מדידת טמפרטורה נמוכה

מדידת טמפרטורה נמוכה במערכות קריוגניות כוללת בעיקר מדידת טמפרטורה, מדידת ואקום, מדידת רמת נוזלים ומדידת זרימה.

התקן המאוחד הבינלאומי למדידת טמפרטורה הוא סולם הטמפרטורות הבינלאומי (ITS). המדינה שלי אימצה את סולם הטמפרטורות הזה כסולם מדידת הטמפרטורה הסטטוטורית הלאומית במשך שנים רבות. סולם הטמפרטורה המשמש כיום הוא סולם הטמפרטורה הבינלאומי משנת 1990 (-1990).

מדידת טמפרטורה חייבת לבחור את כלי המדידה בהתאם לטווח הטמפרטורה הנמדדת, בעיקר המדחום. להלן מספר מדחומים נפוצים.

1. מדחום התנגדות מתכת

ההתנגדות של מוליך או מוליכים למחצה משתנה עם הטמפרטורה, שהיא הבסיס של מדחום התנגדות פשוט ואמין. מתחת ל 961.78 מעלות, סולם הטמפרטורה הבינלאומי משתמש במדחום עמידות בפני פלטינה. בנוסף לפלטינה, חומרים אחרים כמו נחושת, ניקל ואינדיום שימשו כחומרים מדחום התנגדות. ניקל נוטה לעיוות בטמפרטורת החדר, כך שההתנגדות משתנה לאורך זמן, ויציבות המדחום ירודה. למדרום עמידות בפני אינדיום יש רגישות גבוהה יותר מאשר עמידות לפלטינה בטמפרטורות נמוכות.

חלק חשוב בהתקנת מדחום התנגדות הוא לחסל לחץ תרמי ומכני, מכיוון שהמתח יביא עמידות נוספת. מטחנים עמידות בפני פלטינה משוריינים משמשים לרוב בייצור תעשייתי. מדחומטרים אלה מכוסים בדרך כלל במעטפת מתכת גלילית בקוטר של כ -4 מ"מ ואורך של בערך 10 ~ 12 מ"מ.

2. מדחום התנגדות מוליכים למחצה

מכיוון שהמוליכות של מוליכים למחצה קשורה לטמפרטורה, חומר זה יכול לשמש כמדחום התנגדות. בתנאי טמפרטורה גבוהים, ההתנגדות (הפוך המוליכות) היא פרופורציונלית לתפקוד האקספוננציאלי של ההפוך של הטמפרטורה התרמודינמית, המאפיינת את התכונות המוליכות של מוליכים למחצה. בתנאי טמפרטורה נמוכים, הולכה נובעת מנוכחות זיהומים (שחרור או קבלת אלקטרונים).

מדחום התנגדות לגרמניום הוא מדחום עמידות למוליכים למחצה הנמצאים בשימוש נרחב, בו מסוממים מסוממים ארסן, גליום או אנטימון כדי להשיג את מאפייני ההתנגדות הרצויים. גרמניום אטום בתיבת מתכת וארבעה לידים מחוברים. טווח העבודה האופייני של נגדי גרמניום תעשייתי הוא בין 1.5 ל 100 ק"ק. מדחומטרים עמידות בפני גרמניום מכוילים בדרך כלל בשבע נקודות טמפרטורה.

מדחומטרים עמידות בפני פחמן שימשו באופן נרחב כמדחומים למדידת טמפרטורה נמוכה בגלל הרגישות הגבוהה, מחיר נמוך, גודל קטן ועקומת טמפרטורת התנגדות יחסית יחסית של עמידות בפני פחמן.

3. מדחום צמד תרמי

ניתן להשתמש בצמד תרמי למדידת טמפרטורה בטווח הטמפרטורה הרגיל ובסביבות טמפרטורה נמוכה. צומת אחד של הצמד התרמי ממוקם בטמפרטורה שיש למדוד, והצומת השני ממוקם בסביבת טמפרטורת ההתייחסות. לדוגמא: שימוש באמבט קרח כנקודת התייחסות ומדידת טמפרטורה נמוכה עם צמד תרמי, אם רזולוציית הטמפרטורה הנדרשת היא בערך 0. 1K, אז כאשר הפוטנציאל התרמו -אלקטרי המדוד הוא 5MV ומעלה, על מכשיר המדידה להיות בעל דיוק של 1 מיקרוואט; אם אמבט חנקן נוזלי (או אמבט מימן נוזלי) משמש כנקודת התייחסות, הפוטנציאל התרמו -אלקטרוני הכולל יופחת. היתרון בשימוש בנקודת התייחסות בטמפרטורה נמוכה הוא שניתן להפחית מאוד את חום ההולכה לאורך חוט הצמד התרמי.

ניתן לקבוע את האינדיקציה לטמפרטורה על ידי המרת הפוטנציאל התרמו -אלקטרוני שנמדד על ידי יחסי עקומת הכיול (המתאימה לטמפרטורת התייחסות מסוימת).

ישנן שלוש צמד תרמי נפוץ בטמפרטורה נמוכה: נחושת-קונסטנטנית (סוג T), ניקל-כרומיום-קונסטנטן (סוג E), וניקל-כרום-ניקל-סיליקון (סוג k) תרמי תרמי, המשמשים בדרך כלל בטווח מדידת הטמפרטורה של {} 7}} מעלה לטמפרטורה (או מעל); ניתן להשתמש בציפולים תרמיים של כרום-זהב-ברזל (שבריר מסת הברזל הוא 3%) צמד תרמי בטווח הטמפרטורה הנמוך של 10 ~ 180K.

חסרון אחד של צמד תרמי הוא שהפוטנציאל התרמו -אלקטרוני קטן מדי, בדרך כלל ברמת המיליוולט. ניתן לפתור בעיה זו באמצעות מספר צמד תרמי ליצירת ערימת צמד תרמי. הפוטנציאל התרמו -אלקטרי של ערימת הצמד התרמי הוא סכום הפוטנציאלים התרמו -אלקטריים של צמד התרמי המוערך, כלומר הפוטנציאל התרמו -אלקטרוני של צמד תרמי N הוא N פעמים מהפוטנציאל התרמו -אלקטרוני של צמד תרמי יחיד.

הולכת החום לאורך חוט הצמד התרמי עלולה לגרום לטעויות חמורות במדידת טמפרטורת הצמד התרמי. כדי להפחית את המצב הזה, תן לאורך מסוים של חוט צמד תרמי לעבור דרך סביבה איזותרמית בטמפרטורה נמוכה יותר (גוף חום), כך שהשגיאה תקטן. בנוסף, השימוש בחוט צמד תרמי בקוטר קטן מאוד יכול גם להפחית מאוד את שגיאת מדידת הטמפרטורה.

4. מדחום לחץ אדים

מדחומי לחץ אדים מודדים את הטמפרטורה על ידי שימוש במאפיין כי לחץ האדים הרווי של נוזל הוא פונקציה קבועה של הטמפרטורה של הנוזל במגע עם האדים. המדחום מורכב מנורת טמפרטורה מלאה בגז טהור, שניתן להתעבה בטווח הטמפרטורה. נורת הטמפרטורה מחוברת למכשיר מדידת הלחץ דרך צינור נימי.

היתרון של מדחומי לחץ אדים הוא שיש להם רגישות גבוהה בטווח טמפרטורת היישום. לדוגמה, בטווח הטמפרטורות של 63 ~ 80 K, הרגישות של חום חנקן הוא 15 ~ 3 kPa/k. באופן דומה, מדחומי לחץ אדים אינם דורשים תיקונים לנפח קבוע או אי-אידיאלי גז כמו מדחומי גז בנפח קבוע. החיסרון העיקרי של מדחום מסוג זה הוא שטווח מדידת הטמפרטורה קטן מדי, ולא ניתן להשתמש בנוזל בודד למדידת כל הטמפרטורות מהנוזל HE לטמפרטורת הסביבה. למרות שניתן להשתמש במדחומי לחץ אדים למדידת טמפרטורות מהנקודה המשולשת לנקודה הקריטית, בדרך כלל משמשים מדחומים אלה רק למדידות טמפרטורה בטווח לחץ האדים של 5 ~ 250kPa.

טוהר הנוזל במדחום הוא קריטי, וכמות קטנה של זיהומים תגרום ללחץ האדים לסטות מהקשר בין לחץ האדים הרווי לטמפרטורת החומר הטהור. יחד עם זאת, יש לציין כי הנפח הקבוע צריך להיות קטן מספיק והטמפרטורה של צינור החיבור לא צריכה להיות נמוכה מהטמפרטורה של חבילת חישת הטמפרטורה.