اندازه گیری دمای پایین

اندازه گیری دمای پایین در سیستم های کرایوژنیک به طور عمده شامل اندازه گیری دما ، اندازه گیری خلاء ، اندازه گیری سطح مایع و اندازه گیری جریان است.

استاندارد بین المللی یکپارچه برای اندازه گیری دما ، مقیاس بین المللی دما (ITS) است. کشور من این مقیاس دما را به عنوان مقیاس ملی اندازه گیری دمای قانونی برای سالها اتخاذ کرده است. مقیاس دما که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد ، مقیاس دمای بین المللی 1990 است ({1}} آن).

اندازه گیری دما باید ابزار اندازه گیری را با توجه به دامنه دمای اندازه گیری شده ، عمدتا دماسنج انتخاب کند. در اینجا چندین دماسنج متداول وجود دارد.

1. دماسنج مقاومت در برابر فلز

مقاومت یک هادی یا نیمه هادی با دما تغییر می کند ، که اساس یک دماسنج مقاومت ساده و قابل اعتماد است. در زیر 961.78 درجه ، مقیاس دما بین المللی از دماسنج مقاومت در برابر پلاتین استفاده می کند. علاوه بر پلاتین ، سایر مواد مانند مس ، نیکل و ایندیم به عنوان مواد دماسنج مقاومت استفاده شده است. نیکل مستعد تغییر شکل در دمای اتاق است ، بنابراین مقاومت با گذشت زمان تغییر می کند و پایداری دماسنج ضعیف است. دماسنجهای مقاومت در برابر ایندیم نسبت به مقاومت پلاتین در دمای پایین حساسیت بالاتری دارند.

بخش مهمی از نصب دماسنج مقاومت ، از بین بردن استرس حرارتی و مکانیکی است ، زیرا استرس مقاومت بیشتری ایجاد می کند. دماسنجهای مقاومت به پلاتین زره پوش اغلب در تولید صنعتی استفاده می شود. این دماسنج ها معمولاً در یک پوسته فلزی استوانه ای با قطر حدود 4 میلی متر و طول حدود 10 ~ 12 میلی متر محصور می شوند.

2. دماسنج مقاومت نیمه هادی

از آنجا که هدایت نیمه هادی ها به دما مربوط می شود ، این ماده می تواند به عنوان یک دماسنج مقاومت استفاده شود. در شرایط دمای بالا ، مقاومت (معکوس رسانایی) متناسب با عملکرد نمایی معکوس دمای ترمودینامیکی است ، که خصوصیات رسانایی نیمه هادی ها را مشخص می کند. در شرایط دمای پایین ، هدایت به دلیل وجود ناخالصی ها (آزاد کردن یا پذیرش الکترون) است.

دماسنج مقاومت در برابر ژرمانیوم یک دماسنج مقاومت در برابر نیمه هادی است که در آن آرسنیک ، گالیم یا آنتیموان برای به دست آوردن خصوصیات مقاومت مورد نظر دوپ شده است. ژرمانیوم در یک جعبه فلزی مهر و موم شده و چهار سرب به هم وصل می شوند. دامنه کار معمولی مقاومتهای ژرمانیوم صنعتی بین 1.5 تا 100 کیلوگرم است. دماسنجهای مقاومت ژرمانیم معمولاً در هفت نقطه دما کالیبره می شوند.

دماسنجهای مقاومت در برابر کربن به دلیل حساسیت بالا ، قیمت پایین ، اندازه کوچک و منحنی دمای مقاومت نسبتاً ساده مقاومت کربن به طور گسترده ای به عنوان دماسنج برای اندازه گیری دمای پایین مورد استفاده قرار گرفته است.

دماسنج ترموکوپل

از ترموکوپل ها می توان برای اندازه گیری دما در محدوده دمای طبیعی و در محیط های دمای پایین استفاده کرد. یک محل اتصال ترموکوپل در دمای اندازه گیری قرار می گیرد و محل اتصال دیگر در محیط دمای مرجع قرار می گیرد. به عنوان مثال: استفاده از یک حمام یخ به عنوان یک نقطه مرجع و اندازه گیری دمای پایین با یک ترموکوپل ، اگر وضوح دمای مورد نیاز در مورد {0}}} 1k باشد ، پس از پتانسیل ترموالکتریک اندازه گیری شده 5mV یا بالاتر ، ابزار اندازه گیری باید دقت 1μV داشته باشد. اگر از حمام نیتروژن مایع (یا حمام هیدروژن مایع) به عنوان یک نقطه مرجع استفاده شود ، کل پتانسیل ترموالکتریک کاهش می یابد. مزیت استفاده از یک نقطه مرجع دمای پایین این است که گرمای هدایت در امتداد سیم ترموکوپل را می توان به شدت کاهش داد.

نشانه دما را می توان با تبدیل پتانسیل ترموالکتریک اندازه گیری شده توسط رابطه منحنی کالیبراسیون (مربوط به دمای مرجع خاص) تعیین کرد.

سه ترموکوپل با دمای کم درجه حرارت کم وجود دارد: مس-کنتین (نوع T) ، نیکل-کروم-کنتراستان (نوع E) و نیکل کروم-نیکل-سیلیکون (نوع K) ترموکوپل ها ، که معمولاً در محدوده اندازه گیری دما از درجه 7 درجه} درجه برای دمای Ambient (یا بالاتر) استفاده می شوند. نیکل کروم-طلایی آهن (کسر جرم آهن 3 ٪ است) ترموکوپل ها را می توان در محدوده دمای پایین 180 ~ 180k استفاده کرد.

یکی از مضرات ترموکوپل ها این است که پتانسیل ترموالکتریک بسیار کوچک است ، معمولاً در سطح میلی ولت. این مشکل را می توان با استفاده از چندین ترموکوپل برای تشکیل شمع ترموکوپل حل کرد. پتانسیل ترموالکتریک شمع ترموکوپل ، مجموع پتانسیل های ترموالکتریک ترموکوپل های انباشته شده است ، یعنی پتانسیل ترموالکتریک ترموکوپل های N برابر N برابر پتانسیل ترموالکتریک یک ترموکوپل واحد است.

هدایت گرما در امتداد سیم ترموکوپل ممکن است در اندازه گیری دمای ترموکوپل خطاهای جدی ایجاد کند. برای کاهش این وضعیت ، اجازه دهید طول مشخصی از سیم ترموکوپل از محیط ایزوترمال دمای پایین تر (سینک گرما) عبور کند تا خطا کاهش یابد. علاوه بر این ، استفاده از یک سیم ترموکوپل با قطر بسیار کوچک نیز می تواند خطای اندازه گیری دما را تا حد زیادی کاهش دهد.

دماسنج فشار بخار

دماسنجهای فشار بخار دما را با استفاده از خاصیتی که فشار بخار اشباع شده یک مایع یک عملکرد ثابت از دمای مایع در تماس با بخار است ، اندازه گیری می کنند. دماسنج از یک لامپ دما پر از گاز خالص تشکیل شده است که می تواند در محدوده دما متراکم شود. لامپ دما از طریق یک لوله مویرگی به دستگاه اندازه گیری فشار وصل می شود.

مزیت دماسنج فشار بخار این است که آنها در محدوده دمای کاربرد حساسیت بالایی دارند. به عنوان مثال ، در محدوده دما از 80 ~ 80 K ، حساسیت دماسنج های نیتروژن 3 kpa/k 15 kpa/k است. به طور مشابه ، دماسنجهای فشار بخار نیازی به تصحیح برای حجم ثابت یا عدم تحرک گاز مانند دماسنجهای گاز با حجم ثابت ندارند. یک نقطه ضعف اصلی این نوع دماسنج این است که دامنه اندازه گیری دما بسیار کوچک است و از یک مایع منفرد برای اندازه گیری تمام دما از مایع HE تا دمای محیط استفاده نمی شود. اگرچه از دماسنجهای فشار بخار می توان برای اندازه گیری درجه حرارت از نقطه سه گانه به نقطه بحرانی استفاده کرد ، اما این دماسنج ها معمولاً فقط برای اندازه گیری دما در محدوده فشار بخار از 250 کیلوگرم 5 50 کیلوگرم استفاده می شوند.

خلوص مایع در دماسنج بسیار مهم است و مقدار کمی از ناخالصی ها باعث می شود فشار بخار از رابطه بین فشار بخار اشباع و دمای ماده خالص منحرف شود. در عین حال ، لازم به ذکر است که حجم ثابت باید به اندازه کافی کوچک باشد و دمای لوله اتصال نباید از دمای بسته سنجش دما پایین تر باشد.