CN110887584B - 一种微型水三相点瓶及制作方法 - Google Patents

一种微型水三相点瓶及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型水三相点瓶,其包括校准腔、三相点腔和隔离腔,三相点腔内充灌高纯水后真空密封,校准腔由三相点腔围绕而成,校准腔顶部与外界相通,用于放置待校准的温度测量器件,隔离腔置于三相点腔外侧,所述微型水三相点瓶在厘米至微米量级。其可采用3D打印或者铸造技术制备,缩小了水三相点瓶的体积,进而大大缩短了传统水三相点瓶在预冷、冻制冰套过程的时间;增设隔离层,减小外部环境与三相点腔之间的热交换,弥补缩小体积对温坪持续时间的影响,延长温坪持续时间:体积小,坚固耐用,便于携带,可实现原位实时校准。

Description

一种微型水三相点瓶及制作方法
技术领域:
本发明涉及一种微型水三相点瓶及制作方法。可以在微型腔体内呈现水的三相点温坪,并通过腔体壁将三相点温度传递到腔体中心,为各类小型化和微型化温度传感器提供校准。
背景技术:
温度是一个重要而特殊的基本物理量,温度计量学是计量学领域中的一个重要分支。科学研究和工农业生产中的每一个环节,均离不开对温度的可靠而准确的测量。长期以来,对于温度而言,我们所作的测量,只是确定温度在温标上的位置。所以温标在温度测量中占有极其重要的地位。温标是温度准确、可靠测量的基础。一个国家,温标的建立与实施从一个侧面反映了这个国家的计量科技水平。
水的三相点温度不仅是热力学温度的唯一基准点,也是ITS-90国际温标定义的最重要的固定点。它在热力学温度测量、国际温标复现以及实际温度测量中,都具有十分重要的意义。因此,水三相点正确复现、准确测量是ITS-90国际温标实施的关键。
水三相点瓶是各级温度计量检定机构检定基准、标准、工业铂电阻温度计以及标准水银温度计零位的固定点位置。传统的水三相点瓶是将一直径较大的玻璃管和一个直径较小的玻璃管套接在一起,形成内管和外管相套接的结构,外管注入高纯水,抽真空密封。抽真空后将外管底部密封,内管和大气相通,被检温度计插入该管中,该内管成为温度计阱。使用时,为了在外管中复现水的固、液、气体三相平衡,常用的方法是,先将液氮或低温酒精通入内管中,在内管周围形成厚度1-2cm,表面光滑、质地均匀的冰套,然后将内管冲洗干净,将待测温度计插入内管中进行校准。然而现有的玻璃材质的水三相点瓶易碎,体积较大,预冷和冻制冰套需要耗费大量时间(见专利CN10314896A、CN104251750A、CN106197760B),不便携带,对温度计或温度传感器进行校准时,一般都将其拿到实验室进行校准。传统的水三相点瓶不适用于对温度计或温度传感器的现场原位实时校准,特别是在深海、太空、偏远及恶劣环境下的原位温度监测。
3D打印(3DP)是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。用户先通过计算机软件建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,即切片,从而指导打印机逐层打印。如今,3D打印技术已经非常成熟,能够打印的最小尺寸达到了微米量级,精度也在微米量级。3D打印技术已广泛应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域。3D打印技术往往能够使设计在较短的时间内得到实物并验证,大大减少了制作时间及成本。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术方法在物联网应用中存在的无法现场原位实时校准的缺点,利用3D打印技术或铸造技术制作一种小型甚至微型的水三相点瓶,从而实现对温度传感器的原位实时校准。极大减小了水三相点瓶的体积,使温坪持续时间长且更加稳定。此结构对物理、生物与化学传感、海洋探测、航天等领域的发展有重要意义。
为了实现上述目的,本发明涉及的微型水三相点瓶,包括校准腔、三相点腔和隔离腔,三相点腔内充灌高纯水后真空密封,校准腔由三相点腔围绕而成,其顶部与外界相通,用于放置待校准的温度测量器件,隔离腔置于三相点腔外侧,所述微型水三相点瓶在厘米至微米量级。
本发明涉及的隔离腔内填充低导热系数的介质,或抽真空后密封,或直接密封,或填充多孔结构,或填充支撑结构,或直接做成实心结构。
本发明涉及的三相点腔和隔离腔由壳体围绕而成,所述壳体材料具体为导热系数在0.1W/mK-450W/mK范围的材料,包括但不限于金属、陶瓷、高分子材料、石英、砂、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料中的一种。
所述高分子材料包括但不限于塑料、聚四氟乙烯、橡胶。
所述金属包括但不限于铝、钛合金、不锈钢。
在隔离腔外侧镀低导热系数的材料层,如聚四氟乙烯等,在校准腔内侧镀低导热系数的材料,包括但不限于聚四氟乙烯等。
本发明涉及的微型水三相点瓶的制作方法,包括以下步骤:
(1)首先利用3D建模软件进行建模;
(2)按照模型打印三相点腔和隔离腔;
(3)在三相点腔顶部预留通孔,通过微型管路将三相点腔上的通孔与高纯水注射系统连通,向三相点腔中冲灌高纯水,然后通过微型管路将三相点腔上的通孔与抽真空系统连通,抽真空,保证三相点腔内压强为4.58mmH,高纯水在温度为0.01℃,压强为4.58mmHg时三相共存,此时冰水混合的温度可于一段时间内保持在0.01℃,形成温坪;
(4)在隔离腔顶部预留通孔,通过微型管路将隔离腔上的通孔与水注射系统连通,向隔离腔中冲灌低导热系数介质;或通过微型管路将隔离腔上的通孔与抽真空系统连通,抽真空再密封;或向隔离腔内填充多孔结构物质。
本发明涉及的微型水三相点瓶的制作方法,包括以下步骤:
(1)采用铸造方法制备含有校准腔、三相点腔和隔离腔的铸件;
(2)将高纯水灌注在三相点腔中后,抽真空并将三相点腔顶部密封;
(3)在隔离腔中填充低导热系数的介质,或抽真空后密封,或直接密封,或填充多孔结构,或填充支撑结构。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:(1)采用3D打印技术制备,容易操作,成品率高;(2)缩小了水三相点瓶的体积,进而大大缩短了传统水三相点瓶在预冷、冻制冰套过程的时间;(3)增设隔离层,减小外部环境与三相点腔之间的热交换,弥补缩小体积对温坪持续时间的影响,延长温坪持续时间:(4)体积小,坚固耐用,便于携带,可实现原位实时校准,避免了传感器需要被定期送回到实验室进行校准的繁复过程,特别是在深海、太空、偏远及恶劣环境下的原位监测。
附图说明:
图1为本发明涉及的微型水三相点瓶的主体结构剖面图。
图2为本发明涉及的微型水三相点瓶的制作方法流程图。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本实施例涉及的微型水三相点瓶,包括校准腔5、三相点腔2和隔离腔3,三相点腔2内充灌高纯水后真空密封,校准腔5由三相点腔2围绕而成,其顶部与外界相通,用于放置待校准的温度测量器件,隔离腔3置于三相点腔外侧,减小三相点腔2与外界的热交换,延长三相点温坪持续的时间,温坪时间小于1000分钟,所述微型水三相点瓶在厘米至微米量级,如三相点瓶高4cm、直径2.5cm,或者高800um、直径500um。
本实施例涉及的隔离腔3内填充低导热系数的介质,或抽真空后密封,或直接密封,或填充多孔结构,或填充支撑结构,或直接做成实心结构。
本实施例涉及的微型水三相点瓶整体外观可为任意形状结构,如圆形,三角形、正方形或不规则图形,具体根据实际需要设计。作为一种优选方式,三相点腔2和隔离腔3由壳体4围绕而成,所述壳体4材料具体为导热系数在0.1W/mK-450W/mK范围的材料,包括但不限于金属、陶瓷、高分子材料、石英、砂、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料中的一种,所述高分子材料如塑料、聚四氟乙烯、橡胶等,所述金属如铝材料、钛合金、不锈钢,在隔离腔3外侧镀低导热系数的材料层,如聚四氟乙烯等,在校准腔5内侧镀低导热系数的材料,包括但不限于聚四氟乙烯等。
微型水三相点瓶进行冻制有多种方法,如TEC制冷、冰箱制冷等。TEC制冷时需要将微型水三相点瓶放入套管中,然后利用TEC进行制冷。冰箱冻制时,需要把微型水三相点瓶放入冰箱内,制冷时间大约从数分钟至数十分钟。冻制完毕后将微型水三相点瓶置于室温,将温度传感器置于瓶中部凹槽中的酒精内,进行温度校准。
如图2所示,本实施例涉及的微型水三相点瓶的制作方法,包括以下步骤:
(2)首先利用3D建模软件进行建模;
(2)按照模型打印三相点腔2和隔离腔3;
(3)在三相点腔2顶部预留通孔1,通过微型管路将三相点腔2上的通孔与高纯水注射系统连通,向三相点腔中冲灌高纯水,然后通过微型管路将三相点腔上的通孔1与抽真空系统连通,抽真空,保证三相点腔2内压强为4.58mmH,高纯水在温度为0.01℃,压强为4.58mmHg时三相(气相,液相,固相)共存,此时冰水混合的温度可于一段时间内保持在0.01℃,形成温坪;
(4)在隔离腔3顶部预留通孔1,通过微型管路将隔离腔3上的通孔1与水注射系统连通,向隔离腔3中冲灌低导热系数介质;或通过微型管路将隔离腔3上的通孔与抽真空系统连通,抽真空再密封;或向隔离腔3内填充多孔结构物质。
本实施例涉及的又一种微型水三相点瓶的制作方法,包括以下步骤:
(1)采用铸造方法制备含有校准腔5、三相点腔2和隔离腔3的铸件;
(2)将高纯水灌注在三相点腔2中后,抽真空并将三相点腔2顶部密封;
(3)在隔离腔3中填充低导热系数的介质,或抽真空后密封,或直接密封,或填充多孔结构,或填充支撑结构。
所述微型水三相点瓶也可采用其他制作方法制备,只要其结构为本发明的结构均在本发明的保护范围内。
此外本领域技术人员可以理解的是,本发明并不局限于上述实施例,根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改,包括材料上、尺寸上、形状上、内部构造上,这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (2)

1.一种微型水三相点瓶,其特征在于,包括校准腔、三相点腔和隔离腔,三相点腔内充灌高纯水后真空密封,校准腔由三相点腔围绕而成,校准腔顶部与外界相通,用于放置待校准的温度测量器件,隔离腔置于三相点腔外侧,所述微型水三相点瓶在厘米至微米量级,所述隔离腔抽真空后密封;三相点腔和隔离腔由壳体围绕而成,所述壳体材料为导热系数在0.1W/mK-450W/mK范围的材料;
壳体材料为金属、陶瓷、高分子材料、石英、砂、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料中的一种;
所述高分子材料为塑料、聚四氟乙烯或橡胶;
所述金属为铝、钛合金或不锈钢;
在隔离腔外侧镀低导热系数的材料层,在校准腔内侧镀低导热系数的材料;
所述微型水三相点瓶的制作方法,包括以下步骤:
(1)首先利用3D建模软件进行建模;
(2)按照模型打印三相点腔和隔离腔;
(3)在三相点腔顶部预留通孔,通过微型管路将三相点腔上的通孔与高纯水注射系统连通,向三相点腔中冲灌高纯水,然后通过微型管路将三相点腔上的通孔与抽真空系统连通,抽真空,保证三相点腔内压强为4.58mmH,高纯水在温度为0.01℃,压强为4.58mmHg时三相共存,此时冰水混合的温度可于一段时间内保持在0.01℃,形成温坪;
(4)在隔离腔顶部预留通孔,通过微型管路将隔离腔上的通孔与水注射系统连通,向隔离腔中冲灌低导热系数介质;或通过微型管路将隔离腔上的通孔与抽真空系统连通,抽真空再密封;或向隔离腔内填充多孔结构物质。
2.根据权利要求1所述的微型水三相点瓶,其特征在于,在隔离腔和校准腔外侧镀低导热系数的材料。
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