謝敬田

(煙臺(tái)市計(jì)量所，山東 煙臺(tái) 264003)

低溫存儲(chǔ)技術(shù)在生物工程、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，在低溫狀態(tài)下物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生變化，會(huì)顯現(xiàn)出一些常溫下隱藏的性質(zhì)。在液氮中存儲(chǔ)活細(xì)胞技術(shù)已經(jīng)成為生物制藥和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[1]。據(jù)研究骨髓細(xì)胞可以在液氮中存儲(chǔ)二十年以上仍能保持活性良好[2]。將兩株同樣的細(xì)胞低溫存儲(chǔ)1到2年后,存儲(chǔ)以干冰溫度(194.65 K)的細(xì)胞成活率僅為2%～3%,而存儲(chǔ)于液氮溫度(76.59 K)的細(xì)胞成活率則為80%～90%[3]。

液氮的性質(zhì)穩(wěn)定，無毒、無味、不可燃，液氮的沸點(diǎn)低(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下76.59 K)一般溫度測量儀器無法測出這么低的溫度，即使能測出數(shù)據(jù)也很難保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。另外，于液氮存儲(chǔ)罐是密封的，溫度傳感器難以布設(shè)于存儲(chǔ)罐內(nèi)部，也增加了測溫難度。云南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和昆明學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系，對裝有少量液氮的液氮罐內(nèi)氣態(tài)氮的溫度分布進(jìn)行了研究，不同的高度和不同的半徑都會(huì)對罐內(nèi)氮?dú)獾臏囟染哂杏绊懀嚯x液氮罐的罐壁越近溫度越低，距離液面越近溫度越低，越接近76.59 K[4]。而對于液氮罐內(nèi)液面以下區(qū)域的溫度分布情況及測量結(jié)果的不確定度分析國內(nèi)并沒有相關(guān)文章。本文對所設(shè)計(jì)的液氮罐內(nèi)液相區(qū)溫場進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)文獻(xiàn)[5]對該液氮罐的溫度均勻性和溫度波動(dòng)性進(jìn)行了測試，根據(jù)文獻(xiàn)[6]對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。

1 液氮罐內(nèi)溫場的數(shù)值模擬

為了了解液氮罐內(nèi)溫度的分布情況，首先對液氮罐進(jìn)行數(shù)值模擬。應(yīng)用ANSYS軟件建立液氮罐的模型，由于罐體是雙層真空結(jié)構(gòu)，由罐體產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)可以忽略，即假設(shè)罐壁絕熱，對模型進(jìn)行簡化[7]，只有頂部開口部位與外界發(fā)生熱交換，溫度分布模擬結(jié)果如圖1。

圖1 溫度分布模擬

從溫度分布模擬結(jié)果可以看出，液相區(qū)最大溫差0.2 K，液氮罐開口部分的溫度均勻性較差，可以將該區(qū)域定義為非工作區(qū)，而工作區(qū)內(nèi)，液氮的最高溫度76.70 K，最低溫度76.60 K溫差為0.1 K。由于換熱都是通過頂部開口與空氣接觸產(chǎn)生的，液氮罐頂部的溫度比較高，越往深處溫度越低溫度分布越均勻，所以可以通過減少液氮存儲(chǔ)罐頂部開口面積來減少換熱，改善液氮罐內(nèi)溫度均勻性。

2 液氮罐的設(shè)計(jì)

為了方便測量液氮罐內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有測試孔的測溫裝置，如圖2左半部分所示。為了減少與外界換熱對溫場影響，液氮罐采用雙層不銹鋼真空、縮口設(shè)計(jì)，內(nèi)壁光滑，槽體內(nèi)壁直徑30 cm高60 cm。試驗(yàn)時(shí)，將測溫裝置安裝到液氮罐內(nèi)，測溫裝置可以按照設(shè)計(jì)好的位置固定到液氮罐內(nèi)部，方便采集液氮罐內(nèi)某一固定位置的溫度。

圖2 帶有測試孔的液氮罐

3 液氮罐內(nèi)的溫度測量

為了提高測量的準(zhǔn)確度，本文采用高精度測溫電橋和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)(Standard Platinum Resistance Thermometer, SPRT)組成測溫系統(tǒng)，如圖3，實(shí)驗(yàn)所用的主要設(shè)備及參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及設(shè)備參數(shù)

圖3 測溫系統(tǒng)實(shí)物圖

將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與測溫電橋連接好，將該標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的檢定信息輸入到高精密測溫電橋中，減小測溫誤差。將液氮由注液孔注入液氮罐中，由于槽體溫度比液氮沸點(diǎn)高很多，液氮從槽體吸收大量的熱而產(chǎn)生劇烈沸騰，等槽體溫度降低之后槽內(nèi)的液氮就會(huì)恢復(fù)平靜，再將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)緩慢插入測溫孔中，通過測溫電橋采集連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)。

3.1 中心點(diǎn)溫度的動(dòng)態(tài)測量

將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)從中間測試孔插入20 cm，圖4中0點(diǎn)，穩(wěn)定30 min后開始讀數(shù)。每隔1 min采集一次溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)采集240次中心點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，得到中心點(diǎn)0的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖5。

從圖5看出液氮罐中心點(diǎn)0的溫度波動(dòng)較小，240 min內(nèi)溫度波動(dòng)范圍(76.638～76.660)K，由此判斷該區(qū)域的熱交換量少，狀態(tài)穩(wěn)定。

圖4 測溫點(diǎn)位置

圖5 中心點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化測量結(jié)果

3.2 工作區(qū)的溫度分布測量

溫度分布測量的溫度點(diǎn)選擇在工作區(qū)域上水平面(距離灌口20 cm)、下水平面(距離灌口40 cm)均勻分布的典型位置上，如圖4中的0……9位置。

將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)插入工作區(qū)域溫度點(diǎn)1位置，穩(wěn)定30 min后開始讀數(shù)，每個(gè)測溫點(diǎn)讀數(shù)4次，每次讀數(shù)間隔30 s，依次得到示值t11、t12、t13、t14，4次讀數(shù)的平均值作為1點(diǎn)的溫度。1點(diǎn)溫度平均值

(1)

表2 溫度分布測量數(shù)據(jù)

從溫度分布測量結(jié)果可以看出，液氮罐工作區(qū)上層溫度比下層溫度略高，最大溫差0.030 K，工作區(qū)內(nèi)溫度分布均勻性較好，上層中心點(diǎn)是離頂部開口最接近的測溫點(diǎn)，與外界換熱量最多，所以其溫度的測量結(jié)果明顯高于其他點(diǎn)的溫度。

4 測量不確定度分析

4.1 測量不確定度分析

4.1.1 不確定度來源

對測量不確定度具有影響的分量主要包括測量重復(fù)性引入的不確定度，環(huán)境因素引入的不確定度，電測儀表的短期穩(wěn)定性引入的不確定度，電測儀表的分辨率引入的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的短期穩(wěn)定性引入的不確定度。

4.1.2 測量重復(fù)性引入的不確定度u1

測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用A類方法進(jìn)行評定。將標(biāo)準(zhǔn)熱電阻溫度計(jì)放入液氮罐O點(diǎn)，待溫度測量結(jié)果穩(wěn)定后，讀取10次測量的溫度值，分別為76.632、76.630、76.631、76.629、76.630、76.629、76.631、76.632、76.631、76.630，計(jì)算得到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為s=0.001 1 K，則u1=s=1.1 mK。

4.1.3 環(huán)境影響引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

4.1.4 電測儀表短期穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

用MICROK-70高精密測溫電橋測量二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，測溫電橋的準(zhǔn)確度為0.07×10-6，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在76.59 K時(shí)電阻比為W-196=0.188，由電阻類電橋的準(zhǔn)確度A引起的誤差限為

(2)

式(2)中，Wt為標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)在t℃時(shí)的電阻比，A為測溫電橋的準(zhǔn)確度，0.07×10-6K。

用該電橋測76.59 K時(shí)的誤差限為

=0.08×10-6K。

對此誤差限做出均勻分布估計(jì)，儀表短期穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

所以由電橋貢獻(xiàn)的不確定度分量非常微小，u3可以忽略不計(jì)。

4.1.5 電測儀表分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

儀器的分辨力會(huì)對測量結(jié)果的重復(fù)性測量有影響，當(dāng)重復(fù)性引入的不確定度分量大于被測儀器分辨力所引入的不確定度分量時(shí)，可以不考慮分辨力所引入的不確定度分量[8]，所以，u4可以忽略，不計(jì)入合成不確定度。

4.1.6 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)短期穩(wěn)定性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u5

4.1.7 標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)自熱引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u6

標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測量液氮溫度時(shí)，通過SPRT的電流為1 mA，不做零電流外推。按照正態(tài)分布，置信概率99.7%，k=2.58，u6=0.55 mK[8]。

4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

(3)

4.3 擴(kuò)展不確定度U

取k=2，則

U=kuc≈0.005 K。

(4)

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果相比較可以看出，二者結(jié)果相符，該液氮罐非工作區(qū)的溫度均勻性較差，隨著時(shí)間的推移液氮儲(chǔ)存罐內(nèi)的液氮液面下降，該區(qū)域的溫場特性會(huì)更差，溫度會(huì)更高，不利于樣品的長期保存，所以應(yīng)盡量避免將樣品放置于該區(qū)域；工作區(qū)溫場特性較好，均勻性0.030 K波動(dòng)性0.022 K，作為低溫存儲(chǔ)設(shè)備具有很好的溫度特性，可以長期提供樣品所需的低溫環(huán)境；從不確定度分析結(jié)果可以看出，本文所用的高精密測溫電橋與二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)組成的測溫系統(tǒng)準(zhǔn)確度非常高，測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度僅為0.005 K，在低溫測量技術(shù)領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。