Mjerenje niske temperature

Mjerenje niske temperature u kriogenim sustavima uglavnom uključuje mjerenje temperature, mjerenje vakuuma, mjerenje razine tekućine i mjerenje protoka.

Međunarodni objedinjeni standard za mjerenje temperature je međunarodna temperaturna ljestvica (ITS). Moja zemlja je dugi niz godina usvojila ovu temperaturnu ljestvicu kao nacionalnu zakonuću mjernu ljestvicu temperature. Trenutačno korištena temperaturna ljestvica je međunarodna temperaturna ljestvica iz 1990. godine (njegova -1990).

Mjerenje temperature mora odabrati mjerni alat prema rasponu izmjerene temperature, uglavnom termometar. Evo nekoliko uobičajenih termometara.

1. Metalni otpor termometra

Otpornost vodiča ili poluvodiča mijenja se s temperaturom, što je osnova jednostavnog i pouzdanog termometra otpora. Ispod 961,78 stupnjeva, međunarodna temperaturna ljestvica koristi termometar za otpornost na platine. Osim platine, kao materijali termometra otpornosti korišteni su i drugi materijali poput bakra, nikla i indija. Nikal je sklon deformaciji na sobnoj temperaturi, tako da se otpornost s vremenom mijenja, a stabilnost termometra je loša. Termometri otpornosti na indij imaju veću osjetljivost od platine otpornosti na niskim temperaturama.

Važan dio ugradnje termometra otpora je uklanjanje toplinskog i mehaničkog naprezanja, jer će napon stvoriti dodatni otpor. Oklopni termometri otpornosti na platine često se koriste u industrijskoj proizvodnji. Ovi termometri obično se inkapsuliraju u cilindričnu metalnu školjku promjera oko 4 mm i duljine od oko 10 ~ 12 mm.

2. Termometar za otpornost na poluvodiča

Budući da je vodljivost poluvodiča povezana s temperaturom, ovaj se materijal može koristiti kao termometar otpora. U uvjetima visoke temperature, otpornost (obrnuto vodljivosti) proporcionalna je eksponencijalnoj funkciji inverzne termodinamičke temperature, koja karakterizira vodljiva svojstva poluvodiča. U uvjetima niske temperature, provođenje je posljedica prisutnosti nečistoća (oslobađanja ili prihvaćanja elektrona).

Germanijski termometar otpornosti je široko korišteni termometar otpornosti na poluvodiča, u kojem su dopirani arsen, galij ili antimon kako bi se dobili željene karakteristike otpornosti. Germanij je zapečaćen u metalnoj kutiji i spojena su četiri vodiča. Tipični radni raspon industrijskih germanijskih otpornika je između 1,5 i 100 K. termometri otpornosti na germanij obično se kalibriraju na sedam temperaturnih točaka.

Termometri otpornosti na ugljik široko se koriste kao termometri za mjerenje niskih temperatura zbog visoke osjetljivosti, niske cijene, male veličine i relativno jednostavne krivulje temperature otpornosti otpornosti ugljika.

3. termometar za termoelej

Termoparovi se mogu koristiti za mjerenje temperature u normalnom temperaturnom rasponu i u okruženjima s niskim temperaturama. Jedan spoj termoelementa stavlja se u temperaturu koja se mjeri, a drugo spoj se postavlja u referentno temperaturno okruženje. Na primjer: Korištenje ledene kupke kao referentne točke i mjerenja niske temperature s termoelementom, ako je potrebna rezolucija temperature oko 0. 1K, tada kada je izmjereni termoelektrični potencijal 5MV ili više, mjerni instrument mora imati točnost od 1 μV; Ako se kao referentna točka koristi tekuća dušična kupka (ili tekuća hidrogenska kupka), smanjit će se ukupni termoelektrični potencijal. Prednost korištenja referentne točke niske temperature je u tome što se toplina provođenja duž žice termoelementa može uvelike smanjiti.

Indikacija temperature može se odrediti pretvaranjem izmjerenog termoelektričnog potencijala odnosom krivulje kalibracije (što odgovara određenoj referentnoj temperaturi).

Postoje tri uobičajena termoparova niske temperature: bakar-konstantan (t tip), nikl-kromium-konstantan (e tip) i nikl-kromium-nickel-silicon (k tip) termovice, koji se obično koriste u rasponu mjerenja temperature od -200 stupnjeva (ili gore); Nikl-kromij-zlatni željezo (frakcija mase željeza je 3%) termoelerovi mogu se koristiti u rasponu niskih temperatura od 10 ~ 180K.

Jedan nedostatak termoparova je taj što je termoelektrični potencijal premali, obično na razini milivolta. Ovaj se problem može riješiti korištenjem nekoliko termoparova za stvaranje hrpe termoelementa. Termoelektrični potencijal gomile termoelemenata je zbroj termoelektričnih potencijala složenih termoelektrana, to jest, termoelektrični potencijal N termoeleva je N putanji termoelektrični potencijal jednog termoelektrana.

Provođenje topline duž žice termoelementa može uzrokovati ozbiljne pogreške u mjerenju temperature termoelementa. Da biste smanjili ovu situaciju, neka se određena duljina žice termoelementa prolazi kroz izotermalno okruženje niže temperature (hladnjak), tako da će se pogreška smanjiti. Pored toga, upotreba žice termoelementa vrlo malog promjera također može u velikoj mjeri smanjiti pogrešku mjerenja temperature.

4. termometar za tlak pare

Termometri tlaka pare mjere temperaturu pomoću svojstva da je zasićeni tlak pare tekućine fiksna funkcija temperature tekućine u kontaktu s parom. Termometar se sastoji od temperaturne žarulje napunjene čistim plinom, koja se može kondenzirati unutar temperaturnog raspona. Temperaturna žarulja povezana je s uređajem za mjerenje tlaka kroz kapilarnu cijev.

Prednost termometra tlaka pare je u tome što imaju visoku osjetljivost unutar temperaturnog raspona primjene. Na primjer, u temperaturnom rasponu od 63 ~ 80 K, osjetljivost dušičnih termometara iznosi 15 ~ 3 kPa/k. Slično tome, termometri tlaka pare ne zahtijevaju korekcije za fiksni volumen ili plinski ne-idealitet poput termometra konstantnog volumena. Glavni nedostatak ove vrste termometra je taj što je raspon mjerenja temperature premali, a jedna tekućina se ne može koristiti za mjerenje svih temperatura od tekućine do ambijentalne temperature. Iako se termometri tlaka pare mogu koristiti za mjerenje temperatura od trostruke točke do kritične točke, ti se termometri obično koriste samo za temperaturna mjerenja u rasponu tlaka pare od 5 ~ 250kPa.

Čistoća tekućine u termometrom je kritična, a mala količina nečistoća uzrokovat će da tlak pare odstupa od odnosa između zasićenog tlaka pare i temperature čiste tvari. Istodobno, treba napomenuti da fiksni volumen treba biti dovoljno mali, a temperatura priključne cijevi ne smije biti niža od temperature pakiranja osjetljivosti na temperaturu.