1 引言
水三相點(diǎn)是熱力學(xué)溫度和國際溫標(biāo)ITS-90的溫度開爾文的定義點(diǎn)。在熱力學(xué)溫度測(cè)量、國際溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)以及實(shí)際溫度測(cè)量中，均有十分重要的意義。一次水三相點(diǎn)正確復(fù)現(xiàn)、準(zhǔn)確測(cè)量是國際溫標(biāo)ITS-90實(shí)施的關(guān)鍵。然而，影響水三相點(diǎn)值的因素很多，如冰橋所引起水三相點(diǎn)值偏低約0.04mK；環(huán)境熱輻射所引起的水三相點(diǎn)值偏高約0.14-0.17mK，并且隨著熱輻射的強(qiáng)度增強(qiáng)而增大，用黑棉塞堵住計(jì)阱口可以消除熱輻射的影響；Nicholas J V等人研究發(fā)現(xiàn)水三相點(diǎn)值取決于水三相點(diǎn)瓶內(nèi)水的氫氧同位素的組成；Hill K D經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)硼硅玻璃的溶解所引起對(duì)的水三相點(diǎn)值每年約降低0.014mK等。
本文主要是研究在水三相點(diǎn)瓶的計(jì)阱內(nèi)附加套管對(duì)水三相點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的影響，套管可以增加溫度計(jì)傳感元件的導(dǎo)熱性，增加熱交換、降低自熱，并提高測(cè)量的可重復(fù)性。Steur P P M經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在溫度計(jì)阱內(nèi)加套管會(huì)影響水三相點(diǎn)的復(fù)現(xiàn)性：溫度計(jì)阱的直徑在Φ12-Φ13.6mm，其復(fù)現(xiàn)性的變化范圍超過50μK。為了研究套管對(duì)三相點(diǎn)的影響，本文研制了計(jì)阱內(nèi)徑為Φ16mm和Φ18mm的水三相點(diǎn)瓶、外徑為15.5mm的紫銅管。在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)確定銅管對(duì)水三相點(diǎn)的影響。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置主要包括溫度計(jì)阱內(nèi)徑為Φ16mm和Φ18mm的水三相點(diǎn)瓶及其保存裝置、高精度測(cè)量裝置、外徑為Φ15.5mm的紫銅管。高精度測(cè)量裝置由計(jì)算機(jī)、F900交流比較儀電橋、二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)WZPB-2、NIM-9標(biāo)準(zhǔn)電阻恒溫槽、TINSLEY5685A標(biāo)準(zhǔn)電阻組成。圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 套管對(duì)水三相點(diǎn)的影響研究實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2.1.1 水三相點(diǎn)瓶
傳統(tǒng)水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)阱內(nèi)徑Φ10mm、容器外殼的外徑Φ60mm。實(shí)驗(yàn)采用中國計(jì)量科學(xué)研究院自主研制的水三相點(diǎn)瓶，其機(jī)構(gòu)尺寸見圖2。其外徑與傳統(tǒng)水三相點(diǎn)的外徑相同。制作工藝也與傳統(tǒng)水三相點(diǎn)瓶的制作工藝相同：通過真空蒸餾方式將高純蒸餾水充入水三相點(diǎn)瓶外殼，并在真空下進(jìn)行熔封。
圖2 水三相電瓶尺寸示意圖
2.1.2 高精度測(cè)量裝置
試驗(yàn)中采用準(zhǔn)確度為0.02×10-6的F900交流比較儀電橋，并編寫數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程序，顯著提高測(cè)量的自動(dòng)化水平。
實(shí)驗(yàn)使用TINSLEY 5685A 100Ω，其保存在NIM-9標(biāo)準(zhǔn)電阻恒溫槽內(nèi)。該油槽24h內(nèi)溫度穩(wěn)定性為2mK，可最大程度減少標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻隨溫度的波動(dòng)第測(cè)量結(jié)果的影響。此外，利用熱敏電阻溫度計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的溫度，并修正標(biāo)準(zhǔn)電阻在所測(cè)溫度下的電阻值。
2.1.3 套管
紫銅的導(dǎo)熱性良好，實(shí)驗(yàn)選用的套管為紫銅管，外徑：Φ15.5mm；內(nèi)徑：Φ11.8mm；長度108mm。圖3為紫銅管的實(shí)物圖。
圖3 銅管實(shí)物圖
2.2 測(cè)量步驟
實(shí)驗(yàn)利用液氮冷卻銅棒法凍制水三相點(diǎn)瓶（可參考本站“水三相點(diǎn)瓶凍制方法”技術(shù)文章），使溫度計(jì)阱周圍形成10mm厚的冰套。并在溫度計(jì)阱內(nèi)注入預(yù)冷的蒸餾水，保證冰套圍繞溫度計(jì)阱可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。為了消除冰套凍制中應(yīng)力的影響，水三相點(diǎn)瓶凍制7天后再開始測(cè)量。
測(cè)量前，室溫下的玻璃管插入溫度計(jì)阱內(nèi)使內(nèi)溶，冰套可以繞計(jì)阱自由轉(zhuǎn)動(dòng)。然后，將預(yù)冷的銅管放入計(jì)阱內(nèi)，再將二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)WZPB-2插入溫度計(jì)阱內(nèi)，并調(diào)整計(jì)阱內(nèi)液面高度與冰套高度一致。為消除熱輻射影響，在溫度計(jì)阱口塞上黑色保溫棉。當(dāng)二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)處于熱平衡后，分別在計(jì)阱內(nèi)加銅管、不加銅管、再加銅管，用F900電橋測(cè)量鉑電阻溫度計(jì)在計(jì)阱底部的電阻值。每次測(cè)量采用相同的測(cè)量程序測(cè)量二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在計(jì)阱底部的電阻值。通常采用1mA和1.414mA測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行自熱修正、標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度修正。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表1為水三相點(diǎn)瓶計(jì)阱內(nèi)附加套管和不加套管的測(cè)量結(jié)果。表中：Rtpw為測(cè)量二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在水三相點(diǎn)的電阻值；△T為加銅管與不加銅管的差值；Φ16、Φ18分別表示計(jì)阱內(nèi)徑為16mm、18mm的水三相點(diǎn)瓶；Φ16Cu1、Φ18Cu1表示Φ16mm、Φ18mm的水三相點(diǎn)瓶第一次加銅管測(cè)量；Φ16Cu2、Φ18Cu2表示Φ16mm、Φ18mm的水三相點(diǎn)瓶第二次加銅管測(cè)量。
表1 套管對(duì)水三相點(diǎn)的影響
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
Φ16、Φ18水三項(xiàng)電瓶內(nèi)加套管對(duì)水三相點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的影響見圖4、圖5，由圖可以看出，在計(jì)阱內(nèi)徑為Φ16mm的水三相點(diǎn)瓶內(nèi)，加銅管后測(cè)量的水三相點(diǎn)的平均值偏高10μK，可以忽略不計(jì)，偏高的原因可能是加入套管后二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)傳感元件的導(dǎo)熱性改變所致。而在計(jì)阱內(nèi)徑為Φ18mm的水三相點(diǎn)瓶內(nèi)，加銅套管后測(cè)量的水三相點(diǎn)的平均值偏高大約30μK。不同計(jì)阱的水三相點(diǎn)瓶，其計(jì)阱內(nèi)壁與套管的接觸面積大小不同，熱交換能力也不同，因此，可能是上述原因?qū)е虏煌瑴囟扔?jì)阱內(nèi)夾套管測(cè)量的結(jié)果存在差異。且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，前后二次加銅管的測(cè)量結(jié)果差值在10μK內(nèi)，說明在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量是穩(wěn)定的。
圖4 套管對(duì)Φ16容器的影響 圖5 套管對(duì)Φ18容器的影響
4 結(jié)論
研究了溫度計(jì)阱內(nèi)加套管對(duì)水三相點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)中套管對(duì)水三相點(diǎn)值的影響小于30μK。在相同的測(cè)量條件下，套管對(duì)水三相點(diǎn)的影響取決于水三相點(diǎn)瓶的溫度計(jì)阱和套管的直徑，且套管的直徑與水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)阱的直徑越接近，套管對(duì)水三相點(diǎn)值的影響也就越小。當(dāng)套管直徑與水三相點(diǎn)瓶溫度計(jì)阱內(nèi)徑接近時(shí)，可以忽略套管對(duì)水三相點(diǎn)的影響。
