引言
水三相點是熱力學溫標的唯一基準點，也是ITS-90國際溫標定義的重要的固定點。水三相點的正確復現(xiàn)和準確測量是ITS一90國際溫標實施的關(guān)鍵。標準鉑電阻溫度計是ITS-90國際溫標中規(guī)定的內(nèi)插儀器，是復現(xiàn)保存溫標及溫標傳遞的必要儀器，標準鉑電阻溫度計作為標準或參考溫度計被廣泛用于分度其它的溫度計以及在實驗室進行精密準確的溫度測量。同時在對各類水銀溫度計、工業(yè)熱電阻等溫度傳感器及儀表檢定時標準鉑電阻溫度計也都是最常用的標準，因此用標準鉑電阻溫度計測量固定點溫度及檢定分度都有相應(yīng)的使用技術(shù)要求。在水三相點中，使用標準鉑電阻溫度計是為了保證溫度計與三相點瓶達到熱平衡，ITS-90國際溫標的補充說明要求在進行水三相點的測量時，被測的標準鉑電阻溫度計在插入水三相點瓶之前需要在冰點瓶預冷管里預冷至少5min，如然后插入水三相點瓶中等待5-10min，甚至更長的時間再進行測量。美國國家標準和技術(shù)研究院的ITS-90國際溫標復現(xiàn)指南要求：被測標準鉑電阻溫度計在插入水三相點瓶之前在冰點瓶預冷管中預冷、但沒有說明預冷多長時間。我們國家的標準鉑電阻溫度計檢定規(guī)程要求被測標準鉑電阻溫度計在冰點瓶預冷管中預冷后再插入水三相點瓶中，當溫度計達到熱平衡后開始測量，并未說明應(yīng)預冷多長時間以及多長時間溫度計可達到熱平衡。為了比較準確地了解預冷時間與標準鉑電阻溫度計在水三相點里達到熱平衡所需時間的關(guān)系，筆者對三種不同類型的國產(chǎn)標準鉑電阻溫度計在不同預冷條件下，準確地測量了它們在水三相點里達到熱平衡所需的時間。通過實驗測試的結(jié)果，以期對使用標準鉑電阻溫度計的技術(shù)人員準確測量水三相點溫度有所幫助。
實驗測量系統(tǒng)
實驗是在中國計量科學研究院接觸測溫室進行的、利用了接觸測溫室的標準鉑電阻溫度計、水三相點和電測系統(tǒng)，包括：ASL-F18高精密交流電橋、計算機及內(nèi)置IEE488數(shù)據(jù)采集卡和水三相點瓶，如圖1所示。ASL-F18電橋是8位的高精密自動交流電橋，其模擬顯示為8位，如果采用計算機采集可以讀出10位數(shù)，其中前9位為有效數(shù)。因此基于計算機采集控制的ASL-F18自動電橋的分辨力可達到0.01mK。計算機采集控制是通過內(nèi)置的GPIB卡與電橋的IEE488口通訊，計算機通過采集卡來控制和初始化電橋。采集控制軟件采用Visual Basic 6.0編寫程序，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和對ASL-F18面板功能的控制。在本文的的實驗測量中，數(shù)據(jù)采集間隔為1s，ASL-F18的工作頻率為25Hz，標準鉑電阻溫度計工作電流為1mA。對被測標準鉑電阻溫度計達到熱平衡的判斷依據(jù)是：當ASL-F18電橋顯示的10位數(shù)均不變時、認為被測鉑電阻溫度計與水三相點瓶達到熱平衡。交流電橋容易受到外界電磁信號的干擾，因此交流電橋在水三相點達到穩(wěn)定的時間可能要長于直流電橋在水三相點達到穩(wěn)定的時間，所以在用交流電橋準確測量鉑電阻溫度計與水三相點之間達到熱平衡的時間內(nèi)，用直流電橋測量也應(yīng)達到熱平衡。
圖1 標準鉑電阻溫度計在水三相點達到熱平衡所需時間測量系統(tǒng)框圖
實驗結(jié)果及分析
1、同種結(jié)構(gòu)的標準鉑電阻溫度計不同預冷時間的情況比較
選取三支石英為絕緣材料、十字骨架型的二等標準鉑電阻溫度計編號分別是83151、83159、00323，它們分別是云南昌暉儀表制造有限公司和昆明大方兩家公司生產(chǎn)的。溫度計保護管的長度為(480±20mm，外徑為7.0±06mm、感溫元件位于保護管頂端60mm范圍內(nèi)。分別對這三支標準鉑電阻溫度計進行了標準鉑電阻溫度計無預冷、預冷5min、10min的水三相點的熱平衡時間測試。測量時室溫為19.7±0.1℃，水三相點瓶的直徑為12mm，瓶中預先加入接近0℃的蒸餾水且在溫度計阱口塞上棉花并用黑布罩住標準鉑電阻溫度計，盡量降低熱輻射對測量結(jié)果的影響。測量按如下方法進行，第一步，啟動采集程序，先開始對被測溫度計進行與標準電阻的電阻比值的數(shù)據(jù)采集、采樣速率為每秒一個數(shù)；隨后，如果無預凍則直接將溫度計插入水三相點瓶中，計算機按每秒一個讀數(shù)的速度采集被測溫度計電阻比值，在計算機采集的所有10位數(shù)都保持不變的情況出現(xiàn)時，認為溫度計與水三相點瓶達到熱平衡；有預冷時，先將被測溫度計在冰點瓶里裝有水的玻璃預冷管中預冷規(guī)定的時間，然后將溫度計放入水三相點瓶中，熱平衡判斷依據(jù)與無預冷的相同。表1給出了這三支標準鉑電阻溫度計的實驗測量結(jié)果。
表1 三支標準鉑電阻溫度計的平衡時間表
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實驗條件 |
沒有預冷 |
預冷5min |
預冷10min |
預冷15min |
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83151 |
240s |
140s |
116s |
94s |
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83159 |
237s |
139s |
124s |
97s |
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00323 |
221s |
151s |
138s |
109s |
從表1可以看出，即使無預冷、被測溫度計也能在5分鐘內(nèi)與水三相點瓶達到熱平衡。但是無預冷的溫度計會使使溫度計阱附近的水層加厚、這對水三相點隨后的使用會產(chǎn)生不利影響、因此如果沒有特殊要求，溫度計應(yīng)該預冷。經(jīng)過預冷的標準鉑電阻溫度計。達到熱平衡的時間大大縮短。
由于三支溫度計測量得到的實驗曲線大致相同，所以僅以83159為例給出其測量曲線，如圖2-圖5所示。
圖2 標準鉑電阻溫度計沒有預冷穩(wěn)定時間圖
圖3 標準鉑電阻溫度計預冷5min穩(wěn)定時間圖
圖4 標準鉑電阻溫度計預冷10min穩(wěn)定時間圖
圖5 標準鉑電阻溫度計預冷10min穩(wěn)定時間圖
2、預冷時間相同結(jié)構(gòu)不同的溫度計的情況
我們在相同的預冷時間情況下，分別檢查了三種不同結(jié)構(gòu)的標準鉑電阻溫度計在水三相點里的預冷時間。分別選擇了十字骨架、麻花、U型三種不同結(jié)構(gòu)的溫度計各兩支，在冰點瓶的玻璃預冷管里各預冷5min，然后放入水三相點瓶中，測量達到熱平衡所需要的時間。結(jié)果在表2中給出。
表2 83159溫度穩(wěn)定時間表
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實驗條件 |
溫度計結(jié)構(gòu) |
溫度計標號 |
平衡時間 |
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預冷5min |
U型 |
193780 |
130s |
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U型 |
11127 |
113s |
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麻花 |
7576 |
117s |
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麻花 |
75035 |
135s |
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十字骨架 |
83151 |
140s |
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十字骨架 |
83159 |
119s |
小結(jié)
測量結(jié)果表明，在不預冷的情況下，三支被測的十字骨架型的標準鉑電阻溫度計能夠在5min內(nèi)與水三相點瓶達到熱平衡。在預冷5min的情況下，分別檢查了三種不同結(jié)構(gòu)的標準鉑電阻溫度計與水三相點瓶達到熱平衡的時間，測量結(jié)果顯示，所需的熱平衡時間遠小5min。測量結(jié)果也顯參預冷時間越長、達到熱平衡的時間越短。本文所述的僅是該三種類型溫度計穩(wěn)定所需的最短時間，各地方計量部免門可在遵守國際溫標補充說明的條件下，在所使用的儀器上自行進行測試。
