Misurazione a bassa temperatura

La misurazione della bassa temperatura nei sistemi criogenici include principalmente la misurazione della temperatura, la misurazione del vuoto, la misurazione del livello del liquido e la misurazione del flusso.

Lo standard unificato internazionale per la misurazione della temperatura è la scala di temperatura internazionale (ITS). Il mio paese ha adottato questa scala di temperatura come scala di misurazione della temperatura statutaria nazionale per molti anni. La scala di temperatura attualmente utilizzata è la scala di temperatura internazionale del 1990 (è -1990).

La misurazione della temperatura deve selezionare lo strumento di misurazione in base all'intervallo della temperatura misurata, principalmente il termometro. Ecco diversi termometri comunemente usati.

1. Termometro di resistenza al metallo

La resistività di un conduttore o un semiconduttore cambia con la temperatura, che è la base di un termometro a resistenza semplice e affidabile. Al di sotto di 961,78 gradi, la scala di temperatura internazionale utilizza un termometro per resistenza al platino. Oltre al platino, altri materiali come rame, nichel e indium sono stati usati come materiali termometri di resistenza. Il nichel è soggetto a deformazioni a temperatura ambiente, quindi la resistività cambia nel tempo e la stabilità del termometro è scarsa. I termometri della resistenza all'indio hanno una sensibilità maggiore rispetto alla resistenza al platino a basse temperature.

Una parte importante dell'installazione di un termometro di resistenza è eliminare lo stress termico e meccanico, poiché lo stress produrrà ulteriore resistenza. I termometri corazzati di resistenza al platino sono spesso utilizzati nella produzione industriale. Questi termometri sono generalmente incapsulati in un guscio di metallo cilindrico con un diametro di circa 4 mm e una lunghezza di circa 10 ~ 12 mm.

2. Termometro di resistenza a semiconduttore

Poiché la conduttività dei semiconduttori è correlata alla temperatura, questo materiale può essere usato come termometro di resistenza. In condizioni di alta temperatura, la resistività (l'inverso della conducibilità) è proporzionale alla funzione esponenziale dell'inverso della temperatura termodinamica, che caratterizza le proprietà conduttive dei semiconduttori. In condizioni di bassa temperatura, la conduzione è dovuta alla presenza di impurità (rilascio o accettazione di elettroni).

Il termometro di resistenza al germanio è un termometro a semiconduttore ampiamente utilizzato, in cui è drogato l'arsenico, il gallio o l'antimonio per ottenere le caratteristiche di resistenza desiderate. Il germanio è sigillato in una scatola di metallo e sono collegati quattro cavi. La tipica gamma di lavoro di resistori industriali di germanio è compreso tra 1,5 e 100 K. I termometri di resistenza al germanio sono generalmente calibrati in sette punti di temperatura.

I termometri di resistenza al carbonio sono stati ampiamente utilizzati come termometri per la misurazione a bassa temperatura a causa dell'elevata sensibilità, del prezzo basso, delle piccole dimensioni e della curva di temperatura di resistenza relativamente semplice della resistenza al carbonio.

3. Termometro per termocoppia

Le termocoppie possono essere utilizzate per la misurazione della temperatura nell'intervallo di temperatura normale e in ambienti a bassa temperatura. Una giunzione della termocoppia viene posizionata nella temperatura da misurare e l'altra giunzione viene posizionata nell'ambiente di temperatura di riferimento. Ad esempio: usare un bagno di ghiaccio come punto di riferimento e misurare la bassa temperatura con una termocoppia, se la risoluzione della temperatura richiesta è circa 0. 1k, quindi quando il potenziale termoelettrico misurato è 5mV o superiore, lo strumento di misurazione deve avere una precisione di 1μV; Se un bagno di azoto liquido (o bagno di idrogeno liquido) viene utilizzato come punto di riferimento, il potenziale termoelettrico totale verrà ridotto. Il vantaggio di utilizzare un punto di riferimento a bassa temperatura è che il calore di conduzione lungo il filo della termocoppia può essere notevolmente ridotto.

L'indicazione della temperatura può essere determinata convertendo il potenziale termoelettrico misurato dalla relazione della curva di calibrazione (corrispondente a una determinata temperatura di riferimento).

Esistono tre termocoppie comuni a bassa temperatura: rame-constantan (tipo T), nichel-cromo-constantan (tipo E) e termocoppie di nichel-cromo-constantan (tipo E) e nichel-cromo-nickel-silicon (tipo k), che sono comunemente usate nella gamma di misurazione della temperatura di -200 grado in temperatura ambiente (o sopra); Le termocoppie di nichel-cromo-gold-gold-gold (la frazione di massa di ferro sono 3%) possono essere utilizzate nell'intervallo a bassa temperatura di 10 ~ 180k.

Uno svantaggio delle termocoppie è che il potenziale termoelettrico è troppo piccolo, di solito a livello di millivolt. Questo problema può essere risolto utilizzando diverse termocoppie per formare una pila di termocoppia. Il potenziale termoelettrico della pila di termocoppia è la somma dei potenziali termoelettrici delle termocoppie impilate, cioè il potenziale termoelettrico delle termocoppie N è n volte il potenziale termoelettrico di una singola termocoppia.

La conduzione del calore lungo il filo della termocoppia può causare gravi errori nella misurazione della temperatura della termocoppia. Per ridurre questa situazione, lascia che una certa lunghezza del filo della termocoppia passino attraverso un ambiente isotermico a temperatura inferiore (dissipatore di calore), in modo che l'errore venga ridotto. Inoltre, l'uso di un filo di termocoppia di diametro molto piccolo può anche ridurre notevolmente l'errore di misurazione della temperatura.

4. Termometro a pressione di vapore

I termometri della pressione di vapore misurano la temperatura utilizzando la proprietà che la pressione di vapore satura di un liquido è una funzione fissa della temperatura del liquido a contatto con il vapore. Il termometro è costituito da un bulbo di temperatura pieno di gas puro, che può essere condensato nell'intervallo di temperatura. La lampadina di temperatura è collegata al dispositivo di misurazione della pressione attraverso un tubo capillare.

Il vantaggio dei termometri della pressione del vapore è che hanno un'alta sensibilità all'interno dell'intervallo di temperatura dell'applicazione. Ad esempio, nell'intervallo di temperatura di 63 ~ 80 K, la sensibilità dei termometri dell'azoto è di 15 ~ 3 kPa/k. Allo stesso modo, i termometri della pressione di vapore non richiedono correzioni per il volume fisso o le non idealtà del gas come termometri a gas costante. Un grande svantaggio di questo tipo di termometro è che l'intervallo di misurazione della temperatura è troppo piccolo e un singolo liquido non può essere utilizzato per misurare tutte le temperature dal liquido e a temperatura ambiente. Sebbene i termometri a pressione di vapore possano essere utilizzati per misurare le temperature dal triplo punto al punto critico, questi termometri sono generalmente utilizzati solo per le misurazioni della temperatura nell'intervallo di pressione del vapore di 5 ~ 250kpa.

La purezza del fluido nel termometro è fondamentale e una piccola quantità di impurità farà deviare la pressione del vapore dalla relazione tra la pressione del vapore saturo e la temperatura della sostanza pura. Allo stesso tempo, va notato che il volume fisso dovrebbe essere abbastanza piccolo e la temperatura del tubo di collegamento non dovrebbe essere inferiore alla temperatura del pacchetto di rilevamento della temperatura.