冰点装置影响因素分析

翁红波 刘彦成

摘 要：简述冰点和水三相点的概念，介绍冰点器的制作方法，从制作工艺、时间、冰水纯度以及插入深度等影响因素进行分析并给出最佳使用的建议。

关键词：冰点；水三相点；冰点器制作

1 引言

ITS90国际温标规定：冰和空气饱和水的平衡称为冰点。其温度为0℃。在热学专业内，0℃计量应用非常广泛，如标准铂电阻的Rtp、自热效应，工业铂热电阻的零点，热电偶、温度二次仪表检定中零点补偿等。相是物质以固态、液态、气态存在的具体形式，物质从一相状态转换成另一相状态的过程称为相变。纯物质在相变的过程中保持温度恒定不变，这是由于从外界吸收的热量在相变的过程中只是增加了分子的内能，而不是提高了物质的温度，反之释放热量也只是减少了分子的内能。这便是热学定义固定点的原理，产生0℃的固定点称为水三相点。水三相点是开尔文热力学温度的唯一基准点，也是90国际温标中重要的固定点，1954年，第10届国际计量大会定义水三相点温度值为273.16K（0.01℃）。

但是除了标准铂电阻的Rtp等要求极高的测量项目外，一般产生0℃的恒温源不建议使用水三相点，因为水三相点除了精度高外有一些明显缺点：冻制过程中使用干冰或者液氨存在一定的危险；冻制工艺复杂，时间长；使用不方便。冰点器是利用纯净水在相变过程温度不变的原理产生0℃的恒温源的一种简易方式，它不像水三相点对真空度、水的来源、水中氢氧同位素的含量和水中溶解的气体含量有苛刻的要求。制作冰点只需要使雪花状的冰和纯净水均匀混合，冰水混合物压紧以消除气泡，水面应低于冰面10～20mm，即产生0℃的恒温源，其不确定度在U≤0.04℃，k=2的水平。冰点制作简单，形式多样，可适用于各种工业计量场合，但正是由于制作要求低，在制作、使用中存在一些误区，有时会极大影响到测量结果。本文从制作工艺、时间、冰水纯度以及大气压强等影响因素进行分析并给出最佳使用的建议。

2 试验设备

2.1 冰点器的选择

目前常用的冰点器有大型、标准型和迷你型，考虑到标准铂电阻的感温铂引线一般在30～50mm，本文采用标准冰点器容器：深度34cm；容器直径的外径18cm，内径11cm。

2.2 传感器及电测设备选择

由于冰点器产生0℃的不确定度在U≤0.04℃，k=2的水平。所以传感器与电测设备的精度要非常高，本文选用FLUKE公司生产的标准铂电阻和测温仪TTI-2，其不确定度合成满足冰点测试要求。

3 冰点器制作方法

制作冰点的冰要成雪花状，制作冰花一般都采用刨冰机，冰花大小基本相同，所以冰花的影响本文不予考虑。另外冰水混合物压紧以消除气泡，水面应低于冰面10～20mm也是共识，所以加水量的大小影响本文也不予考虑。目前制作冰点的问题焦点在于加水的过程，一种方法是制作冰点过程中加水，即冰花需要经过一下水在放入冰点器中也称为洗冰，然后搅拌压紧，另一种方法是刨完的冰花直接加入冰点器中然后再压拌加水紧搅。两种方法最后从制作效果上来看不容易区分，都能达到坚固潮湿状态。很明显不洗冰的方法比较简单，而且常规的观测不能区分两种方法的准确程度。

4 时间影响因素分析

在水三相点制作过程中有一个稳定时间至少在一天以上，一是因为相变达到平衡需要一定的时间，二是因为水三相点中冰晶的生长或结晶需要时间，只有冰晶稳定时间内应变的慢慢消失，温度才能恒定。冰点器中的冰是雪花状的，相比水三相点中的整体固态冰套相平衡需要时间会大大缩短，结合前面提到的两种制作冰点器的方法，传感器插入深度为冰点器的1/2中间部位，冰点器制作完成后每一小时记录一次数据（见表1）。

从研究数据来看，冰、水纯度越高，则所制作的冰点越接近0℃。尤其我国幅员辽阔，南北自来水差异很大，如果使用自来水制作冰点实际情况差异会很大。不过在一般利用冰点器作为温度源时，水质影响因素不是主要因素。

5 插入深度影响因素分析

工业铂热电阻的零点，热电偶检定中都有对插入冰点深度有明确的规定，本文选用检定标准热电偶时参考端插入深度试验作为分析插入深度影响因素。试验结果表明：插入深度对测量结果有影响，当插入深度大于120mm时，参考端插入深度变化带入的影响量小于0.04℃，当插入深度大于130mm时，参考端插入深度变化带入的影响量小于0.02℃，同时参考端各路的均匀性温差带入的影响量很小，所以热电偶参考端插入深度要大于120mm。这也符合了规程所规定的要求。

6 其它影响因素分析

复现性、静压修正、自热修正等，这些因素对冰点器的影响不是主要因素。本文就不一一分析。

7 结论

冰点器存在很多热学计量应用中，计量人员普遍认为冰点器很准，各个相关规程在使用冰点器是不用计量标定的。从各种分析结论看不同的制作方法和使用方法会带来一定的误差，所以在制作和使用冰点器应注意以下几点：

（1）尽量采用纯净水，不能含有可溶性盐类杂质。

（2）制作完成后，冰面要发乌，插入一支合适口径的开口玻璃管，在提起玻璃管之前，按住其顶部，都可引出一个冰水混合物的立柱体，在平坦的表面上立柱不倒。

（3）在精密测量中，不能把冰点等效为0℃，还需要标准温度传感器来标定。

参考文献

[1] 硕士学位论文.冰温蓄冷材料及其相变蓄冷特性的实验研究.

[2] 国防科工委科技与质量司.热学计量.原子能出版社，2002.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.不同来源的水三相点容器的比对.中国计量出版社，2000.

[4] 冰点和水三相点原理及测量方法.

[5] 冰点温度的确定.

[6] 国防科工委科技与质量司.计量技术基础.原子能出版社，2002.