基于低温制冷机和热开关的低温温度计全自动标定系统

发布时间：2020-04-17 07:21

【摘要】：随着低温物理研究、低温医疗及航空航天工程的快速发展,对于低温温度传感器的需求也日益增加,而为了达到一定的测量精度,低温温度计在应用之前通常需要对其进行标定。目前的低温温度计标定系统大多使用低温液体恒温器作为冷源,其降温时间慢,控温周期长,系统不封闭,并且需要持续消耗液氦、液氮等低温流体,具有标定效率很低及标定成本较高等缺点。而G-M、脉管等小型低温制冷机具有结构紧凑简单、低温获取方便、运行持续时间长、制作技术成熟等特点,最低制冷温度可达3 K以下,在温度标定应用上具有独特的优势。与低温流体恒温器相比,采用小型低温制冷机作为冷源的标定系统还具有等温载体降温时间快、控温稳定时间短、运行成本很低等优点。本文从提高温度计标定精度、标定效率及降低标定成本的角度出发,设计并搭建了一套以两级G-M低温制冷机为冷源的全自动低温温度计标定系统,同时结合低温热开关技术,克服了G-M制冷机温度计标定系统温度波动大、可控温区窄等不足,进一步提高了系统标定精度。通过对该标定系统工作性能方面的研究,获得以下结果:(1)增加制冷机冷头和等温载体之间的传热热阻,可以有效降低冷头自身温度波动对等温载体温度稳定性的影响,传热热阻越大,对温度波动的抑制效果越好,等温载体温度稳定性的提高有利于提升温度计标定精度。传热热阻增大带来温度波动抑制效果的同时,以牺牲降温速度为代价。(2)以针对一支渗碳陶瓷温度计的标定为例,对比稳态标定与动态标定结果,发现稳态控温标定具有更高的标定精度,而动态标定方式由于在温升较快的情况下,很难实现准静态升温过程,容易造成一定的标定偏差。因此,在条件允许的情况下,应优先考虑使用稳态控温方式对温度计进行标定。(3)虽然热阻可以抑制温度波动,但热阻过大导致等温载体降温速度极慢,将低温热开关技术应用于温度计标定系统,可有效解决降温时间和控温稳定性之间的矛盾。所研制的电磁驱动式热开关,可以实现全温区的主动控制。在系统降温阶段,闭合热开关,系统可在2h之内由室温降至4.2K以下;断开热开关后,在等温载体与制冷机冷头之间热阻明显增大,热端仅需1.6W的加热功率便可将恒温块控温至280K。该热开关热端温度在50K时的闭合及断开传热系数分别为1.5W/K和1.2 mW/K,开关比达1250。(4)在大温区范围对低温温度计进行标定时,所需稳态控温点众多,且每个控温点均需要一定时间达到稳态,靠人力手动实施标定工作极为不便。本文通过LabVIEW程序实现了低温温度计标定的全自动过程,通过计算机自动完成目标温度输入、多通道数据采集、稳态控温、数据处理、报表输出等一体化标定流程,大大降低了人力消耗,从而在一定程度上降低了温度计标定成本,提高了标定效率。(5)将系统各部分整合后,以Cernox X78651标准温度计为参照对三只不同类型的温度计进行了标定,所标定的铂电阻温度计在30~300K温区的标定精度为20mK;渗碳陶瓷温度计与二极管温度计在10K以下均具有更高的标定精度,为3mK;在10K以上,渗碳陶瓷温度计的标定精度为50mK,二极管温度计的标定精度为75mK。同时,评估仪器测量误差和方程拟合误差对该系统标定精度的贡献,指出提高测量仪器测量水平可以有效提高系统标定精度。
【图文】：

低温温度计,标定原理,比较法

量始终是低温领域重要的一部分，随着航空量需求也将日益增加，这也对温度计标定系度、高效率低温温度计标定系统的研制对于利于促进低温领域工业及研究的发展。定系统概述定方法持温标，通常由权威计量机构，如 NIST（nology），溯源得到的标准温度传感器对其他温度计标定方法多为比较法，即将待标温度温载体上，在等温载体温度达到稳态后，得温度计示值（温度）之间的一一对应关系，，体通常选用具有较高热扩散系数的金属，如图。

温度基准,中国科学,计量研究,国家

图1-2 为中国科学计量研究院 13.8033~273.16K 国家温度基准装置。图 1- 2 中国科学计量研究院 13.8033~273.16K 国家温度基准装置Fig.1- 2 13.8033~273.16K temperature benchmark device of Chinese Academy of ScientificMetrology
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB65

【参考文献】