Merjenje nizke temperature

Merjenje nizke temperature v kriogenih sistemih vključuje predvsem merjenje temperature, merjenje vakuuma, merjenje ravni tekočine in merjenje pretoka.

Mednarodni poenoten standard za merjenje temperature je mednarodna temperaturna lestvica (ITS). Moja država je to temperaturno lestvico že vrsto let sprejela kot nacionalno zakonsko lestvico merjenja temperature. Trenutno uporabljena temperaturna lestvica je mednarodna temperaturna lestvica iz leta 1990 (njegova -1990).

Merjenje temperature mora izbrati merilno orodje glede na območje izmerjene temperature, predvsem termometra. Tu je več pogosto uporabljenih termometrov.

1. Termometer kovinske odpornosti

Upornost prevodnika ali polprevodnika se spreminja s temperaturo, kar je osnova preprostega in zanesljivega upornega termometra. Pod 961,78 stopinj mednarodna temperaturna lestvica uporablja termometer za odpornost platine. Poleg platine so bili uporabljeni tudi drugi materiali, kot so baker, nikelj in indija, kot termometerski materiali odpornosti. Nikelj je nagnjen k deformaciji pri sobni temperaturi, zato se upornost sčasoma spreminja in stabilnost termometra je slaba. Indijski odpornost termometri imajo večjo občutljivost kot platinasta odpornost pri nizkih temperaturah.

Pomemben del namestitve termometra za odpornost je odpraviti toplotni in mehanski stres, ker bo stres povzročil dodatno odpornost. V industrijski proizvodnji se pogosto uporabljajo oklepni termometri platine. Ti termometri so običajno inkapsulirani v valjasti kovinski lupini s premerom približno 4 mm in dolžino približno 10 do 12 mm.

2. Termometer za upornost polprevodnika

Ker je prevodnost polprevodnikov povezana s temperaturo, se ta material lahko uporablja kot termometer za odpornost. V visokih temperaturnih pogojih je upornost (obratna prevodnost) sorazmerna z eksponentno funkcijo inverzne termodinamične temperature, ki je značilna za prevodne lastnosti polprevodnikov. V nizkih temperaturnih pogojih je prevodnost posledica prisotnosti nečistoč (sproščanje ali sprejemanje elektronov).

Termometer za odpornost na germanijevo odpornost je široko uporabljen termometer polprevodniške odpornosti, pri katerem se arzen, galij ali antimon dopira, da dobijo želene značilnosti odpornosti. Germanium je zatesnjen v kovinski škatli in priključeni so štirje vodi. Običajni delovni razpon industrijskih germanijevih uporov je med 1,5 in 100 K. Termometri odpornosti germanijeve odpornosti so običajno umerjeni na sedmih temperaturnih točkah.

Termometri odpornosti ogljika so bili pogosto uporabljeni kot termometri za merjenje nizke temperature zaradi visoke občutljivosti, nizke cene, majhne velikosti in relativno preproste temperaturne krivulje odpornosti proti ogljiku.

3. termometer termometer

Termoelementi se lahko uporabljajo za merjenje temperature v normalnem temperaturnem območju in v nizkotemperaturnem okolju. Eno križišče termoelementa je nameščeno v temperaturi, ki jo je treba izmeriti, drugo stičišče pa v okolje referenčne temperature. Na primer: z uporabo ledene kopeli kot referenčne točke in merjenja nizke temperature s termoelementom, če je potrebna ločljivost temperature približno 0. Če se kot referenčna točka uporablja tekoča dušikova kopel (ali tekoča vodikova kopel), se bo zmanjšal skupni termoelektrični potencial. Prednost uporabe referenčne točke z nizko temperaturo je, da se lahko prevodna toplota vzdolž žice termoelemente močno zmanjša.

Indikacijo temperature lahko določimo s pretvorbo izmerjenega termoelektričnega potenciala z razmerjem kalibracijske krivulje (kar ustreza določeni referenčni temperaturi).

Obstajajo trije pogosti nizkotemperaturni termoelementi: bakreni-konstantan (T tip), nikelj-kromium-konstantan (E tip) in nikelj-kromium-nickel-silicon (k), ki se običajno uporabljajo v temperaturnem merjenju (ali nad); Nikelj-kromium-zlato-železo (železna masa je 3%) termoelemente lahko uporabimo v nizkotemperaturnem območju od 10 do 180K.

Ena od pomanjkljivosti termoelementov je, da je termoelektrični potencial premajhen, običajno na ravni milivolta. To težavo je mogoče rešiti z več termoelementi za oblikovanje termoelementnega kupa. Termoelektrični potencial termoelementnega kupa je vsota termoelektričnih potencialov zloženih termoelementov, to je termoelektrični potencial N termoelementov n -krat več kot termoelektrični potencial enega samega termoelementa.

Toplotna prevodnost vzdolž žice termoelemente lahko povzroči resne napake pri merjenju temperature termoelementov. Če želite zmanjšati to situacijo, pustite določeno dolžino žice termoelementov skozi izotermalno okolje z nižjo temperaturo (hladilnika), tako da se bo napaka zmanjšala. Poleg tega lahko uporaba zelo majhne premera termoelementne žice močno zmanjša tudi napako merjenja temperature.

4. termometer za parni tlak

Termometri parni tlak merijo temperaturo z uporabo lastnosti, da je nasičen parni tlak tekočine fiksna funkcija temperature tekočine v stiku s paro. Termometer je sestavljen iz temperaturne žarnice, napolnjene s čistim plinom, ki jo je mogoče kondenzirati v temperaturnem območju. Temperaturna žarnica je povezana z merilno napravo tlaka skozi kapilarno cev.

Prednost termometrov parnega tlaka je, da imajo v temperaturnem območju uporabe visoko občutljivost. Na primer, v temperaturnem območju 63 ~ 80 K je občutljivost dušikovih termometrov 15 ~ 3 kPa/k. Podobno termometri za parni tlak ne potrebujejo popravkov za fiksno prostornino ali plin, ki niso ideje, kot so termometri s konstantno prostornino. Glavna pomanjkljivost te vrste termometra je, da je območje merjenja temperature premajhno, ene same tekočine pa ni mogoče uporabiti za merjenje vseh temperatur od tekočine do temperature v okolici. Čeprav se lahko termometri parnega tlaka uporabijo za merjenje temperatur od trojne točke do kritične točke, se ti termometri običajno uporabljajo samo za meritve temperature v območju parnega tlaka 5 ~ 250kPa.

Čistost tekočine v termometru je kritična, majhna količina nečistoč pa bo povzročila, da se parni tlak odstopa od razmerja med nasičenim parnim tlakom in temperaturo čiste snovi. Hkrati je treba opozoriti, da mora biti fiksna prostornina dovolj majhna in temperatura priključne cevi ne sme biti nižja od temperature paketa za zaznavanje temperature.