Măsurarea scăzută a temperaturii

Măsurarea scăzută a temperaturii în sistemele criogene include în principal măsurarea temperaturii, măsurarea vidului, măsurarea nivelului lichidului și măsurarea debitului.

Standardul internațional unificat pentru măsurarea temperaturii este scala internațională de temperatură (ITS). Țara mea a adoptat această scară de temperatură ca scară națională de măsurare a temperaturii statutare timp de mai mulți ani. Scala de temperatură utilizată în prezent este scala de temperatură internațională din 1990 (-1990).

Măsurarea temperaturii trebuie să selecteze instrumentul de măsurare în funcție de intervalul temperaturii măsurate, în principal termometrul. Iată mai multe termometre utilizate frecvent.

1. Termometru de rezistență la metal

Rezistivitatea unui conductor sau semiconductor se schimbă cu temperatura, care este baza unui termometru de rezistență simplă și fiabilă. Sub 961.78 grade, scala internațională de temperatură folosește un termometru de rezistență la platină. În plus față de platină, alte materiale precum cupru, nichel și indiu au fost utilizate ca materiale termometru de rezistență. Nichelul este predispus la deformare la temperatura camerei, astfel încât rezistivitatea se schimbă în timp, iar stabilitatea termometrului este slabă. Termometrele de rezistență în Indium au o sensibilitate mai mare decât rezistența la platină la temperaturi scăzute.

O parte importantă a instalării unui termometru de rezistență este eliminarea stresului termic și mecanic, deoarece stresul va produce o rezistență suplimentară. Termometrele blindate de rezistență la platină sunt adesea utilizate în producția industrială. Aceste termometre sunt de obicei încapsulate într -o coajă metalică cilindrică cu un diametru de aproximativ 4 mm și o lungime de aproximativ 10 ~ 12mm.

2. Termometru de rezistență la semiconductor

Deoarece conductivitatea semiconductorilor este legată de temperatură, acest material poate fi utilizat ca termometru de rezistență. În condiții de temperatură ridicată, rezistivitatea (inversul conductivității) este proporțională cu funcția exponențială a inversului temperaturii termodinamice, care caracterizează proprietățile conductive ale semiconductorilor. În condiții de temperatură scăzută, conducerea se datorează prezenței impurităților (eliberarea sau acceptarea electronilor).

Termometrul de rezistență la germaniu este un termometru de rezistență la semiconductor utilizat pe scară largă, în care arsenic, galiu sau antimoniu este dopat pentru a obține caracteristicile de rezistență dorite. Germanium este sigilat într -o cutie metalică și patru cabluri sunt conectate. Gama tipică de lucru a rezistențelor industriale de germaniu este cuprinsă între 1,5 și 100 K. Termometrele de rezistență la germaniu sunt de obicei calibrate la șapte puncte de temperatură.

Termometrele de rezistență la carbon au fost utilizate pe scară largă ca termometre pentru măsurarea temperaturii scăzute, datorită sensibilității ridicate, prețului scăzut, dimensiunilor mici și curbei de temperatură de rezistență relativ simplă a rezistenței la carbon.

3. Termometru termocuple

Termocuple pot fi utilizate pentru măsurarea temperaturii în intervalul normal de temperatură și în medii de temperatură scăzută. O joncțiune a termocuplei este plasată la temperatura care trebuie măsurată, iar cealaltă joncțiune este plasată în mediul de temperatură de referință. De exemplu: utilizarea unei băi de gheață ca punct de referință și măsurarea temperaturii scăzute cu un termocuple, dacă rezoluția de temperatură necesară este de aproximativ 0. 1k, atunci când potențialul termoelectric măsurat este de 5mV sau mai mare, instrumentul de măsurare trebuie să aibă o precizie de 1μV; Dacă o baie de azot lichid (sau o baie de hidrogen lichid) este utilizată ca punct de referință, potențialul termoelectric total va fi redus. Avantajul utilizării unui punct de referință la temperatură scăzută este că căldura de conducere de -a lungul firului termocuplei poate fi mult redusă.

Indicația temperaturii poate fi determinată prin transformarea potențialului termoelectric măsurat prin relația curbă de calibrare (corespunzătoare unei anumite temperaturi de referință).

Există trei termocuple comune la temperaturi scăzute: cupru-constante (tip T), nichel-crom-constante (tip E) și termocuple nichel-cromium-nichel-silicon (tip k), care sunt utilizate în mod obișnuit în intervalul de măsurare a temperaturii de -200 grad până la temperatura ambientală (sau mai mare; Termocuplurile nichel-crom-auriu (fracția de masă de fier este de 3%) pot fi utilizate în intervalul de temperatură scăzută de 10 ~ 180k.

Un dezavantaj al termocuplelor este faptul că potențialul termoelectric este prea mic, de obicei la nivel de milivolt. Această problemă poate fi rezolvată folosind mai multe termocuple pentru a forma o grămadă de termocuple. Potențialul termoelectric al teancului termocuple este suma potențialelor termoelectrice ale termocuplurilor stivuite, adică potențialul termoelectric al N termocouple este de n ori mai mult potențialul termoelectric al unui singur termocuplu.

Conducerea de căldură de -a lungul firului termocuplei poate provoca erori grave în măsurarea temperaturii termocuplei. Pentru a reduce această situație, lăsați o anumită lungime de sârmă termocouplă să treacă printr -un mediu izotermic de temperatură mai scăzut (chiuvetă de căldură), astfel încât eroarea să fie redusă. În plus, utilizarea unui fir de termocuple cu diametrul foarte mic poate reduce, de asemenea, foarte mult eroarea de măsurare a temperaturii.

4. Termometru cu presiune a vaporilor

Termometrele de presiune a vaporilor măsoară temperatura folosind proprietatea că presiunea de vapori saturată a unui lichid este o funcție fixă ​​a temperaturii lichidului în contact cu vaporii. Termometrul este format dintr -un bec de temperatură umplut cu gaz pur, care poate fi condensat în intervalul de temperatură. Becul de temperatură este conectat la dispozitivul de măsurare a presiunii printr -un tub capilar.

Avantajul termometrelor de presiune a vaporilor este că acestea au o sensibilitate ridicată în intervalul de temperatură a aplicației. De exemplu, în intervalul de temperatură de 63 ~ 80 K, sensibilitatea termometrelor de azot este de 15 ~ 3 kPa/k. În mod similar, termometrele de presiune a vaporilor nu necesită corecții pentru non-idealități cu volum fix sau gaz, cum ar fi termometrele cu gaz de volum constant. Un dezavantaj major al acestui tip de termometru este faptul că intervalul de măsurare a temperaturii este prea mic și un singur lichid nu poate fi utilizat pentru a măsura toate temperaturile de la lichidul HE la temperatura ambiantă. Deși termometrele de presiune a vaporilor pot fi utilizate pentru a măsura temperaturile de la punctul triplu până la punctul critic, aceste termometre sunt de obicei utilizate numai pentru măsurătorile temperaturii în intervalul de presiune a vaporilor de 5 ~ 250kPa.

Puritatea fluidului în termometru este critică, iar o cantitate mică de impurități va determina presiunea de vapori să se abată de la relația dintre presiunea de vapori saturați și temperatura substanței pure. În același timp, trebuie menționat că volumul fix ar trebui să fie suficient de mic, iar temperatura conductei de conectare nu ar trebui să fie mai mică decât temperatura pachetului de detectare a temperaturii.