液氮存储罐液相区温度特性研究

谢敬田

(烟台市计量所，山东 烟台 264003)

低温存储技术在生物工程、医疗卫生、航空航天、机械制造等领域都有着重要的应用，在低温状态下物质的物理及化学性质都会产生变化，会显现出一些常温下隐藏的性质。在液氮中存储活细胞技术已经成为生物制药和医疗卫生领域的重要技术手段[1]。据研究骨髓细胞可以在液氮中存储二十年以上仍能保持活性良好[2]。将两株同样的细胞低温存储1到2年后,存储以干冰温度(194.65 K)的细胞成活率仅为2%～3%,而存储于液氮温度(76.59 K)的细胞成活率则为80%～90%[3]。

液氮的性质稳定，无毒、无味、不可燃，液氮的沸点低(标准大气压下76.59 K)一般温度测量仪器无法测出这么低的温度，即使能测出数据也很难保证数据的准确性。另外，于液氮存储罐是密封的，温度传感器难以布设于存储罐内部，也增加了测温难度。云南大学物理科学与技术学院和昆明学院物理科学与技术系，对装有少量液氮的液氮罐内气态氮的温度分布进行了研究，不同的高度和不同的半径都会对罐内氮气的温度具有影响，距离液氮罐的罐壁越近温度越低，距离液面越近温度越低，越接近76.59 K[4]。而对于液氮罐内液面以下区域的温度分布情况及测量结果的不确定度分析国内并没有相关文章。本文对所设计的液氮罐内液相区温场进行了数值模拟，根据文献[5]对该液氮罐的温度均匀性和温度波动性进行了测试，根据文献[6]对测量结果进行不确定度分析。

1 液氮罐内温场的数值模拟

为了了解液氮罐内温度的分布情况，首先对液氮罐进行数值模拟。应用ANSYS软件建立液氮罐的模型，由于罐体是双层真空结构，由罐体产生的热传导可以忽略，即假设罐壁绝热，对模型进行简化[7]，只有顶部开口部位与外界发生热交换，温度分布模拟结果如图1。

图1 温度分布模拟

从温度分布模拟结果可以看出，液相区最大温差0.2 K，液氮罐开口部分的温度均匀性较差，可以将该区域定义为非工作区，而工作区内，液氮的最高温度76.70 K，最低温度76.60 K温差为0.1 K。由于换热都是通过顶部开口与空气接触产生的，液氮罐顶部的温度比较高，越往深处温度越低温度分布越均匀，所以可以通过减少液氮存储罐顶部开口面积来减少换热，改善液氮罐内温度均匀性。

2 液氮罐的设计

为了方便测量液氮罐内温度，设计了一个带有测试孔的测温装置，如图2左半部分所示。为了减少与外界换热对温场影响，液氮罐采用双层不锈钢真空、缩口设计，内壁光滑，槽体内壁直径30 cm高60 cm。试验时，将测温装置安装到液氮罐内，测温装置可以按照设计好的位置固定到液氮罐内部，方便采集液氮罐内某一固定位置的温度。

图2 带有测试孔的液氮罐

3 液氮罐内的温度测量

为了提高测量的准确度，本文采用高精度测温电桥和标准铂电阻温度计(Standard Platinum Resistance Thermometer, SPRT)组成测温系统，如图3，实验所用的主要设备及参数如表1。

表1 实验设备及设备参数

图3 测温系统实物图

将标准铂电阻温度计与测温电桥连接好，将该标准铂电阻温度计的检定信息输入到高精密测温电桥中，减小测温误差。将液氮由注液孔注入液氮罐中，由于槽体温度比液氮沸点高很多，液氮从槽体吸收大量的热而产生剧烈沸腾，等槽体温度降低之后槽内的液氮就会恢复平静，再将标准铂电阻温度计缓慢插入测温孔中，通过测温电桥采集连续的温度数据。

3.1 中心点温度的动态测量

将标准铂电阻温度计从中间测试孔插入20 cm，图4中0点，稳定30 min后开始读数。每隔1 min采集一次温度数据，连续采集240次中心点的温度数据，得到中心点0的温度随时间变化曲线如图5。

从图5看出液氮罐中心点0的温度波动较小，240 min内温度波动范围(76.638～76.660)K，由此判断该区域的热交换量少，状态稳定。

图4 测温点位置

图5 中心点温度随时间变化测量结果

3.2 工作区的温度分布测量

温度分布测量的温度点选择在工作区域上水平面(距离灌口20 cm)、下水平面(距离灌口40 cm)均匀分布的典型位置上，如图4中的0……9位置。

将标准铂电阻温度计插入工作区域温度点1位置，稳定30 min后开始读数，每个测温点读数4次，每次读数间隔30 s，依次得到示值t11、t12、t13、t14，4次读数的平均值作为1点的温度。1点温度平均值

(1)

表2 温度分布测量数据

从温度分布测量结果可以看出，液氮罐工作区上层温度比下层温度略高，最大温差0.030 K，工作区内温度分布均匀性较好，上层中心点是离顶部开口最接近的测温点，与外界换热量最多，所以其温度的测量结果明显高于其他点的温度。

4 测量不确定度分析

4.1 测量不确定度分析

4.1.1 不确定度来源

对测量不确定度具有影响的分量主要包括测量重复性引入的不确定度，环境因素引入的不确定度，电测仪表的短期稳定性引入的不确定度，电测仪表的分辨率引入的不确定度，标准铂电阻温度计的短期稳定性引入的不确定度。

4.1.2 测量重复性引入的不确定度u1

测量重复性引入的标准不确定度，用A类方法进行评定。将标准热电阻温度计放入液氮罐O点，待温度测量结果稳定后，读取10次测量的温度值，分别为76.632、76.630、76.631、76.629、76.630、76.629、76.631、76.632、76.631、76.630，计算得到试验标准差为s=0.001 1 K，则u1=s=1.1 mK。

4.1.3 环境影响引入的标准不确定度u2

4.1.4 电测仪表短期稳定性引入的标准不确定度u3

用MICROK-70高精密测温电桥测量二等标准铂电阻温度计，测温电桥的准确度为0.07×10-6，标准铂电阻温度计在76.59 K时电阻比为W-196=0.188，由电阻类电桥的准确度A引起的误差限为

(2)

式(2)中，Wt为标准铂电阻温度计在t℃时的电阻比，A为测温电桥的准确度，0.07×10-6K。

用该电桥测76.59 K时的误差限为

=0.08×10-6K。

对此误差限做出均匀分布估计，仪表短期稳定性引入的标准不确定度为

所以由电桥贡献的不确定度分量非常微小，u3可以忽略不计。

4.1.5 电测仪表分辨力引入的标准不确定度u4

仪器的分辨力会对测量结果的重复性测量有影响，当重复性引入的不确定度分量大于被测仪器分辨力所引入的不确定度分量时，可以不考虑分辨力所引入的不确定度分量[8]，所以，u4可以忽略，不计入合成不确定度。

4.1.6 标准铂电阻温度计短期稳定性引入的标准不确定度u5

4.1.7 标准铂电阻温度计自热引入的标准不确定度u6

标准铂电阻温度计测量液氮温度时，通过SPRT的电流为1 mA，不做零电流外推。按照正态分布，置信概率99.7%，k=2.58，u6=0.55 mK[8]。

4.2 合成标准不确定度uc

(3)

4.3 扩展不确定度U

取k=2，则

U=kuc≈0.005 K。

(4)

5 结 论

通过数值模拟和试验结果相比较可以看出，二者结果相符，该液氮罐非工作区的温度均匀性较差，随着时间的推移液氮储存罐内的液氮液面下降，该区域的温场特性会更差，温度会更高，不利于样品的长期保存，所以应尽量避免将样品放置于该区域；工作区温场特性较好，均匀性0.030 K波动性0.022 K，作为低温存储设备具有很好的温度特性，可以长期提供样品所需的低温环境；从不确定度分析结果可以看出，本文所用的高精密测温电桥与二等标准铂电阻温度计组成的测温系统准确度非常高，测量结果的扩展不确定度仅为0.005 K，在低温测量技术领域可以发挥重要作用。