Medición de baja temperatura

La medición de baja temperatura en sistemas criogénicos incluye principalmente la medición de la temperatura, la medición del vacío, la medición del nivel de líquido y la medición del flujo.

El estándar unificado internacional para la medición de la temperatura es la Escala de temperatura internacional (ITS). Mi país ha adoptado esta escala de temperatura como la escala nacional de medición de temperatura legal durante muchos años. La escala de temperatura utilizada actualmente es la Escala de temperatura internacional de 1990 (su -1990).

La medición de la temperatura debe seleccionar la herramienta de medición de acuerdo con el rango de la temperatura medida, principalmente el termómetro. Aquí hay varios termómetros de uso común.

1. termómetro de resistencia al metal

La resistividad de un conductor o semiconductor cambia con la temperatura, que es la base de un termómetro de resistencia simple y confiable. Por debajo de 961.78 grados, la escala de temperatura internacional utiliza un termómetro de resistencia al platino. Además del platino, se han utilizado otros materiales como cobre, níquel e indio como materiales de termómetro de resistencia. El níquel es propenso a la deformación a temperatura ambiente, por lo que la resistividad cambia con el tiempo, y la estabilidad del termómetro es pobre. Los termómetros de resistencia al indio tienen una mayor sensibilidad que la resistencia al platino a bajas temperaturas.

Una parte importante de la instalación de un termómetro de resistencia es eliminar el estrés térmico y mecánico, porque el estrés producirá resistencia adicional. Los termómetros de resistencia al platino blindado a menudo se usan en la producción industrial. Estos termómetros generalmente están encapsulados en una cubierta de metal cilíndrica con un diámetro de aproximadamente 4 mm y una longitud de aproximadamente 10 ~ 12 mm.

2. Termómetro de resistencia de semiconductores

Dado que la conductividad de los semiconductores está relacionada con la temperatura, este material puede usarse como un termómetro de resistencia. En condiciones de alta temperatura, la resistividad (la inversa de la conductividad) es proporcional a la función exponencial de la inversa de la temperatura termodinámica, que caracteriza las propiedades conductoras de los semiconductores. En condiciones de baja temperatura, la conducción se debe a la presencia de impurezas (liberar o aceptar electrones).

El termómetro de resistencia de germanio es un termómetro de resistencia de semiconductores ampliamente utilizado, en el que se dopan arsénico, galio o antimonio para obtener las características de resistencia deseadas. Germanio está sellado en una caja de metal y se conectan cuatro cables. El rango de trabajo típico de las resistencias industriales de germanio es entre 1.5 y 100 K. Los termómetros de resistencia de germanio generalmente se calibran en siete puntos de temperatura.

Los termómetros de resistencia al carbono se han utilizado ampliamente como termómetros para una medición de baja temperatura debido a la alta sensibilidad, bajo precio, tamaño pequeño y una curva de temperatura de resistencia relativamente simple de resistencia al carbono.

3. Termocouple termómetro

Los termopares se pueden usar para la medición de la temperatura en el rango de temperatura normal y en entornos de baja temperatura. Se coloca una unión del termopar en la temperatura a medir, y la otra unión se coloca en el entorno de temperatura de referencia. Por ejemplo: usar un baño de hielo como punto de referencia y medir baja temperatura con un termopar, si la resolución de temperatura requerida es aproximadamente 0. 1K, entonces cuando el potencial termoeléctrico medido es 5 mV o superior, el instrumento de medición debe tener una precisión de 1 μV; Si se usa un baño de nitrógeno líquido (o baño de hidrógeno líquido) como punto de referencia, se reducirá el potencial termoeléctrico total. La ventaja de usar un punto de referencia de baja temperatura es que el calor de conducción a lo largo del cable de termopar puede reducirse considerablemente.

La indicación de temperatura se puede determinar convirtiendo el potencial termoeléctrico medido por la relación de la curva de calibración (correspondiente a una cierta temperatura de referencia).

Hay tres termopares comunes de baja temperatura: termopares de cobre-constante (tipo t), níquel-cromo-confonstantan (tipo E) y níquel-cromo-cromo-nickel-silicio (tipo k), que se usan comúnmente en el rango de medición de temperatura de -200} a la temperatura ambiente (o por encima); Las termopares de níquel-cromo-dinter-hierro (la fracción de masa de hierro es del 3%) se pueden usar en el rango de baja temperatura de 10 ~ 180k.

Una desventaja de los termopares es que el potencial termoeléctrico es demasiado pequeño, generalmente en el nivel de milivoltio. Este problema se puede resolver utilizando varios termopares para formar una pila de termopar. El potencial termoeléctrico de la pila termopar es la suma de los potenciales termoeléctricos de las termopares apiladas, es decir, el potencial termoeléctrico de las termopares N es N veces el potencial termoeléctrico de un solo termopar.

La conducción de calor a lo largo del cable de termopar puede causar errores graves en la medición de la temperatura del termopar. Para reducir esta situación, deje que una cierta longitud del cable de termopar pase a través de un entorno isotérmico de baja temperatura (disipador de calor), de modo que el error se reduzca. Además, el uso de un cable de termopar de diámetro muy pequeño también puede reducir en gran medida el error de medición de temperatura.

4. Termómetro de presión de vapor

Los termómetros de presión de vapor miden la temperatura utilizando la propiedad de que la presión de vapor saturada de un líquido es una función fija de la temperatura del líquido en contacto con el vapor. El termómetro consiste en una bombilla de temperatura llena de gas puro, que puede condensarse dentro del rango de temperatura. La bombilla de temperatura está conectada al dispositivo de medición de presión a través de un tubo capilar.

La ventaja de los termómetros de presión de vapor es que tienen una alta sensibilidad dentro del rango de temperatura de aplicación. Por ejemplo, en el rango de temperatura de 63 ~ 80 K, la sensibilidad de los termómetros de nitrógeno es de 15 ~ 3 kPa/K. Del mismo modo, los termómetros de presión de vapor no requieren correcciones para las no idealidades de volumen fijo o de gas como termómetros de gas de volumen constante. Una desventaja importante de este tipo de termómetro es que el rango de medición de temperatura es demasiado pequeño, y no se puede usar un solo líquido para medir todas las temperaturas desde el líquido hasta la temperatura ambiente. Aunque los termómetros de presión de vapor se pueden usar para medir las temperaturas desde el punto triple hasta el punto crítico, estos termómetros generalmente solo se usan para mediciones de temperatura en el rango de presión de vapor de 5 ~ 250kPa.

La pureza del fluido en el termómetro es crítica, y una pequeña cantidad de impurezas hará que la presión de vapor se desvíe de la relación entre la presión de vapor saturada y la temperatura de la sustancia pura. Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que el volumen fijo debe ser lo suficientemente pequeño y la temperatura de la tubería de conexión no debe ser más baja que la temperatura del paquete de detección de temperatura.