Μέτρηση χαμηλής θερμοκρασίας

Η μέτρηση χαμηλής θερμοκρασίας σε κρυογονικά συστήματα περιλαμβάνει κυρίως μέτρηση θερμοκρασίας, μέτρηση κενού, μέτρηση επιπέδου υγρού και μέτρηση ροής.

Το διεθνές ενοποιημένο πρότυπο για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η διεθνής κλίμακα θερμοκρασίας (ITS). Η χώρα μου έχει υιοθετήσει αυτή την κλίμακα θερμοκρασίας ως την εθνική κλίμακα μέτρησης θερμοκρασίας για πολλά χρόνια. Η κλίμακα θερμοκρασίας που χρησιμοποιείται σήμερα είναι η διεθνής κλίμακα θερμοκρασίας του 1990 (-1990).

Η μέτρηση της θερμοκρασίας πρέπει να επιλέξει το εργαλείο μέτρησης ανάλογα με το εύρος της μετρούμενης θερμοκρασίας, κυρίως το θερμόμετρο. Εδώ είναι πολλά συχνά χρησιμοποιούμενα θερμόμετρα.

1. Θερμόμετρο ανθεκτικότητας μετάλλων

Η αντίσταση ενός αγωγού ή ημιαγωγού αλλάζει με θερμοκρασία, η οποία αποτελεί τη βάση ενός απλού και αξιόπιστου θερμόμετρο αντίστασης. Κάτω από 961,78 βαθμούς, η διεθνής κλίμακα θερμοκρασίας χρησιμοποιεί θερμόμετρο αντίστασης στην πλατίνα. Εκτός από την πλατίνα, άλλα υλικά όπως ο χαλκός, το νικέλιο και το ινδικό έχουν χρησιμοποιηθεί ως υλικά θερμόμετρου αντίστασης. Το νικέλιο είναι επιρρεπής σε παραμόρφωση σε θερμοκρασία δωματίου, οπότε η αντίσταση αλλάζει με την πάροδο του χρόνου και η σταθερότητα του θερμόμετρου είναι κακή. Τα θερμόμετρα αντίστασης ινδίου έχουν υψηλότερη ευαισθησία από την αντίσταση στην πλατίνα σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Ένα σημαντικό μέρος της εγκατάστασης ενός θερμόμετρο αντίστασης είναι η εξάλειψη της θερμικής και μηχανικής καταπόνησης, επειδή το στρες θα παράγει πρόσθετη αντίσταση. Τα θωρακισμένα θερμόμετρα αντίστασης στην πλατίνα χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανική παραγωγή. Αυτά τα θερμόμετρα είναι συνήθως ενθυλακωμένα σε κυλινδρικό μεταλλικό κέλυφος με διάμετρο περίπου 4mm και μήκος περίπου 10 ~ 12mm.

2. Θερμόμετρο αντίστασης ημιαγωγών

Δεδομένου ότι η αγωγιμότητα των ημιαγωγών σχετίζεται με τη θερμοκρασία, αυτό το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θερμόμετρο αντίστασης. Υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, η αντίσταση (το αντίστροφο της αγωγιμότητας) είναι ανάλογη προς την εκθετική συνάρτηση του αντίστροφο της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας, η οποία χαρακτηρίζει τις αγώγιμες ιδιότητες των ημιαγωγών. Υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας, η αγωγιμότητα οφείλεται στην παρουσία ακαθαρσιών (απελευθέρωση ή αποδοχή ηλεκτρονίων).

Το θερμόμετρο αντίστασης γερμανίου είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο θερμόμετρο αντοχής ημιαγωγού, στο οποίο το αρσενικό, το γαλλικό ή το αντιμόνιο είναι προσωμένο για να αποκτήσουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά αντίστασης. Το γερμανικό είναι σφραγισμένο σε μεταλλικό κουτί και συνδέονται τέσσερις οδηγοί. Η τυπική περιοχή εργασίας των βιομηχανικών αντιστάσεων γερμανίου είναι μεταξύ 1,5 και 100 Κ. Τα θερμόμετρα αντίστασης γερμανίου συνήθως βαθμονομούνται σε επτά σημεία θερμοκρασίας.

Τα θερμόμετρα αντοχής σε άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως θερμόμετρα για μέτρηση χαμηλής θερμοκρασίας λόγω της υψηλής ευαισθησίας, της χαμηλής τιμής, του μικρού μεγέθους και της σχετικά απλή καμπύλη θερμοκρασίας αντίστασης της αντίστασης του άνθρακα.

3. Θερμόμετρο θερμοστοιχείου

Τα θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας στην κανονική περιοχή θερμοκρασίας και σε περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας. Μια διασταύρωση του θερμοστοιχείου τοποθετείται στη θερμοκρασία που πρόκειται να μετρηθεί και η άλλη διασταύρωση τοποθετείται στο περιβάλλον θερμοκρασίας αναφοράς. Για παράδειγμα: χρησιμοποιώντας ένα λουτρό πάγου ως σημείο αναφοράς και μέτρηση χαμηλής θερμοκρασίας με θερμοστοιχείο, εάν η απαιτούμενη ανάλυση θερμοκρασίας είναι περίπου 0. Εάν χρησιμοποιείται ένα λουτρό υγρού αζώτου (ή λουτρό υγρού υδρογόνου) ως σημείο αναφοράς, το συνολικό θερμοηλεκτρικό δυναμικό θα μειωθεί. Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός σημείου αναφοράς χαμηλής θερμοκρασίας είναι ότι η θερμότητα αγωγιμότητας κατά μήκος του καλωδίου θερμοστοιχείου μπορεί να μειωθεί σημαντικά.

Η ένδειξη της θερμοκρασίας μπορεί να προσδιοριστεί μετατρέποντας το μετρούμενο θερμοηλεκτρικό δυναμικό με τη σχέση καμπύλης βαθμονόμησης (που αντιστοιχεί σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία αναφοράς).

Υπάρχουν τρεις κοινές θερμοστοιχείες χαμηλής θερμοκρασίας: ο χαλκός-ακραντάνης (τύπος t), το νικέλιο-χρωμίου-σησταντάν (τύπος e) και η θερμοκρασία του {7} σε θερμοκρασία του περιβάλλοντος (ή πάνω). Το νικέλιο-χρωμίου-χρυσό-σιδήρου (κλάσμα μάζας σιδήρου είναι 3%) θερμοστοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας 10 ~ 180K.

Ένα μειονέκτημα των θερμοστοιχείων είναι ότι το θερμοηλεκτρικό δυναμικό είναι πολύ μικρό, συνήθως στο επίπεδο Millivolt. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας διάφορα θερμοστοιχεία για να σχηματίσει ένα σωρό θερμοστοιχείων. Το θερμοηλεκτρικό δυναμικό του σωρού θερμοστοιχείων είναι το άθροισμα των θερμοηλεκτρικών δυνατοτήτων των στοιβαγμένων θερμοστοιχείων, δηλαδή του θερμοηλεκτρικού δυναμικού των θερμοστοιχείων Ν είναι Ν φορές το θερμοηλεκτρικό δυναμικό ενός μεμονωμένου θερμοστοιχείου.

Η αγωγιμότητα θερμότητας κατά μήκος του καλωδίου θερμοστοιχείου μπορεί να προκαλέσει σοβαρά σφάλματα στη μέτρηση της θερμοκρασίας θερμοστοιχείων. Για να μειωθεί αυτή η κατάσταση, αφήστε ένα ορισμένο μήκος καλωδίου θερμοστοιχείων να περάσει από ένα ισοθερμικό περιβάλλον χαμηλότερης θερμοκρασίας (θερμοσίευση), έτσι ώστε να μειωθεί το σφάλμα. Επιπλέον, η χρήση ενός καλωδίου θερμοστοιχείας πολύ μικρού διαμέτρου μπορεί επίσης να μειώσει σημαντικά το σφάλμα μέτρησης της θερμοκρασίας.

4. Θερμόμετρο πίεσης ατμών

Τα θερμόμετρα πίεσης ατμών μετρούν τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την ιδιότητα ότι η πίεση κορεσμένου ατμού ενός υγρού είναι μια σταθερή συνάρτηση της θερμοκρασίας του υγρού σε επαφή με τον ατμό. Το θερμόμετρο αποτελείται από έναν λαμπτήρα θερμοκρασίας γεμάτο με καθαρό αέριο, το οποίο μπορεί να συμπυκνωθεί εντός του εύρους θερμοκρασίας. Ο λαμπτήρας θερμοκρασίας συνδέεται με τη συσκευή μέτρησης πίεσης μέσω ενός τριχοειδούς σωλήνα.

Το πλεονέκτημα των θερμομέτρων πίεσης ατμών είναι ότι έχουν υψηλή ευαισθησία εντός του εύρους θερμοκρασίας εφαρμογής. Για παράδειγμα, στην περιοχή θερμοκρασίας 63 ~ 80 K, η ευαισθησία των θερμομέτρων αζώτου είναι 15 ~ 3 kPa/k. Παρομοίως, τα θερμόμετρα πίεσης ατμών δεν απαιτούν διορθώσεις για σταθερό όγκο ή αέριο μη ιδέες όπως θερμόμετρα αερίου σταθερού όγκου. Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτού του τύπου θερμόμετρου είναι ότι το εύρος μέτρησης της θερμοκρασίας είναι πολύ μικρό και ένα μόνο υγρό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση όλων των θερμοκρασιών από το υγρό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αν και τα θερμομέτρια πίεσης ατμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των θερμοκρασιών από το τριπλό σημείο στο κρίσιμο σημείο, αυτά τα θερμόμετρα χρησιμοποιούνται συνήθως μόνο για μετρήσεις θερμοκρασίας στην περιοχή πίεσης ατμών 5 ~ 250kPa.

Η καθαρότητα του υγρού στο θερμόμετρο είναι κρίσιμη και μια μικρή ποσότητα ακαθαρσιών θα προκαλέσει την απόκλιση της πίεσης ατμών από τη σχέση μεταξύ της πίεσης του κορεσμένου ατμού και της θερμοκρασίας της καθαρής ουσίας. Ταυτόχρονα, πρέπει να σημειωθεί ότι ο σταθερός όγκος θα πρέπει να είναι αρκετά μικρός και η θερμοκρασία του σωλήνα σύνδεσης δεν πρέπει να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του πακέτου ανίχνευσης θερμοκρασίας.