Đo nhiệt độ thấp

Đo nhiệt độ thấp trong các hệ thống gây lạnh chủ yếu bao gồm đo nhiệt độ, đo độ chân không, đo mức chất lỏng và đo lưu lượng.

Tiêu chuẩn thống nhất quốc tế để đo nhiệt độ là thang đo nhiệt độ quốc tế (ITS). Đất nước của tôi đã áp dụng thang đo nhiệt độ này làm thang đo nhiệt độ theo luật định quốc gia trong nhiều năm. Thang đo nhiệt độ hiện được sử dụng là thang đo nhiệt độ quốc tế năm 1990 (-1990)).

Đo nhiệt độ phải chọn công cụ đo theo phạm vi của nhiệt độ đo được, chủ yếu là nhiệt kế. Dưới đây là một số nhiệt kế thường được sử dụng.

1. Nhiệt kế điện trở kim loại

Điện trở suất của dây dẫn hoặc chất bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ, đây là cơ sở của nhiệt kế điện trở đơn giản và đáng tin cậy. Dưới 961,78 độ, thang đo nhiệt độ quốc tế sử dụng nhiệt kế điện trở bạch kim. Ngoài bạch kim, các vật liệu khác như đồng, niken và indium đã được sử dụng làm vật liệu nhiệt kế điện trở. Niken dễ bị biến dạng ở nhiệt độ phòng, vì vậy điện trở suất thay đổi theo thời gian và độ ổn định của nhiệt kế kém. Nhiệt kế điện trở indi có độ nhạy cao hơn điện trở bạch kim ở nhiệt độ thấp.

Một phần quan trọng của việc lắp đặt nhiệt kế điện trở là loại bỏ ứng suất nhiệt và cơ học, bởi vì ứng suất sẽ tạo ra điện trở bổ sung. Nhiệt kế kháng bạch kim bọc thép thường được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Những nhiệt kế này thường được gói gọn trong vỏ kim loại hình trụ có đường kính khoảng 4mm và chiều dài khoảng 10 ~ 12 mm.

2. Nhiệt kế điện trở bán dẫn

Vì độ dẫn của chất bán dẫn có liên quan đến nhiệt độ, vật liệu này có thể được sử dụng làm nhiệt kế điện trở. Trong điều kiện nhiệt độ cao, điện trở suất (nghịch đảo của độ dẫn) tỷ lệ thuận với chức năng theo cấp số nhân của nghịch đảo của nhiệt độ nhiệt động, đặc trưng cho các tính chất dẫn của chất bán dẫn. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, sự dẫn truyền là do sự hiện diện của tạp chất (phát hành hoặc chấp nhận các electron).

Nhiệt kế kháng Germanium là nhiệt kế điện trở bán dẫn được sử dụng rộng rãi, trong đó arsenic, gallium hoặc antimon được pha tạp để có được các đặc tính kháng mong muốn. Germanium được niêm phong trong một hộp kim loại và bốn khách hàng tiềm năng được kết nối. Phạm vi làm việc điển hình của các điện trở Germanium công nghiệp nằm trong khoảng từ 1,5 đến 100 K. Điện trở điện trở Germanium thường được hiệu chuẩn ở bảy điểm nhiệt độ.

Nhiệt kế điện trở carbon đã được sử dụng rộng rãi làm nhiệt kế để đo nhiệt độ thấp do độ nhạy cao, giá thấp, kích thước nhỏ và đường cong nhiệt độ điện trở tương đối đơn giản của điện trở carbon.

3. Nhiệt kế cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện có thể được sử dụng để đo nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ bình thường và trong môi trường nhiệt độ thấp. Một điểm nối của cặp nhiệt điện được đặt trong nhiệt độ để đo và điểm nối khác được đặt trong môi trường nhiệt độ tham chiếu. Ví dụ: sử dụng bể nước đá làm điểm tham chiếu và đo nhiệt độ thấp bằng cặp nhiệt điện, nếu độ phân giải nhiệt độ cần thiết là khoảng 0. Nếu bể nitơ lỏng (hoặc tắm hydro lỏng) được sử dụng làm điểm tham chiếu, tổng tiềm năng nhiệt điện sẽ giảm. Ưu điểm của việc sử dụng điểm tham chiếu nhiệt độ thấp là nhiệt dẫn dọc theo dây cặp nhiệt điện có thể giảm đáng kể.

Chỉ định nhiệt độ có thể được xác định bằng cách chuyển đổi điện thế đo được đo bằng mối quan hệ đường cong hiệu chuẩn (tương ứng với nhiệt độ tham chiếu nhất định).

Có ba cặp nhiệt độ nhiệt độ thấp phổ biến: Copper-Constantan (loại T), Niken-Chromium-Constantan (loại E) và các cặp nhiệt điện Niken-nhiễm sắc thể (loại K), thường được sử dụng trong phạm vi đo nhiệt độ -200}}} Niken-chromium-Gold-Iron (phần khối lượng sắt là 3%) cặp nhiệt điện có thể được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ thấp là 10 ~ 180K.

Một nhược điểm của các cặp nhiệt điện là tiềm năng nhiệt điện quá nhỏ, thường ở mức millivolt. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một số cặp nhiệt điện để tạo thành một đống cặp nhiệt điện. Tiềm năng nhiệt điện của đống cặp nhiệt điện là tổng của các điện thế nhiệt điện của các cặp nhiệt điện xếp chồng lên nhau, nghĩa là tiềm năng nhiệt điện của n cặp nhiệt điện n là điện thế nhiệt điện của một cặp nhiệt điện.

Việc dẫn nhiệt dọc theo dây cặp nhiệt điện có thể gây ra lỗi nghiêm trọng trong phép đo nhiệt độ cặp nhiệt điện. Để giảm tình huống này, hãy để một chiều dài nhất định của dây nhiệt điện đi qua môi trường đẳng nhiệt nhiệt độ thấp hơn (tản nhiệt), do đó sẽ giảm lỗi. Ngoài ra, việc sử dụng một dây cặp nhiệt điện có đường kính rất nhỏ cũng có thể làm giảm đáng kể lỗi đo nhiệt độ.

4. Nhiệt kế áp suất hơi

Nhiệt kế áp suất hơi đo nhiệt độ bằng cách sử dụng tính chất mà áp suất hơi bão hòa của chất lỏng là một hàm cố định của nhiệt độ của chất lỏng tiếp xúc với hơi. Nhiệt kế bao gồm một bóng đèn nhiệt độ chứa đầy khí tinh khiết, có thể được ngưng tụ trong phạm vi nhiệt độ. Bóng đèn nhiệt độ được kết nối với thiết bị đo áp suất thông qua ống mao quản.

Ưu điểm của nhiệt kế áp suất hơi là chúng có độ nhạy cao trong phạm vi nhiệt độ ứng dụng. Ví dụ, trong phạm vi nhiệt độ 63 ~ 80 K, độ nhạy của nhiệt kế nitơ là 15 ~ 3 kPa/k. Tương tự, nhiệt kế áp suất hơi không yêu cầu hiệu chỉnh cho thể tích cố định hoặc không phải khí không có nhiệt như nhiệt kế khí thể tích không đổi. Một nhược điểm chính của loại nhiệt kế này là phạm vi đo nhiệt độ quá nhỏ và một chất lỏng duy nhất không thể được sử dụng để đo tất cả các nhiệt độ từ chất lỏng HE đến nhiệt độ xung quanh. Mặc dù nhiệt kế áp suất hơi có thể được sử dụng để đo nhiệt độ từ điểm ba đến điểm tới hạn, nhưng các nhiệt kế này thường chỉ được sử dụng để đo nhiệt độ trong phạm vi áp suất hơi là 5 ~ 250kpa.

Độ tinh khiết của chất lỏng trong nhiệt kế là rất quan trọng, và một lượng nhỏ tạp chất sẽ làm cho áp suất hơi lệch khỏi mối quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ của chất tinh khiết. Đồng thời, cần lưu ý rằng khối lượng cố định phải đủ nhỏ và nhiệt độ của đường ống kết nối không nên thấp hơn nhiệt độ của gói cảm biến nhiệt độ.