Pomiar niskiej temperatury

Pomiar niskiej temperatury w układach kriogenicznych obejmuje głównie pomiar temperatury, pomiar próżni, pomiar poziomu cieczy i pomiar przepływu.

Międzynarodowym ujednoliconym standardem pomiaru temperatury jest międzynarodowa skala temperatury (ITS). Mój kraj przyjął tę skalę temperatury jako krajową ustawową skalę pomiaru temperatury od wielu lat. Obecnie stosowana skala temperatury to międzynarodowa skala temperatury 1990 (jej -1990).

Pomiar temperatury musi wybrać narzędzie pomiarowe zgodnie z zakresem zmierzonej temperatury, głównie termometru. Oto kilka powszechnie używanych termometrów.

1. Termometr oporności metalowej

Rezystywność przewodnika lub półprzewodnika zmienia się wraz z temperaturą, co jest podstawą prostego i niezawodnego termometru oporności. Poniżej 961,78 stopni międzynarodowa skala temperatury wykorzystuje termometr oporności platynowej. Oprócz platyny, inne materiały, takie jak miedź, nikiel i indium, były stosowane jako materiały termometru oporowe. Nikiel jest podatny na deformację w temperaturze pokojowej, więc rezystywność zmienia się w czasie, a stabilność termometru jest słaba. Termometry oporności indium mają wyższą czułość niż oporność platyny w niskich temperaturach.

Ważną częścią instalacji termometru oporowego jest wyeliminowanie naprężeń termicznych i mechanicznych, ponieważ naprężenie przyniesie dodatkowy opór. Opancerzone termometry oporności platynowej są często stosowane w produkcji przemysłowej. Te termometry są zwykle zamknięte w cylindrycznej metalowej powładzie o średnicy około 4 mm i długości około 10 ~ 12 mm.

2. Termometr oporności półprzewodników

Ponieważ przewodność półprzewodników jest związana z temperaturą, materiał ten może być stosowany jako termometr rezystancyjny. W warunkach wysokiej temperatury rezystywność (odwrotność przewodności) jest proporcjonalna do wykładniczej funkcji odwrotności temperatury termodynamicznej, która charakteryzuje właściwości przewodzące półprzewodników. W warunkach niskiej temperatury przewodzenie wynika z obecności zanieczyszczeń (uwalniania lub akceptowania elektronów).

Termometr oporności germanu jest szeroko stosowanym termometrem oporności półprzewodników, w którym domieszkowane są arsen, galu lub antymon w celu uzyskania pożądanych właściwości rezystancji. German jest uszczelniony w metalowym pudełku i połączone cztery przewody. Typowy zakres działający przemysłowych rezystorów germanu wynosi od 1,5 do 100 K. Termometry oporności germanu są zwykle kalibrowane przy siedmiu punktach temperatury.

Termometry oporności na węgiel były szeroko stosowane jako termometry do pomiaru niskiej temperatury ze względu na wysoką wrażliwość, niską cenę, małą wielkość i stosunkowo prostą krzywą oporności oporności na węgiel.

3. Termometr termopary

Termopary mogą być stosowane do pomiaru temperatury w normalnym zakresie temperatur i środowiskach niskich temperatur. Jedno połączenie termopary umieszcza się w temperaturze, która ma zostać zmierzona, a drugi połączenie jest umieszczane w środowisku temperatury referencyjnej. Na przykład: Korzystanie z kąpieli lodowej jako punktu odniesienia i pomiar niskiej temperatury za pomocą termopary, jeśli wymagana rozdzielczość temperatury wynosi około 0. Jeśli jako punkt odniesienia zostanie zastosowany ciekłej kąpieli azotowej (lub ciekłej łaźni wodorowej), całkowity potencjał termoelektryczny zostanie zmniejszony. Zaletą zastosowania punktu odniesienia o niskiej temperaturze jest to, że ciepło przewodowe wzdłuż drutu termopary można znacznie zmniejszyć.

Wskazanie temperatury można określić przez przekształcenie zmierzonego potencjału termoelektrycznego przez zależność krzywej kalibracji (odpowiadającej pewnej temperaturze odniesienia).

Istnieją trzy powszechne termopary o niskiej temperaturze: miedziana-constantan (typ t), niklu-chromowy-constantan (typ E) i stopień Nickel-Chromum-Nickel-Silicon (typ K), które są powszechnie stosowane w zakresie pomiaru temperatury -200 do temperatury otoczenia (lub powyżej); Nikiel-chrom-gold-iron (frakcja masy żelaza wynosi 3%) termopary można zastosować w niskim zakresie 10 ~ 180K.

Jedną z wad termopar jest to, że potencjał termoelektryczny jest zbyt mały, zwykle na poziomie Millivolt. Problem ten można rozwiązać za pomocą kilku termopar do utworzenia stosu termopary. Potencjał termoelektryczny stosu termopary jest sumą potencjału termoelektrycznego stosowanych termopar, to znaczy potencjał termoelektryczny N termopar jest n -razy większy potencjał termoelektryczny pojedynczej termopary.

Przewodnictwo cieplne wzdłuż drutu termopary może powodować poważne błędy w pomiarze temperatury termopary. Aby zmniejszyć tę sytuację, niech pewna długość przewodu termopary przejdzie przez środowisko izotermiczne niższej temperatury (radiator), aby błąd został zmniejszony. Ponadto zastosowanie drutu termopary o bardzo małej średnicy może również znacznie zmniejszyć błąd pomiaru temperatury.

4. Termometr ciśnienia pary

Termometry ciśnienia pary mierzą temperaturę przy użyciu właściwości, że nasycone ciśnienie pary cieczy jest stałą funkcją temperatury cieczy w kontakcie z oparą. Termometr składa się z żarówki temperaturowej wypełnionej czystym gazem, który można skondensować w zakresie temperatur. Żarówka temperaturowa jest podłączona do urządzenia pomiarowego ciśnienia przez rurkę kapilarną.

Zaletą termometrów ciśnienia pary jest to, że mają one wysoką wrażliwość w zakresie temperatur zastosowania. Na przykład w zakresie temperatur 63 ~ 80 K czułość termometrów azotu wynosi 15 ~ 3 kPa/k. Podobnie, termometry ciśnienia pary nie wymagają poprawek dla stałej objętości lub nieopłacalności gazu, takich jak termometry gazowe o stałej objętości. Główną wadą tego rodzaju termometru jest to, że zakres pomiaru temperatury jest zbyt mały, a pojedynczej cieczy nie można zastosować do pomiaru wszystkich temperatur od cieczy HE do temperatury otoczenia. Chociaż termometry ciśnienia pary mogą być stosowane do pomiaru temperatur od potrójnego punktu do punktu krytycznego, termometry te są zwykle stosowane tylko do pomiarów temperatury w zakresie ciśnienia pary 5 ~ 250 kPa.

Czystość płynu w termometrze ma kluczowe znaczenie, a niewielka ilość zanieczyszczeń spowoduje odejście ciśnienia pary od związku między nasyconym ciśnieniem pary a temperaturą czystej substancji. Jednocześnie należy zauważyć, że stała objętość powinna być wystarczająca, a temperatura rury łączącej nie powinna być niższa niż temperatura pakietu wykrywania temperatury.