Zemas temperatūras mērīšana

Zemas temperatūras mērīšana kriogēnās sistēmās galvenokārt ietver temperatūras mērīšanu, vakuuma mērījumus, šķidruma līmeņa mērījumus un plūsmas mērījumus.

Starptautiskais vienotais temperatūras mērīšanas standarts ir starptautiskā temperatūras skala (ITS). Mana valsts daudzus gadus ir pieņēmusi šo temperatūras skalu kā valsts likumā noteikto temperatūras mērīšanas skalu. Pašlaik izmantotā temperatūras skala ir 1990. gada starptautiskā temperatūras skala (tā -1990).

Temperatūras mērīšanai jāizvēlas mērīšanas instruments atbilstoši izmērītās temperatūras diapazonam, galvenokārt termometram. Šeit ir vairāki parasti izmantotie termometri.

1. Metāla pretestības termometrs

Diriģenta vai pusvadītāja pretestība mainās ar temperatūru, kas ir vienkārša un uzticama pretestības termometra pamatā. Zem 961,78 grādiem starptautiskajā temperatūras skalā tiek izmantots platīna pretestības termometrs. Papildus platīnam kā pretestības termometra materiāli ir izmantoti citi materiāli, piemēram, varš, niķelis un indijs. Niķelis ir pakļauts deformācijai istabas temperatūrā, tāpēc pretestība laika gaitā mainās, un termometra stabilitāte ir slikta. Indija pretestības termometriem ir augstāka jutība nekā platīna izturībai zemā temperatūrā.

Svarīga pretestības termometra uzstādīšanas sastāvdaļa ir termiskā un mehāniskā sprieguma novēršana, jo spriegums radīs papildu pretestību. Rūpnieciskajā ražošanā bieži izmanto bruņu platīna rezistences termometrus. Šos termometrus parasti iekapsulē cilindriskā metāla apvalkā ar aptuveni 4 mm diametru un apmēram 10 ~ 12 mm garumu.

2. Pusvadītāju pretestības termometrs

Tā kā pusvadītāju vadītspēja ir saistīta ar temperatūru, šo materiālu var izmantot kā pretestības termometru. Augstas temperatūras apstākļos pretestība (vadītspējas apgrieztā) ir proporcionāla termodinamiskās temperatūras apgrieztā eksponenciālajai funkcijai, kas raksturo pusvadītāju vadītspējīgās īpašības. Zemas temperatūras apstākļos vadīšana ir saistīta ar piemaisījumu klātbūtni (elektronu atbrīvošana vai pieņemšana).

Germānija pretestības termometrs ir plaši izmantots pusvadītāju pretestības termometrs, kurā arsēns, gallijs vai antimons tiek leģēts, lai iegūtu vēlamās pretestības īpašības. Germānijs ir noslēgts metāla kastē, un ir savienoti četri vadi. Rūpniecisko germānija rezistoru tipiskais darba diapazons ir no 1,5 līdz 100 K. Germānija rezistences termometri parasti tiek kalibrēti septiņos temperatūras punktos.

Oglekļa izturības termometri ir plaši izmantoti kā termometri zemas temperatūras mērīšanai augstas jutības, zemas cenas, maza izmēra un salīdzinoši vienkāršās oglekļa izturības temperatūras līknes dēļ.

3. Termopāra termometrs

Termopārus var izmantot temperatūras mērīšanai normālā temperatūras diapazonā un zemas temperatūras vidē. Vienu termopāra krustojumu novieto izmērāmā temperatūrā, bet otru krustojums tiek ievietots atsauces temperatūras vidē. Piemēram: ledus vannas kā atskaites punkta izmantošana un zemas temperatūras mērīšana ar termopāru, ja nepieciešamā temperatūras izšķirtspēja ir aptuveni 0. 1K, tad, ja izmērītais termoelektriskais potenciāls ir 5 mV vai augstāks, mērīšanas instrumentam jābūt 1 μV precizitātei; Ja kā atskaites punktu izmanto šķidru slāpekļa vannu (vai šķidru ūdeņraža vannu), kopējais termoelektriskais potenciāls tiks samazināts. Zemas temperatūras atskaites punkta izmantošanas priekšrocība ir tā, ka vadīšanas siltumu gar termopāra vadu var ievērojami samazināt.

Temperatūras norādi var noteikt, pārveidojot izmērīto termoelektrisko potenciālu ar kalibrēšanas līknes attiecību (atbilst noteiktai atsauces temperatūrai).

Ir trīs izplatīti zemas temperatūras termopāri: vara-constantan (t tips), niķeļa-hromija-constantāna (e tips) un niķeļa-hromium-nickel-silicon (k tips) termopāri, kurus parasti izmanto temperatūras mērīšanas diapazonā -200} pakāpe līdz apkārtējā temperatūrai (vai iepriekš); Niķeļa-hroma-zelta dzelzs (dzelzs masas frakcija ir 3%) termopārus var izmantot zemas temperatūras diapazonā no 10 ~ 180 000.

Viens no termokoutu trūkumiem ir tas, ka termoelektriskais potenciāls ir pārāk mazs, parasti milivoltu līmenī. Šo problēmu var atrisināt, izmantojot vairākus termopārus, lai veidotu termopāra kaudzi. Termopāra kaudzes termoelektriskais potenciāls ir sakrauto termopāru termoelektrisko potenciālu summa, tas ir, N termopoļu termoelektriskais potenciāls ir n reizes lielāks par viena termopāra termoelektrisko potenciālu.

Siltuma vadīšana gar termopāra stiepli var izraisīt nopietnas kļūdas termopāra temperatūras mērījumos. Lai samazinātu šo situāciju, ļaujiet noteiktam termopāra stieples garumam iziet cauri zemākas temperatūras izotermiskajai videi (siltuma izlietne), lai kļūda tiktu samazināta. Turklāt ļoti maza diametra termopāra stieples izmantošana var ievērojami samazināt temperatūras mērīšanas kļūdu.

4. tvaika spiediena termometrs

Tvaika spiediena termometri mēra temperatūru, izmantojot īpašību, kuru šķidruma piesātinātais tvaika spiediens ir fiksēta funkcija šķidruma temperatūrai, kas atrodas saskarē ar tvaikiem. Termometrs sastāv no temperatūras spuldzes, kas piepildīta ar tīru gāzi, kuru var kondensēt temperatūras diapazonā. Temperatūras spuldze ir savienota ar spiediena mērīšanas ierīci caur kapilāru cauruli.

Tvaika spiediena termometru priekšrocība ir tā, ka to temperatūras diapazonā ir augsta jutība. Piemēram, temperatūras diapazonā no 63 ~ 80 K slāpekļa termometru jutība ir 15 ~ 3 kPa/k. Līdzīgi tvaika spiediena termometriem nav nepieciešami korekcijas fiksēta tilpuma vai gāzes nederībām, piemēram, nemainīga tilpuma gāzes termometri. Galvenais šāda veida termometra trūkums ir tas, ka temperatūras mērījumu diapazons ir pārāk mazs, un vienu šķidrumu nevar izmantot, lai izmērītu visu temperatūru no šķidruma līdz apkārtējā temperatūrai. Kaut arī tvaika spiediena termometrus var izmantot, lai izmērītu temperatūru no trīskāršā punkta līdz kritiskajam punktam, šos termometrus parasti izmanto tikai temperatūras mērījumiem tvaika spiediena diapazonā no 5 ~ 250 kPa.

Šķidruma tīrība termometrā ir kritiska, un neliels daudzums piemaisījumu izraisīs tvaika spiediena novirzīšanos no sakarības starp piesātināto tvaika spiedienu un tīras vielas temperatūru. Tajā pašā laikā jāatzīmē, ka fiksētajam tilpumam jābūt pietiekami mazam, un savienojošās caurules temperatūrai nevajadzētu būt zemākam par temperatūras noteikšanas paketes temperatūru.