引言
水三相点是热力学温标的唯一基准点，也是ITS-90国际温标定义的重要的固定点。水三相点的正确复现和准确测量是ITS一90国际温标实施的关键。标准铂电阻温度计是ITS-90国际温标中规定的内插仪器，是复现保存温标及温标传递的必要仪器，标准铂电阻温度计作为标准或参考温度计被广泛用于分度其它的温度计以及在实验室进行精密准确的温度测量。同时在对各类水银温度计、工业热电阻等温度传感器及仪表检定时标准铂电阻温度计也都是最常用的标准，因此用标准铂电阻温度计测量固定点温度及检定分度都有相应的使用技术要求。在水三相点中，使用标准铂电阻温度计是为了保证温度计与三相点瓶达到热平衡，ITS-90国际温标的补充说明要求在进行水三相点的测量时，被测的标准铂电阻温度计在插入水三相点瓶之前需要在冰点瓶预冷管里预冷至少5min，如然后插入水三相点瓶中等待5-10min，甚至更长的时间再进行测量。美国国家标准和技术研究院的ITS-90国际温标复现指南要求：被测标准铂电阻温度计在插入水三相点瓶之前在冰点瓶预冷管中预冷、但没有说明预冷多长时间。我们国家的标准铂电阻温度计检定规程要求被测标准铂电阻温度计在冰点瓶预冷管中预冷后再插入水三相点瓶中，当温度计达到热平衡后开始测量，并未说明应预冷多长时间以及多长时间温度计可达到热平衡。为了比较准确地了解预冷时间与标准铂电阻温度计在水三相点里达到热平衡所需时间的关系，笔者对三种不同类型的国产标准铂电阻温度计在不同预冷条件下，准确地测量了它们在水三相点里达到热平衡所需的时间。通过实验测试的结果，以期对使用标准铂电阻温度计的技术人员准确测量水三相点温度有所帮助。
实验测量系统
实验是在中国计量科学研究院接触测温室进行的、利用了接触测温室的标准铂电阻温度计、水三相点和电测系统，包括：ASL-F18高精密交流电桥、计算机及内置IEE488数据采集卡和水三相点瓶，如图1所示。ASL-F18电桥是8位的高精密自动交流电桥，其模拟显示为8位，如果采用计算机采集可以读出10位数，其中前9位为有效数。因此基于计算机采集控制的ASL-F18自动电桥的分辨力可达到0.01mK。计算机采集控制是通过内置的GPIB卡与电桥的IEE488口通讯，计算机通过采集卡来控制和初始化电桥。采集控制软件采用Visual Basic 6.0编写程序，可实现数据的自动采集和对ASL-F18面板功能的控制。在本文的的实验测量中，数据采集间隔为1s，ASL-F18的工作频率为25Hz，标准铂电阻温度计工作电流为1mA。对被测标准铂电阻温度计达到热平衡的判断依据是：当ASL-F18电桥显示的10位数均不变时、认为被测铂电阻温度计与水三相点瓶达到热平衡。交流电桥容易受到外界电磁信号的干扰，因此交流电桥在水三相点达到稳定的时间可能要长于直流电桥在水三相点达到稳定的时间，所以在用交流电桥准确测量铂电阻温度计与水三相点之间达到热平衡的时间内，用直流电桥测量也应达到热平衡。
图1 标准铂电阻温度计在水三相点达到热平衡所需时间测量系统框图
实验结果及分析
1、同种结构的标准铂电阻温度计不同预冷时间的情况比较
选取三支石英为绝缘材料、十字骨架型的二等标准铂电阻温度计编号分别是83151、83159、00323，它们分别是云南昌晖仪表制造有限公司和昆明大方两家公司生产的。温度计保护管的长度为(480±20mm，外径为7.0±06mm、感温元件位于保护管顶端60mm范围内。分别对这三支标准铂电阻温度计进行了标准铂电阻温度计无预冷、预冷5min、10min的水三相点的热平衡时间测试。测量时室温为19.7±0.1℃，水三相点瓶的直径为12mm，瓶中预先加入接近0℃的蒸馏水且在温度计阱口塞上棉花并用黑布罩住标准铂电阻温度计，尽量降低热辐射对测量结果的影响。测量按如下方法进行，第一步，启动采集程序，先开始对被测温度计进行与标准电阻的电阻比值的数据采集、采样速率为每秒一个数；随后，如果无预冻则直接将溫度计插入水三相点瓶中，计算机按每秒一个读数的速度采集被测温度计电阻比值，在计算机采集的所有10位数都保持不变的情况出现时，认为温度计与水三相点瓶达到热平衡；有预冷时，先将被测温度计在冰点瓶里装有水的玻璃预冷管中预冷规定的时间，然后将温度计放入水三相点瓶中，热平衡判断依据与无预冷的相同。表1给出了这三支标准铂电阻温度计的实验测量结果。
表1 三支标准铂电阻温度计的平衡时间表
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实验条件 |
没有预冷 |
预冷5min |
预冷10min |
预冷15min |
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83151 |
240s |
140s |
116s |
94s |
|
83159 |
237s |
139s |
124s |
97s |
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00323 |
221s |
151s |
138s |
109s |
从表1可以看出，即使无预冷、被测温度计也能在5分钟内与水三相点瓶达到热平衡。但是无预冷的溫度计会使使温度计阱附近的水层加厚、这对水三相点随后的使用会产生不利影响、因此如果没有特殊要求，温度计应该预冷。经过预冷的标准铂电阻温度计。达到热平衡的时间大大缩短。
由于三支温度计测量得到的实验曲线大致相同，所以仅以83159为例给出其测量曲线，如图2-图5所示。
图2 标准铂电阻温度计没有预冷稳定时间图
图3 标准铂电阻温度计预冷5min稳定时间图
图4 标准铂电阻温度计预冷10min稳定时间图
图5 标准铂电阻温度计预冷10min稳定时间图
2、预冷时间相同结构不同的温度计的情况
我们在相同的预冷时间情况下，分别检查了三种不同结构的标准铂电阻温度计在水三相点里的预冷时间。分别选择了十字骨架、麻花、U型三种不同结构的温度计各两支，在冰点瓶的玻璃预冷管里各预冷5min，然后放入水三相点瓶中，测量达到热平衡所需要的时间。结果在表2中给出。
表2 83159温度稳定时间表
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实验条件 |
温度计结构 |
温度计标号 |
平衡时间 |
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预冷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 |
小结
测量结果表明，在不预冷的情况下，三支被测的十字骨架型的标准铂电阻温度计能够在5min内与水三相点瓶达到热平衡。在预冷5min的情况下，分别检查了三种不同结构的标准铂电阻溫度计与水三相点瓶达到热平衡的时间，测量结果显示，所需的热平衡时间远小5min。测量结果也显参预冷时间越长、达到热平衡的时间越短。本文所述的仅是该三种类型温度计稳定所需的最短时间，各地方计量部免门可在遵守国际温标补充说明的条件下，在所使用的仪器上自行进行测试。