一种二氧化碳三相点容器的制作方法

1.本实用新型属于温度计量领域，特别是涉及一种二氧化碳三相点容器。


背景技术：

2.现行国际温标(its-90)包含三要素：定义固定点、内插仪器和内插公式。汞(hg) 三相点的温度是234.3156k，是定义固定点。随着含汞产品的禁止，汞三相点面临被二氧化碳(co2)三相点(216.5920k)取代的情况。
3.正常的汞三相点容器为圆柱结构，综合考虑恒温装置均温区的尺寸、温度波动度和均匀性的技术要求，国际上汞三相点容器的内容积的最大高度约300mm。为了替代汞三相点，又不引入其它的技术要求，保证二氧化碳三相点容器也能够符合恒温装置的均温区尺寸要求，保证温度的均匀性，二氧化碳三相点容器的内容积高度仍应保持在300mm。
4.二氧化碳的三相点温度为216.592k，压力为0.51795mpa，固相co2密度为1530kg/m3，液相密度为1178kg/m3。二氧化碳的饱和液相密度随温度升高逐渐变小，300k时为679.24 kg/m3。216k的固相二氧化碳升温到300k的过程中，固相转变为液相，体积增加了约126％。这意味着装入1个单位体积的固态二氧化碳，密闭容器需要提供2.26个单位体积容纳升温后体积膨胀的液相二氧化碳。常温下液相二氧化碳体积随温度上升急剧增加，为了维持320 k时液相二氧化碳的压力不超过12mpa，则300mm高度的圆柱腔内的二氧化碳在三相点时的液固面高度为不超过130mm，达不到复现需要的200mm固液高度要求，这是由于长杆标准铂电阻温度计的感温线圈长度约50mm，为了获得最高的测温精度，在容器内的浸没深度要求达到150mm至180mm，即从长杆标准铂电阻温度计感温线圈中心至三相点的固液界面的高度至少高于150mm，也就是温度计阱底端距离三相点固液界面至少大于175mm。而温度计阱底部至容器底部还有一定距离，才能保证复现时，温度计阱被二氧化碳的固液界面包围，所以三相点温度时的固液高度至少高于200mm。
5.由此可见，现有技术中，容器的安全性限制条件、温度计和恒温环境的技术性限制相互矛盾，使得常规的二氧化碳三相点容器不能够同时满足上述的技术要求。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种能够同时满足校准长杆标准铂电阻温度计浸没深度要求、容器轴向尺度限制和常温下的压力安全性技术要求的二氧化碳三相点容器。
7.本实用新型提出了一种变内径二氧化碳三相点容器，所述三相点容器包括工作段、过渡段和缓冲段；所述工作段为二氧化碳介质占据的空间，所述过渡段设置在所述工作段和缓冲段之间；所述过渡段为圆锥台结构，所述工作段和和缓冲段为圆柱体结构，所述圆锥台具有第一倾角，所述第一倾角在65度-72度之间；其中，所述工作段为具有第一直径的圆柱结构；所述缓冲段为采用第二直径的圆柱结构；所述第二直径大于第一直径。
8.其中，所述二氧化碳三相点容器的缓冲段具有第一高度，所述第一高度占三相点容器整体高度的1/6。
9.其中，所述二氧化碳三相点容器的工作段具有第二高度，优选所述第二高度占三相点容器整体高度的2/3。
10.其中，所述第一倾角为68.2度。
11.其中，在所述二氧化碳三相点容器的轴线处设置盲管。
12.其中，在所述三相点容器的顶部，设置有第一金属管和第二金属管，所述第一金属管用于连接压力表，所述第二金属管用于连接阀门，进行排气或灌气。
13.本实用新型充分考虑了材料的屈服应力和介质的物质特性。本实用新型创新性的采用径向提供相变空间的理念，相较于通常使用的汞三相点容器圆柱形腔体的轴向提供相变空间的设计理念，解决了轴向空间短的限制难题；所述变内径二氧化碳三相点容器，能够同时满足校准长杆标准铂电阻温度计浸没深度要求、容器轴向尺度限制和常温下的压力安全性技术要求。
附图说明
14.图1为本实用新型的二氧化碳三相点容器的结构示意图。
具体实施方式
15.为了便于理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对实用新型进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
16.为了满足温度计的浸没深度介于150mm-180mm之间的测试要求，即从长杆标准铂电阻温度计的感温线圈的中心点到液态固定点介质上表面的长度。
17.本实用新型设计了一种变内径的圆柱结构三相点容器，所述三相点容器包括工作段1、过渡段2和缓冲段3。所述工作段1指介质相变过程中，介质占据的空间，所述工作段1为具有第一直径的圆柱结构；所述缓冲段3为采用第二直径的圆柱结构；所述过渡段3设置在所述工作段1和缓冲段3之间，优选所述过渡段3为圆锥台结构，所述过渡段3将所述第一直径的圆柱结构和第二直径的圆柱结构相连接，其中第二直径大于第一直径。所述工作段1的圆柱体与缓冲段3的圆柱体结构通过圆锥台实现连接，从而，通过过渡段2的连接，在缓冲段3提供了更充分的径向空间为介质提供膨胀空间。相比于常规的二氧化碳三相点圆柱体容器，由轴向为介质提供膨胀空间具有明显的优势。
18.如图1所示为本技术的变内径的二氧化碳三相点容器的结构示意图。所述二氧化碳三相点容器为密闭耐压容器，根据二氧化碳的物理性质，确定容器的设计压力上限。在室温 25℃时，二氧化碳的饱和蒸气压约为6mpa，取此压力的2倍为设计压力上限，即12mpa，此值可根据需要修改。优选所述二氧化碳三相点容器的耐压为12mpa，承装高压二氧化碳进行三相点温度复现，对长杆或套管式铂电阻温度计进行校准。本实用新型的二氧化碳三相点容器采用整体非统一尺寸的密闭空腔，所述二氧化碳三相点容器的缓冲段3具有第一高度h1，优选所述第一高度h1占三相点容器整体高度的1/6；三相点容器的工作段1具有第二高度h2，优选所述第二高度h2占三相点容器整体高度的2/3，所述缓冲段3和工作段1 都采用圆柱体设计，其中三相点容器的所述缓冲段3的内直径是容器所述工作段1内直径的两倍；在所述工作段1和所述缓冲段3之间通过圆锥台连接，所述圆锥台具有第一倾角，所述第一
倾角在65度-72度之间，优选所述倾角为65度、66度、68度、68.2度、69度、 70度、71度或者72度。
19.优选所述工作段1中圆柱体的第二高度h2大于200mm，提供足够高的固液相变界面，满足浸没深度的要求。在所述容器的轴线处设置一个深入容器内长度大于200mm、内直径为12mm的盲管4，所述盲管4用于作为温度计阱使用，所述温度计阱用于校准长杆铂电阻温度计和套管式铂电阻温度计。在所述三相点容器的顶部，设置有第一金属管5和第二金属管6，所述第一金属管5用于连接压力表，所述第二金属管6用于连接阀门，进行排气或灌气。
20.所述二氧化碳三相点容器的缓冲段3的圆柱体具有第一半径，优选所述第一半径为 40mm，所述第一高度h1优选为50mm；所述工作段1的圆柱体具有第二半径，优选所述第二半径为20mm，所述第二高度h2优选为200mm；两个圆柱体间通过圆锥台进行过渡，所述圆锥台具有第三高度，优选所述第三高度h3为50mm，所述圆锥台的上端面具有第一半径，所述圆锥台的下端面具有第二半径。
21.本实用新型的二氧化碳三相点容器优选采用316l不锈钢加工，该不锈钢耐酸腐蚀好，可以采用分段加工后焊接的方式，分别加工上端盖，下端盖，作为缓冲段3的大圆柱，作为过渡段2的圆锥台体、作为工作段1的小圆柱，以及温度计阱等部件；然后将上述部件进行固定连接；作为进一步的优选，也可以采用棒料整体车铣，然后在固定连接上端盖的方式。所述二氧化碳三相点容器的腔体内表面和温度计阱外表面光洁的表面，光洁的表面可以减少气体杂质的附着，优选所述表面的表面粗糙度小于0.8μm。为了去除表面油污等杂质，适当的烘烤温度和时长用以除水，是非常必要的辅助工序。
22.本实用新型的二氧化碳三相点容器可以利用现有的汞三相点复现的恒温设备进行复现，可节约新购置设备成本。本实用新型的二氧化碳三相点容器高度与常规使用的汞三相点容器高度相仿，整体呈纵向的轴对称结构，可以进行连续加热的复现，实验室可以利用原有的恒温槽对固定点进行复现，而不必更换更大均温深度的恒温槽，可以为使用本实用新型的机构节约设备购置经费。
23.在对本实用新型的二氧化碳三相点容器进行结构设计时，采用以下步骤：
24.步骤一、根据二氧化碳的物理性质，确定容器的设计压力上限。在室温25℃时，二氧化碳的饱和蒸气压约为6mpa，取此压力的2倍为设计压力上限，即12mpa，此值可根据需要修改。
25.步骤二、确定三相点容器温度计阱的直径和深度。首先，确定温度计阱的内外径。内径可采用兼容校准套管式铂电阻温度计和长杆式铂电阻温度计的设计，即12mm的内径；若采用12mpa的设计压力上限且温度计阱采用316l不锈钢材料，核算温度计阱的承压能力。推荐根据国家标准《压力容器》(gb150-2011)的要求，核算温度计阱的承压，在该壁厚下安全，则壁厚可定为3mm，则温度计阱的外径为18mm，其他材料或压力需要核算；其次，确定温度计阱深度。一般的长杆标准铂电阻温度计的感温线圈的长度约为50mm，半长为 25mm，浸没深度取下限150mm，则工作段温度计阱的深度应该大于等于175mm。
26.步骤三、确定二氧化碳三相点容器工作段的内径和高度。优选所述二氧化碳三相点容器的内径为40mm，也可根据需要采用其他尺寸。在确保温度计阱盲端外壁至三相点容器底部内壁的距离大于温度计阱外壁至三相点容器内侧壁的距离的前提下，推荐容器的工作段高度为200mm(温度计阱的深度为175mm)，也可根据需要采用其他尺寸。
27.步骤四、计算二氧化碳三相点容器工作段的容积。首先，计算工作段圆柱体的体积，工作段以40mm直径(d1)，200mm(h1)高圆柱计算，容积为v1＝πh1d
12
/4＝251327mm3；其次，计算工作段的温度计阱的体积，以18mm直径(d2)，178mm(h2)高的圆柱体计算，体积为 v2＝πh2d
22
/4＝45295mm3；工作段容积v＝v
1-v2＝206032mm3。
28.步骤五、计算二氧化碳三相点容器内充入的二氧化碳质量。取三相点温度下的固态二氧化碳密度为ρ＝1530kg/m3,则工作段充满三相点温度下的固态二氧化碳的质量为m＝ρ v＝0.3152kg。
29.步骤六、确定二氧化碳三相点容器内介质的密度上限ρ0。根据span1996的状态方程，可知存储上限温度为320k时，设计压力为12mpa时，二氧化碳密度上限为632kg/m3，330k 和12mpa对应的二氧化碳密度上限为476kg/m3。所以，容器的设计密度要小于设计温度和压力下的密度上限。推荐密度取ρ0＝550kg/m330.步骤七、计算二氧化碳三相点容器体积下限v’cell
。根据设计密度和充入质量可得 v’cellvcell
＝m/ρ0＝573090mm3。设计的容器体积需要大于此值。
31.步骤八、确定二氧化碳三相点容器缓冲段(非工作段)的尺寸。首先，设计并计算缓冲段圆柱体的体积，缓冲段以80mm直径(d3)，50mm(h3)高圆柱计算，扣除温度计阱的体积后，容积为v3＝πh3d
32
/4-πh3d
22
/4＝251327-12723＝238604mm3。其次，设计并计算过渡段的容积，假设过渡段高50mm(h4)，则分别以40mm和80mm为端面直径的圆锥台体积扣除温度计阱体积后为v4＝πh4(d
32
+d
3 d1+d
12
)/12-πh4d
22
/4＝146608-12723＝133885mm3。
32.步骤九、计算二氧化碳三相点容器的容积v
cell
。v
cell
＝ v+v3+v4＝206032+238604+133885＝578521mm3》v’cell
。因此设计可行。若v
cell
《v’cell
，可以修改缓冲段圆柱体的高度h3，以达到容积的设计要求。
33.步骤十、二氧化碳三相点容器计算三相点容器的壁厚。推荐根据国家标准《压力容器》 (gb150-2011)的要求，核算三相点容器的侧壁厚度和端面厚度。若采用12mpa的设计压力，且三相点容器采用316l不锈钢材料加工，则侧壁厚可取为5mm，端面厚度可取为15mm。
34.本实用新型的相变界面高度约为200mm，使温度计的浸没深度(图1中的h)大于 150mm，确保为长杆铂电阻温度计提供较长的均温区间，减少导热的影响，提高校准的精准性。若采用300mm高的圆柱形的设计，则相变界面高度仅为130mm。在相同轴向高度，相同介质密度条件下，本实用新型的固液界面高度比圆柱形设计高了70mm，提高了54％。
35.相同质量固相二氧化碳熔化为液相后使液面升高，液面升高使测温点处的压力升高，压力升高带来测温点处固液相变温度变化，直接影响校准水平，这种影响被称为静压力影响。本实用新型比常规圆柱形设计引入的静压力影响小，提高了三相点的温度计量性能。以216k时固态二氧化碳高(图1中h1)200mm计算，在216k全部变为液相时，本实用新型的液面高为230mm，仅升高30mm，带来的温升约为0.08mk；而采用常规的圆柱形设计，全液相高度为260mm，升高了60mm，带来的温升约为0.16mk。可见，本实用新型将液面升高的静压力影响大幅减小，提高了温坪的平坦程度，提高了三相点的不确定度水平。
36.本实用新型在容器内充入高纯度的二氧化碳气体，能实现高水平的固定点复现，三相点熔化温坪持续时间长、温坪复现性好。在二氧化碳气体纯度达到99.9999％时，恒温槽温度高于二氧化碳温坪15mk时复现，本实用新型的三相点温坪可以持续7天以上。采用f＝0.1 的内熔化技术，7天内温坪变化范围在0.6mk以内，熔化系数f＝0.3-0.7区间的温坪
温度变化范围小于0.2mk。五次复现的熔化系数为f＝0.5时的温度重复性可以达到0.05mk以内。
37.本实用新型所测得的相变温度与国际推荐值在不确定度范围内达到一致。
38.本实用新型创新性的采用径向提供相变空间的理念，相较于通常使用的汞三相点容器圆柱形腔体的轴向提供相变空间的设计理念，解决了轴向空间短的限制难题；所述变内径二氧化碳三相点容器，能够同时满足校准长杆标准铂电阻温度计浸没深度要求、容器轴向尺度限制和常温下的压力安全性技术要求。
39.可以理解的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。