手持式冰点测定仪（折射率法）校准方法

/ 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

机动车发动机冷却液是以防冻剂、缓蚀剂等原料复配而成，用于机动车发动机冷却系统中，具有冷却、防腐、防冻等作用的功能性液体[1]。发动机冷却液主要分为以乙二醇为防冻剂的机动车发动机冷却液和以丙二醇作为防冻剂的机动车发动机冷却液。发动机冷却液是发动机冷却系统使用的循环传热介质，是使发动机正常工作、运转必不可少的组成部分。检测冷却液冰点时可采用凝固点测定仪或干冰法，每测一次需要的时间较长。手持式冰点测定仪（折射率法）是一种快速、简便检测冷却液冰点的仪器，其根据溶液浓度（与冰点对应）与折射率的对应关系而设计的便携式检测仪器，可快速测试乙二醇与丙二醇型冷却液的结晶冰点。该测定仪为配制检测冷却液、电池液提供了极大方便，适用于各种运输载体的引擎及内燃机的冷却系统[2,3]。

冷却液的冰点是冷却液性能的重要指标，因此对检测冷却液冰点的仪器设备进行计量校准就显得尤为重要。对于防冻液来说，失去流动性表明环境温度过低，超出其适用温度范围，性能已失效，除了达不到预期想要的效果外，还会给发动机带来损伤，因此准确测量冷却液的冰点非常重要。目前国内外标准里对冷却液的冰点均有要求，因此发动机冷却液冰点测定仪的应用广泛。目前我国针对冷却液产品的行业标准有NB/SH/T 0521-2010《乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液》、JT 225-1996《汽车发动机冷却液使用技术条件》、GB 29743-2013《机动车发动机冷却液》等，ASTM关于冷却液的产品标准有ASTM D3306、ASTM D6210等，但是目前国内暂无专门针对冷却液冰点测定仪（折射率法）的计量检定规程或校准规范以及相配套的标准溶液配置方法。

针对折射率法冰点测定仪的原理，我国的计量检定规程有JJG 820-1993《手持糖量（含量）计及手持式折射仪》检定规程，此规程主要是针对手持式糖量计的计量检定/校准方法以及糖量标准溶液的配置定值方法。在规程的概述部分有对冰点测定仪的简要介绍，但是规程的核心内容中没有描述对冰点测定仪的具体检定/校准方法、技术指标及相应标准溶液的配置方法。这就导致了在实际计量工作中根本无法参照此标准对冰点测定仪进行检定或校准，冰点测定仪使用者也无法根据此规程对自己使用的设备进行期间核查或使用中检验。目前市面上手持式冷却液冰点测定仪的示值主要包括三个：丙二醇型冷却液冰点读数分度、乙二醇型冷却液冰点读数分度、电池液比重读数分度。JJG 820-1993中没有对冰点相关计量参数和检定/校准方法、冰点和溶液浓度、折射率关系等的描述，此规程在实际冰点测定仪的校准中参考意义不大。因此研究专门针对冷却液冰点测定仪（折射率法）的校准方法，不仅能解决计量工作中遇到送检此类仪器无相应校准方法而不能计量的问题，也能为使用冷却液冰点测定仪的企业日常校准或期间核查提供参考。

1 手持式冰点测定仪（折射率法）原理和结构介绍

冰点[3]是在没有过冷的情况下，冷却液开始结晶的温度；或在过冷的情况下，冷却液最初形成结晶后迅速回升所达到的最高温度。冰点测定仪（折射率法）是测量防冻液冰点的精密光学仪器。其基本原理是全反射临界角法测量溶液的折射率，通过折射率与冰点的对应关系来测量防冻液的冰点。冰点测定仪（折射率法）由盖板、折射棱镜、物镜、分划板、目镜等部分组成。折射棱镜的折射率为N0，盖板与折射棱镜的间隙放待测溶液，其折射率为Nk，光线经盖板以漫反射光透过溶液进入折射棱镜中，由于N0＞Nk，各方向入射光经过折射后的光线其最大的折射角即为临界角I0，在小于I0的范围内有折射光存在，大于I0的区域无折射光存在，因而形成明亮区和暗区，其分标线的位置由I0的大小决定。N0是常数，Nk和sinI0成正比。当溶液的浓度大时，视场的明暗分界线就高。不同浓度的溶液折射率不同，就有不同的明暗分界线。折射棱镜起着把不同折射率溶液的明暗分界线折射到望远镜的作用[4]。

2 校准项目和校准方法

2.1 校准用溶液的准备

2.1.1 所用试剂：乙二醇，纯度大于99%；1,2-丙二醇，纯度大于99%；纯水。

2.1.2 配制溶液需要的设备：电子天平、移液器、容量瓶、移液管等。

2.1.3 配制方法：根据校准需要，按表1[5,6]的含量配制相应的质量浓度乙二醇-水溶液，丙二醇水溶液。

表1 标准物质参考配制方法

2.2 校准前准备

调节目镜视度环，直至标线清晰为止。测定前应将标准溶液、纯水、仪器放置于统一环境下稳定。平衡后，打开仪器的盖板，取2～3滴纯水滴于折射棱镜上，并用手轻轻按压盖板，通过目前看到一条视场分界线。若分界线偏离零点，应旋转校准螺栓使目镜视场中分界线与零点重合。

2.3 冰点示值误差

根据仪器的类型和仪器测量范围，分别选择测量范围内高、中、低三种标准溶液(也可根据用户使用需求选择合适的校准点进行冰点示值误差项目的校准），每种溶液测量三次，各测量值为Ti，取三次平均值为测量值，按式（1）计算。测量值与标准值Ts之差为示值误差[7]，按式（2）计算。

式中：Ti—— 溶液单次测量值；

ΔT—— 示值误差

2.4 示值重复性

选择测量范围中间位置的标准溶液，同样的条件下测量三次。三次测量值中最大值与最小值之差为示值重复性，重复性按式（3）计算。

式中：r—— 重复性；

Tmax—— 三次测量最大值；

Tmin—— 三次测量最小值

3 注意事项

1）测试之前应将盖板和棱镜表面擦拭干净。测试完毕后，应将盖板和棱镜表面的溶液擦干，再用纯水将表面清洗后擦干。

2）不要将液体和水渗入调节旋钮和目镜内，以免损坏内部器件。

4 结语

本文结合手持式折射率仪原理、手持式折射率计量技术规范、冷却液产品标准等切入介绍了折射率法手持式冰点测定仪的校准方法、校准项目以及校准用标准溶液的配制方法，解决该类仪器计量校准中遇到的相关难题，也能为使用冷却液冰点测定仪的企业日常校准或期间核查提供参考。