交換,應盡量使瓶身埋入冰瓶中,測量溫度計的三相點首先標準鉑電阻溫度計要在預冷管中預冷,通常是放在盛滿冰水的試管中,并且把試管放進冰瓶中,預冷的時間應大于5 min,這樣可以避免三相點瓶的水層加厚,延長三相點的穩定時間。然后,把預冷后的溫度計插入水三相點瓶中,并在阱口處用棉花塞住防止熱交換。用平衡電橋測量,溫度計的電流為1 mA,當溫度計達到熱平衡后(測溫電橋平衡,通常為10min左右)開始測量,將檢定過程中數次測量經過修正的Rtp平均值作為檢定結果。
三相點值的靜壓修正公式為
式中: Rtp為數次測量平均值,Ω;h為水三相點瓶的水面至溫度計感溫元件的中部距離, cm。
以1支一等標準鉑電阻溫度計52885為例,分別用干冰制冷法及本文介紹的水三相點瓶凍制器方法制作三相點瓶,按照規程規定的測量方法對該溫度計進行檢定,測量結果見表1。
由表1可見,用干冰法及用凍制器制得三相點瓶作為標準器測量同1支一等標準鉑電阻溫度計所得三相點值相差約0?05 mK,與上級單位檢定的三相點值25?161 2Ω比較,差值符合規程要求。
3結束語
用凍制儀凍制三相點瓶,彌補了室內溫度較高時,三相點冰套容易融化的缺陷,凍制的冰套均勻,不會出現干冰制冷法、液氮制冷法時制冷物質不易保存及凍制的冰套厚度不均等情況,同時,在三相點瓶的冰套融化時還可進行補凍。
根據新版JJG160―2007標準鉑電阻溫度計的檢定規程,各固定點分度多次的差值對于二等標準鉑電阻溫度計應不超過5 mK,兩相鄰周期檢定結果的差值應不超過10 mK。與舊版規程相比,三相點分度的最大差值指標更加嚴格,兩相鄰周期檢定結果的差值比原來小5 mK。
在電力系統溫度量傳中,發、供電企業中溫度測量主要使用的是二等標準鉑電阻溫度計。在熱工計量檢定中,二等標準鉑電阻溫度計作為高精度測量的主要標準,是檢定工業鉑、銅熱電阻,變壓器控制儀表,現場使用一次溫度儀表的重要儀器,其準確性對保證電網的安全生產及經濟運行有著重要的意義。
摘自：中國計量測控網
