摘 要: 氩三相点是 ITS-90 温标重要的低温固定点和我国国家温度基准固定点。氩三相点复现装置是实现氩三相点复现的基本实验装置。介绍了中国计量科学研究院最新研制的基于准绝热原理的用于长杆铂电阻温度计的开口氩三相点复现装置。该装置可以在降温过程中充入足够量的氩气，保证了足够量的氩气固化，确保了较长的温坪时间，解决了按恒定热流法设计带来的复现性较差、温坪持续时间短等问题。通过采用高精密电桥测量显示: 新建氩三相点复现装置温坪持续时间26 h以上，复现性 0. 04 mK，且 16 h 的温坪变化在 0. 2 mK 以内; 使用两支温度计多次测量结果标准偏差均在 0. 05 mK 以内，标准不确定度大于 0. 2 mk。该装置的研制提高了我国氩三相点的复现水平，保障了国家基准量值的传递，为开展国际比对奠定了基础。
1 引 言
氩三相点是 ITS-90 温标的一个重要的低温定义固定点，也是我国国家低温基准固定点的重要组成部分[1]。中国计量科学研究院于 1996 年设计了基于恒定热流法用于复现长杆铂电阻温度计的氩三相点国家基准装置。由于当时技术的限制、设计原理的缺陷以及使用年代久远，该装置的氩三相点复现温坪由原来的 3 个多小时下降为现在的 1 个多小时，并且在 1 个小时的温度变化1. 5 mK，同时液氮杜瓦的保温水平下降，结霜现象明显;温度计阱口处容易结冰导致温度计难以拔出，容易损坏;实验受大气压影响明显; 并且装置的控温精度较差; 自动水平不高，效率低下; 直接影响国家低温基准———氩三相点的复现水平。
为了保证国家温度基准氩三相点复现水平以及温度基准量值传递的准确性，中国计量科学研究院分别研制了密封型和开口型氩三相点温度基准装置。为了得到较长时间的复现温坪，需要有足够量的氩气固化。密封型氩三相点装置对三相点容器的承压和密封性要求较高并且容器内气体有限[2-3]; 开口型氩三相点装置三相点容器和缓冲罐相连，可以在降温过程中充入足够量的气体。
本文介绍的开口型氩三相点装置能够有效地降低和消除装置本身的漏热的影响，在准绝热的状态下，依靠精准的控温和脉冲加热实现氩三相点温坪复现[4-5]。复现过程中不受大气压影响，复现精度较高; 实现了实验过程的自动化，提高了工作效率。
2 复现装置
传热学中，热量主要通过对流、辐射和传导 3 种方式进行传递[6]。在氩三相点复现过程中，主要通过减小氩三相点容器和外界的热量交换，来实现绝热状态氩三相点复现。整个装置的设计都是建立在准绝热的基础之上。
准绝热开口氩三相点复现装置主要由氩三相点容器、液氮杜瓦、缓冲瓶、真空系统以及连接管路等组成。氩三相点容器是整个装置的核心，包括容器主体、均温块、辐射屏、温度计阱、真空室、温度计阱密封室和顶盖温度计密封室。氩三相点容器如图 1 所示。
氩三相点容器主体是氩发生相变的场所。实验降温过程中，要求氩能够集中固化便于测量，并能获得更长的温坪时间。氩三相点容器主体采用不锈钢加工而成，内壁光滑，有效地防止了氩气固化在容器壁上; 同时在容器内部安装一块导热系数较大的紫铜均温块，均温块的外端设计成齿轮状，能够是氩气更多地固化在均温块上，避免了氩气的分散固化。均温块上设计有温度计阱插口，温度计阱底端放置其中，温度计插入温度计阱后，测量均温块上附着的氩的温度值。氩三相点容器外侧安装有双层防辐射屏，主要起均温和热沉的作用，减小了辐射漏热。在内层防辐射屏顶端边沿 安 装 有 控 温 温 度 计PT100，并且在防辐射屏上半部分贴有加热膜。控温仪通过加热膜的脉冲加热实现对漏热的补偿，加热膜的热量 由上向下传递，避免了局部过热引起的固态氩快速相变。
整个氩三相点容器和防辐射屏均处于真空室中，最大程度地减小了对流热量损耗，保证准绝热的环境。
温度计阱采用壁厚为 1 mm 的不锈钢管。氩三相点容器顶部设计有温度计阱真空室，为了实现绝热，在此真空室中截断温度计阱，从而有效减小了导热损耗。温度计阱口采用“O”型圈密封，同时设计了顶盖温度计密封室，通过顶盖温度计密封室抽真空然后充入氦气作为交换气，从而彻底解决了温度计阱口结冰问题，方便了实验中的自热测量。但是用于测量的长杆铂电阻温度计自身的特点，不可避免地带来导热热损[7-9]，这也是称为准绝热法的原因。
液氮杜瓦主要作用是为三相点容器中氩的相变提供稳定的低温环境。新设计的液氮杜瓦开式杜瓦，可以随时向杜瓦中添加液氮。杜瓦瓶口安装有保温层能有效地减少液氮挥发，消除了液氮挥发带来的热损耗，内部温场更加稳定，为绝热测量和实现较长时间的温坪提供了必要的条件。缓冲瓶不仅能够在降温过程中，为氩三相点容器提供足够量的氩气，而且能够实现氩三相点容器中气体的更新。真空系统采用中科科仪公司生产的真空机组，真空度可以达到1 ×10- 6。连接管路为1/4 inch 的洁净不锈钢管，采用氩弧焊连接，承受压力为 10 MPa。
3 控制与测量系统
控温水平是准绝热复现氩三相点的重要指标，也是实现准绝热的必要保证。精准的控温是实现氩三相点复现的前提。实验中采用美国 Lakeshore 公司生产的 Model340 控温仪，控温精度可达到 1 mK，并且有 5 种输出功率可以选择。高水平的控温能够保证氩三相点的准绝热状态，获得较长时间的温坪。脉冲电流源采用 Keithley6220 直流电流源，可以输出 μA 级别的电流，能够实现对固定点容器漏热的补偿，以及对氩三相点容器缓慢加热使固态氩缓慢融化达到三相点状态。测温电桥采用了英国 ASL 的 F900 高精密交流自动测量电桥和加拿大 MI的 6015T 高精度直流电桥，两电桥的比率测量精度都为0. 2 × 10- 7。仪器通过 GPIB-USB-HS 采集卡与计算机通信。控制和测量系统的连接状态如图 2 所示。
4 复现实验
氩三相点实验中，氩的冻制水平和控温水平直接决定了实验成败。氩三相点复现实验主要分为降温和升温2 部分。降温，也就是氩的冻制，是实验进行的基础。由于氩气的量相对较少，只有氩气较多地固化在均温块上，才能保证实验的顺利进行。升温是复现实验的关键，升温中一定要准确控制所加热量与所需热量之间的关系，缓慢精确地对三相点容器加热，保证氩三相点的绝热状态。否则会因温度过冲而导致氩迅速气化，致使实验的失败。温度升至氩三相点，实现实验数据的采集。
4. 1 降 温
降温过程实质上是氩气凝固的过程，是整个实验的基础。降温过程中，必须保证有足够量的氩气固化在均温块上。实验中，均温块与容器之间的间隙体积 V0为0. 1441 L，固态氩的密度 ρ0= 1 623 g / L，因此所需氩的质量 m0为: m0= ρ0V0= 233. 87 g。缓冲瓶中氩气压力 P 为0. 4 MPa，此时氩气密度 ρ1= 6. 645 9 g / L，缓冲瓶容积为V1= 45. 8 L，缓冲瓶中氩气含量为: m1= ρ1V1= 304. 41 g。因为 m1> m0，所以当缓冲瓶中气体完全进入氩三相点容器，即压力降到0 Pa 时，氩气固化就能完全覆盖均温块。
为保证氩气更多地在底层的均温块上固化，实验中采用分段降温法。首先向液氮杜瓦中灌入少量液氮，使氩三相点容器底部没入液氮中，同时向防辐射屏和氩三相点容器主体之间充入一定量的氦气作为交换气，保证氩气迅速在均温块上固化。氩气液化时，缓冲瓶中的氩气通过真空管路不断进入容器。当缓冲瓶与氩三相点容器之间压力降到 0 kPa 时( 相对于大气压) ，关闭进气阀门。最后向杜瓦中灌满液氮维持 20 h 以上[10]，保证氩完全固化在均温块上。
4. 2 升 温
升温过程是氩三相点复现实验的开始，控温的精度与升温速率直接影响实验结果[11-14]。为防止温度过冲，保证控温精度，需要选择设置电流源合理的脉冲电流。升温过程中，容器的加热量过大，会导致实验的失败，所以电流源的加热量与等待时间至关重要。由吸收热公式:
装置包括不锈钢桶、底部的紫铜块、以及其中所含有的氩气，通过公式可以计算装置升高 1 ℃需要的能量为3 898. 5 J。经过计算各温度区间选择电流源的加热电流和加热等待时间如表 1 所示; 设置控温仪的升温步骤、加热功率、PID 参数[4，10，15]以及设定温度如表 2 所示。加热过程分 3 步: 首先用较大电流、较短的等待时间对氩三相点容器加热，使温度上升到低于氩三相点 1 K，然后改变加热参数，调小加热电流，延长相应的等待时间，当温度上升到低于氩三相点 100 mK 时，再次调整加热参数，使加热频率降低，加热功率减小。控温仪最终控制在84 K，选择合适的加热脉冲，实现对漏热的补偿，保证氩三相点容器处于绝热状态。维持加热电流和等待时间直到整个温坪结束。
4. 3 实验结果分析
新研制的氩三相点复现装置成功实现了准绝热状态的氩三相点温坪的复现。采用 2 支长杆铂电阻温度计70010 和 4321，利用高精密测温电桥 F900 及 6015T 进行测量。F900 电桥的测量结果如图 3 所示，6015T 电桥的测量结果如图 4 所示。
当温度达到氩三相点温度时，氩只吸收热量而不升温。通过电桥采集的 2 组数据可以看到，每次脉冲加热后，温度曲线会出现一个尖峰，但很快趋于稳定得到较长一段稳定时间的温度稳定。这是由于每次加热脉冲的能量一部分被不锈钢桶吸收后，使不锈钢温度产生了一个波动; 其余热量用于氩融化和气化，氩在吸收热量缓慢融化和气化过程中，温度维持稳定。由 2 支温度计的温坪曲线可以看出氩三相点温坪持续 26 h 以上，其中在 16 h内温坪变化在 0. 2 mK 以内。表 3 显示了多次测量的实验数据。从数据分析中可以看出装置复现性为 0. 1 mK以内，标准不确定度为 0. 17 mK。可目前正在使用的氩复现装置国家基准为 0. 1 mK，温坪最长时间为 3 h。相比较而言，新研制的准绝热开口氩三相点装置的复现温坪时间和复现精度都有了显著提高。
目前国际上，美国国家标准技术研究所的准绝热氩三相点复现装置是世界上较好的装置，温坪的实际为60 h以上，24 h 变化 0. 1 mK[10]; 2003 年埃及( NIS) 和法国( INM) 合作研究了单阱氩三相点复现装置[14]，温坪持续 2 h，变化 1 mK。2008 年; 韩国国家计量院( KRISS) 研制氩三相点复现装置[15-18]，温坪在4 h 变化小于 0.35 mK，与它们相比较新建立的装置达到国际先进水平。
5 结 论
本文介绍了中国计量科学研究院最新研制的基于准绝热原理的开口型氩三相点复现装置，采用长杆铂电阻温度计进行氩三相点复现。实验结果显示: 采用新装置氩三相点复现温坪持续时间达 25 h 以上，其中在 16 h 内温坪变化在 0.2 mK 以内。装置的复现性为 0.04 mK，标准不确定度为 0.17 mK。和以前国家基准装置相比有了显著提高，并且达到了国际先进水平。该装置的研制成功提高了我国的氩三相点复现水平，为开展国际比对奠定了基础。
参考文献
[1] 国家技术监督计量局. 1990 年国际温标宣贯手册[M]. 北京: 中国计量出版社，1990.
[2] 刘植松. 准绝热氩三相点复现技术实验研究[D]. 石家庄: 河北大学，2010.
[3] 刘植松，孙建平，李晓苇，等. 准绝热密封型氩三相点装置自动控制系统[J]. 计量技术，2010( 5) : 23-25.
[4] AHMED M G，HERMIER Y，MOUSSA M R，et al. Argontriple-point device to calibrate long-stem thermometers inquasi-adiabatic conditions [J]. American Institute ofPhysics，2003，684: 197-202.
[5] 邱萍，孙建平，林鸿，等. 13. 803 3 K ～273 16 K 温度国家基准改造研究报告[R]. 中国计量科学研究院热工所，2006.
[6] 杨世铭，陶文权. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社，2006: 4-11.
[7] 崔志尚. 温度计量与测试[M]. 北京: 中国计量出版社，1998: 156-161.
[8] 高庆中. 温度计量[M]. 北京: 中国计量出版社，2004:226-231.
[9] ANCSIN J，PHILLIPS J. Argon triple point realization cry-ostat for platinum resistance long stem thermometers[J].Rev. Scl. Instrum. 1976，47: 1519-1521.
[10] FURUKAWA G T. Argon triple point apparatus with mul-tiple thermometer wells[A]. Temperature: Its Measure-ment and Control in Science and Industry，Vol. 6 ，Part I.American Instrtute of Physics[J]. 1992: 265-269.
[11] 林鸿，邱萍，王松安. 低温固定点复现的自动控制系统[J]. 计量学报，2007，28( 3A) : 73-78.
[12] 刘燕，滕召胜，林海军. 基于时间最优模糊 PID 温度控制的水分测定电子天平[J]. 电子测量与仪器学报，2008，22( 4) : 91-93.
[13] 陈乐，陈晓竹. 虚拟温度校准系统研究[J]. 仪器仪表学报，2001，22( 增刊 2) : 301-302.
[14] 张力，盛晓岩，许新民，等. 高准确度压力和温度校准装置的控制系统研制[J]. 仪器仪表学报，2001，22( 增刊 1) : 150-152.
[15] YANG I，SONG C H，KANG K H，et al. Development ofthe sealed-type triple-point-of-argon cell for long-stemSPRT calibration at KRISS[J]. Int Thermophys，2008，29: 1740-1748.
[16] 贾继超，李岁劳，赵成志，等. 高精度车载航位推算温度补偿 研 究[J]. 仪 器 仪 表 学 报，2010，31 ( 10) :2198-2202.
[17] 邵理堂，王式民，汤光华. DOAS 方法在线测量污染气体浓度的温度与非线性补偿[J]. 仪器仪表学报，2009，30( 7) : 1518-1523.
[18] 王荣华，杜平安，黄明镜. 基于等温线温度识别的示温漆温度自动识别算法[J]. 电子测量与仪器学报，2010，24( 6) : 542-547.
作者简介
孙建平，2002 年于太原理工大学获得学士学位，2005 年于中国计量科学研究院获得硕士学位，现为中国计量科学研究院助理研究员，主要研究方向为温度计量及材料热物性。E-mail: sunjp@ nim. ac. cn
刘植松，2007 年于河北大学获得学士学位，2010 年于河北大学获得硕士学位，现为加拿大测量国际有限公司北京代表处工程师，主要研究方向为仪器的精密测量。E-mail: zsliu@ mintl. com
