水三相点瓶在热工计量检定中的应用
发布时间：2017-09-01
1990年国际温标( ITS―90 )规定在-189・344 2~660・323℃温区内的温度值由在一组规定的定义固定点分度的标准铂电阻温度计确定,定义固定点包括铝凝固点、锌凝固点、锡凝固点、铟凝固点、镓熔点、汞三相点、氩三相点及水三相点,并使用规定的参考函数和偏差函数内插计算定义固定点之间的温度值。
温度值表示式为
W(t)=R(t)/R(0・01℃) (1)
式中W(t)为标准铂电阻温度计在温度t的电阻值与水三相点温度(0・01℃)的电阻值的比值。由式(1)可见,水三相点既是热力学温度的重要基准点,也是1990年国际温标( ITS―90)定义的基本、重要的固定点。因此,水三相点的正确复现以及测量的准确性是检定标准铂电阻温度计固定点的关键。
1水三相点及水三相点瓶
1・1水三相点
水三相点是水的固态、液态、汽态(冰、水、汽)三相平衡时的温度,用国际单位制表示为273・16 K (0・01℃)。由于不同的物质在不同的温度、压力下,其固相、液相、气相三相共存的温度不同。高纯度水(水的同位素成分相当于海水)的三相点只有在压力为610・75 Pa、温度为0・01℃时才会出现。因此,在计量检定中,要想获得精确的水三相点,需要一个特制的仪器来复现。
1・2水三相点瓶及冻制过程
在标准铂电阻温度计的测量中,水三相点是在水三相点瓶里复现的。水三相点瓶的结构如图1所示。
目前,大部分检定机构采用的水三相点瓶为直径约60 mm的玻璃容器,用一个同心、直径约15mm、一端封闭的细玻璃管作为温度计插管,容器在直空下充入高纯度的水并密封。这样,在密封的条件下,水三相点的温度稳定性好,可长时间保持在0・01℃,避免外界大气压及空气中杂质的影响,测量的准确度较高。满足了在检定标准铂电阻温度计时需要长时间测量的要求。
水三相点瓶常用的冻制方法有干冰制冷法、液氮制冷法、水三相点瓶冻制器法3种。干冰及液氮制冷法是常规使用冻制三相点瓶的方法。本文介绍水三相点瓶冻制器冻制三相点瓶的过程。采用半导体致冷管理,弥补了在夏季气温较高进行检定时,用干冰及液氮制冷法冻制三相点瓶的不足。
冻制水三相点瓶前,要将水三相点瓶放入冰箱或冰瓶中预冷2 h以上,取出先用干净的脱脂棉将水三相点瓶阱内的杂物及水分擦干,并用酒精冲洗干净,待冻制器外露的冷冻管充分降温预冷后(预冷温度一般设定为-20℃)就可进行水三相点瓶的冻制。
将适量的酒精倒入预冷的瓶子中,把三相点瓶慢慢套向冷冻管,使冷冻管的底部轻轻抵住瓶子内管的底,然后固定好三相点瓶,找把瓶子围上保温棉布,以加快冻制速度。在冻制过程中,由于冻制器降温速度较快(约18 min),从水三相点瓶液面处开始,纯水会出现全冻现象,透过外管可观察到纯水呈不透明云片样刺纹,此时,取下水三相点瓶,倒掉内插管内酒精,轻轻晃动瓶身,使纯水冰套与外壁分离,重新套向冷冻管,待温度计阱底部周围的冰层结实后,逐渐向阱内注入酒精,使半导体热管传导均匀,但要注意酒精不得超过三相点瓶的液面。50~80 min (视环境温度不同而异)后,即可在温度计插管周围形成厚薄均匀、外表平滑的5~10 mm厚的冰套,取下三相点瓶,在温度计阱内注入约30 mL 0℃的蒸馏水。最后,用棉花塞住阱口,并把水三相点瓶置于大冰瓶中保存。刚冻制好的三相点瓶需在冰瓶中放置24 h以上才能使用,因为纯水在冻成冰后产生较大的应力,如果此时使用,温度并不是0・01℃,会对测量结果造成影响。另外,在冻制过程中,水三相点瓶中水的表面会结成薄冰,随着时间的延长,薄冰会同玻璃外壁冻在一起,造成三相点瓶的炸裂,因此,要不断用双手握住三相点瓶的液面处,避免薄冰的生成。
2标准铂电阻温度计Rtp的测量
在检定二等标准铂电阻温度计Rtp之前,水三相点瓶应冻制好并冷藏24 h以上。每次使用前,先往温度计阱内注入略高于0℃的冰水,与三相点瓶的液面平齐,并给三相点瓶一个微旋转冲量,使冰套能自由转动,然后把三相点瓶放进盛满碎冰的冰瓶中。为了减少热辐射和热交换,应尽量使瓶身埋入冰瓶中,测量温度计的三相点首先标准铂电阻温度计要在预冷管中预冷,通常是放在盛满冰水的试管中,并且把试管放进冰瓶中,预冷的时间应大于5 min,这样可以避免三相点瓶的水层加厚,延长三相点的稳定时间。然后,把预冷后的温度计插入水三相点瓶中,并在阱口处用棉花塞住防止热交换。用平衡电桥测量,温度计的电流为1 mA,当温度计达到热平衡后(测温电桥平衡,通常为10min左右)开始测量,将检定过程中数次测量经过修正的Rtp平均值作为检定结果。
三相点值的静压修正公式为
式中: Rtp为数次测量平均值,Ω;h为水三相点瓶的水面至温度计感温元件的中部距离, cm。
以1支一等标准铂电阻温度计52885为例,分别用干冰制冷法及本文介绍的水三相点瓶冻制器方法制作三相点瓶,按照规程规定的测量方法对该温度计进行检定,测量结果见表1。
由表1可见,用干冰法及用冻制器制得三相点瓶作为标准器测量同1支一等标准铂电阻温度计所得三相点值相差约0・05 mK,与上级单位检定的三相点值25・161 2Ω比较,差值符合规程要求。
3结束语
用冻制仪冻制三相点瓶,弥补了室内温度较高时,三相点冰套容易融化的缺陷,冻制的冰套均匀,不会出现干冰制冷法、液氮制冷法时制冷物质不易保存及冻制的冰套厚度不均等情况,同时,在三相点瓶的冰套融化时还可进行补冻。
根据新版JJG160―2007标准铂电阻温度计的检定规程,各固定点分度多次的差值对于二等标准铂电阻温度计应不超过5 mK,两相邻周期检定结果的差值应不超过10 mK。与旧版规程相比,三相点分度的最大差值指标更加严格,两相邻周期检定结果的差值比原来小5 mK。
在电力系统温度量传中,发、供电企业中温度测量主要使用的是二等标准铂电阻温度计。在热工计量检定中,二等标准铂电阻温度计作为高精度测量的主要标准,是检定工业铂、铜热电阻,变压器控制仪表,现场使用一次温度仪表的重要仪器,其准确性对保证电网的安全生产及经济运行有着重要的意义。
摘自：中国计量测控网
