Mesura de baixa temperatura

La mesura de temperatura baixa en sistemes criogènics inclou principalment la mesura de la temperatura, la mesura del buit, la mesura del nivell de líquid i la mesura del flux.

L’estàndard unificat internacional per a la mesura de la temperatura és l’escala de temperatura internacional (ITS). El meu país ha adoptat aquesta escala de temperatura com a escala nacional de mesura de la temperatura durant molts anys. L’escala de temperatura que s’utilitza actualment és l’escala de temperatura internacional de 1990 (la seva -1990).

La mesura de la temperatura ha de seleccionar l’eina de mesura segons l’interval de la temperatura mesurada, principalment el termòmetre. A continuació, es mostren diversos termòmetres d'ús comú.

1. Termòmetre de resistència al metall

La resistivitat d’un conductor o semiconductor canvia amb la temperatura, que és la base d’un termòmetre de resistència senzilla i fiable. Per sota dels 961,78 graus, l'escala de temperatura internacional utilitza un termòmetre de resistència al platí. A més del platí, s’han utilitzat altres materials com el coure, el níquel i l’indium com a materials de termòmetre de resistència. El níquel és propens a la deformació a temperatura ambient, de manera que la resistivitat canvia amb el pas del temps i l’estabilitat del termòmetre és pobra. Els termòmetres de resistència a l’indi tenen una sensibilitat més elevada que la resistència al platí a temperatures baixes.

Una part important de la instal·lació d’un termòmetre de resistència és eliminar l’estrès tèrmic i mecànic, perquè l’estrès produirà resistència addicional. Els termòmetres de resistència al platí blindats s’utilitzen sovint en la producció industrial. Aquests termòmetres solen estar encapsulats en una closca de metall cilíndrica amb un diàmetre d’uns 4 mm i una longitud d’uns 10 ~ 12mm.

2. Termòmetre de resistència a semiconductors

Com que la conductivitat dels semiconductors està relacionada amb la temperatura, aquest material es pot utilitzar com a termòmetre de resistència. En condicions de temperatura alta, la resistivitat (la inversa de la conductivitat) és proporcional a la funció exponencial de la inversa de la temperatura termodinàmica, que caracteritza les propietats conductives dels semiconductors. En condicions de baixa temperatura, la conducció es deu a la presència d’impureses (alliberar o acceptar electrons).

El termòmetre de resistència al germanium és un termòmetre de resistència a semiconductors àmpliament utilitzat, en el qual l’arsènic, el gali o l’antimoni està dopat per obtenir les característiques de resistència desitjades. El germani està segellat en una caixa metàl·lica i es connecten quatre cables. La gamma de treball típica de resistències de germani industrial està entre 1,5 i 100 K. Els termòmetres de resistència al germani solen calibrar -se a set punts de temperatura.

Els termòmetres de resistència al carboni s’han utilitzat àmpliament com a termòmetres per a la mesura de temperatura baixa a causa de l’elevada sensibilitat, el preu baix, la mida petita i la corba de temperatura de resistència relativament simple de la resistència al carboni.

3. Termòmetre de termopar

Els termoparells es poden utilitzar per a la mesura de la temperatura en el rang de temperatura normal i en ambients de baixa temperatura. Una de les unió de la termopar es col·loca a la temperatura per mesurar -la i l’altra unió es col·loca a l’entorn de la temperatura de referència. Per exemple: utilitzar un bany de gel com a punt de referència i mesurar la temperatura baixa amb un termopar, si la resolució de temperatura requerida és aproximadament {{0}. Si s’utilitza un bany de nitrogen líquid (o bany d’hidrogen líquid) com a punt de referència, es reduirà el potencial termoelèctric total. L’avantatge d’utilitzar un punt de referència de baixa temperatura és que la calor de conducció al llarg del fil de termopar es pot reduir molt.

La indicació de la temperatura es pot determinar convertint el potencial termoelèctric mesurat per la relació de la corba de calibració (corresponent a una determinada temperatura de referència).

Hi ha tres termoparells comuns a baixa temperatura: el coure-constantan (tipus T), el níquel-crom-constantan (tipus E) i el níquel-crom-níquel-silicon (tipus K) termoparells, que s’utilitzen habitualment en el rang de mesurament de la temperatura de {{7} grau a la temperatura ambiental (o a dalt); El níquel-crom-daol-ferro (la fracció de massa de ferro és del 3%) es poden utilitzar termoparells en un rang de baixa temperatura de 10 ~ 180k.

Un dels desavantatges dels termoparells és que el potencial termoelèctric és massa petit, normalment al nivell de Millivolt. Aquest problema es pot solucionar mitjançant diversos termocopis per formar una pila de termopar. El potencial termoelèctric de la pila de termopar és la suma dels potencials termoelèctrics dels termoparells apilats, és a dir, el potencial termoelèctric de n termoparells és n vegades el potencial termoelèctric d’un sol termopar.

La conducció de calor al llarg del fil de termopar pot causar greus errors en la mesura de la temperatura del termopar. Per reduir aquesta situació, deixeu passar una certa longitud del fil de termopar per un entorn isotèrmic de temperatura inferior (dissipador de calor), de manera que es reduirà l’error. A més, l’ús d’un fil de termopar de diàmetre molt petit també pot reduir molt l’error de mesura de la temperatura.

4. Termòmetre de pressió de vapor

Els termòmetres de pressió de vapor mesuren la temperatura mitjançant la propietat que la pressió de vapor saturada d’un líquid és una funció fixa de la temperatura del líquid en contacte amb el vapor. El termòmetre consisteix en una bombeta de temperatura plena de gas pur, que es pot condensar dins del rang de temperatura. La bombeta de temperatura està connectada al dispositiu de mesura de pressió a través d’un tub capil·lar.

L’avantatge dels termòmetres de pressió de vapor és que tenen una alta sensibilitat dins del rang de temperatura d’aplicació. Per exemple, en el rang de temperatura de 63 ~ 80 K, la sensibilitat dels termòmetres de nitrogen és de 15 ~ 3 kPa/k. De la mateixa manera, els termòmetres de pressió de vapor no requereixen correccions de volum fix o de no idees de gas com els termòmetres de gas de volum constant. Un desavantatge important d’aquest tipus de termòmetre és que l’interval de mesurament de la temperatura és massa petit i que no es pot utilitzar un líquid únic per mesurar totes les temperatures des del líquid fins a la temperatura ambient. Tot i que els termòmetres de pressió de vapor es poden utilitzar per mesurar les temperatures des del punt triple fins al punt crític, aquests termòmetres solen utilitzar -se només per a mesures de temperatura en el rang de pressió de vapor de 5 ~ 250kpa.

La puresa del fluid al termòmetre és crítica i una petita quantitat d’impureses farà que la pressió de vapor es desviï de la relació entre la pressió de vapor saturada i la temperatura de la substància pura. Al mateix temps, cal destacar que el volum fix ha de ser prou petit i que la temperatura de la canonada de connexió no ha de ser inferior a la temperatura del paquet de detecció de temperatura.