Вимірювальні перетворювачі криогенних температур

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту УКРАЇНИ

Харківский національний університет радіоелектроніки

 

 

 

 

 

 

 

Курсова робота на тему:

«Вимірювальні перетворювачі криогенних температур»

 

 

 

 

 

 

 

 

Перевірив:                                                                                         Виконав:

 

студент гр.МІВТ-09-1

 

 

 

 

 

 

 

Харків 2012

    ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………...…...3

1 ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРИОГЕННЫХ                            ТЕМПЕРАТУР………..………………………………………………………4

1.1  Конструктивные исполнения  и термометрические свойства     термисторов………………………………………………………………4

1.2 Медь-константановый термопреобразователь ………………………..6

    1.3 Термопарные преобразователи из сплавов Кондо в паре с

обычными  термоэлектродами. …………………………………………..7

2 Эталоны……………………….……………………………………………10

     2.1  Государственный первичный эталон. ………...………………...……..10

         2.2 Рабочие средства измерительной техники………..…………………...12

     2.3  Погрешностей рабочих средств измерительной техники …………...12

Перечень  ссылок ……………………….…………………………….......14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений, а ее единица — кельвин К — является одной из семи основных единиц, на которых основана Международная система единиц. Согласно статистическим данным около 40 % всех измерений приходятся на температурные .В некоторых отраслях народного хозяйства эта доля значительно выше. Так, в энергетике температурные измерения составляют до 70 % общего количества измерении. Огромное значение имеет температура при контроле, автоматизации и управлении технологическими процессами. Точность соблюдения температурного режима часто определяет не только качество, но и принципиальные возможности применения продукции в определенных целях, например при выращивании полупроводниковых монокристаллов. В современных условиях технологические требования к точности поддержания температуры находятся на уровне высших метрологических достижений.

В 1971 году Международная  академия холода приняла рекомендацию, согласно которой криогенными температурами  следует называть температуры ниже 120 K (температура конденсации природного газа) до температуры 0,7 K (температура  получения жидкого гелия под  вакуумом). Все температуры ниже 0,3 K — это область сверхнизких  температур, для получения которых  используются специальные методы охлаждения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ  ИЗМЕРЕНИЯ КРИОГЕННЫХ           ТЕМПЕРАТУР

 

Характерной особенностью термоэлектрического  метода измерения низких температур является то, что с убыванием температуры  ухудшаются условия генерирования  термоэлектродвижущей силы (ТЭДС).

 

1.1  Конструктивные исполнения  и термометрические свойства  термисторов.

 

Существенными преимуществами термисторов для низких температур являются их высокая чувствительность, малый магниторезистивный эффект и небольшая стоимость, а недостатком — меньшая длительная стабильность.

Исходными материалами для изготовления термисторных датчиков (термисторов) служат окислы никеля и марганца, которые смешивают со связующим веществом в нужном соотношении, прессованием придают нужную форму (как правило, каплевидную, стержневую или пластинчатую) и по металлокерамической технологии спекают при температуре, близкой к точке плавления используемых окислов. Термисторы снабжены двумя электрическими выводами, либо запрессованными, либо припаянными к поверхности.

Общий принцип устройства: чувствительным элементом является платиновая проволока, свитая в тонкую спираль, которая и располагается  на каркасе (рис. 1) — чаще всего на кварцевом. При таком устройстве чувствительного элемента механические натяжения в проволоке после ее отжига минимальны. Кроме того, изготовление элемента в виде спирали позволяет уменьшить длину и диаметр термометра. Материал и форма каркаса могут быть различны: принципиально важно обеспечение надежной изоляции во всем рабочем интервале термометра.  (ZETLAB 7020 TermoTC-485)

Рис. 1 Чувствительный элемент эталонного платинового термометра

 

1 – платиновая проволока Свернутая в спираль;

2 – геликоидальный кварцевый  каркас;

3 – манжетка для укрепления  проводов;

4 – стенка гильзы.

 

 

Низкотемпературные  термисторы можно разделить на две группы, первая из которых предназначена для диапазона температур 4,2—77 К. Термисторы, принадлежащие к первой группе, изготовляются только из окислов металлов. Термисторы второй группы (для уменьшения их электрического сопротивления до удобного значения) легируют примесями. У термисторов первой группы сопротивление меняется с температурой экспоненциально, причем температурный коэффициент сопротивления отрицателен. У термисторов второй группы зависимость сопротивления от температуры тоже экспоненциальная, но температурный коэффициент сопротивления отрицателен только в области низких температур, а при более высоких температурах знак его может измениться, и зависимость R(T) приближается к линейной, как это показано на рис. 1.1

 

 

 

 

 

  Рис. 1.1 Типичная зависимость  сопротивления R от температуры  Т  для термистора, легированного примесями.

 

 

       1.2 Медь-константановый термопреобразователь

 

Медь-константановый термопреобразователь в практике измерения низких температур получил наиболее широкое применение. Условное обозначение номинальных статических характеристик (НСХ) преобразования в соответствии с ДСТУ 2837-94. В отличие от электродов из чистых металлов сплавы часто выходят за рамки требований по однородности, предъявляемых к термоэлектродам. Особенно это относится к константану, выбор которого для измерения низких температур требует особой тщательности и внимания. Для термопреобразователей пригоден только термопарный константан. Обычная электротехническая медь удовлетворяет требованиям по однородности. ТЭДС медь-константанового термопреобразователя убывает с температурой и при 20 К становится меньше 5 мкВ/К. При температурах ниже тройной точки водорода (13,81 К) используются сплавы Кондо, значительно более эффективные, чем медь-константановые термопреобразователи в диапазоне температур 2 -20 К.

(ТСМ/1-1187)

 

 

 

Рис. 1.2  Медный термопреобразователь сопротивления

 

 

 

 

 

 

1.3 Термопарные преобразователи из сплавов Кондо в паре с обычными        термоэлектродами.

 

 Такие термопреобразователи эффективны при измерениях температур ниже тройной точки водорода. Сплавы Кондо представляют твердые растворы, в которых в обыкновенном металле в очень небольших количествах растворены переходные или редкоземельные металлы. Молярное содержание растворов составляет от нескольких тысячных до нескольких десятых долей процента. Для них характерна очень большая по сравнению со всеми остальными металлами и сплавами ТЭДС. Наиболее исследованы растворы железа, кобальта, марганца, серебра, меди. На рис. 1.3 и 1.4 представлены температурные зависимости полной и дифференциальной ТЭДС для термопар, которые составлены из термоэлектродов, изготовленных из сплава золота и кобальта (молярное содержание 2,1 %), и других металлов.

 

 Рисунок 1.3 – Зависимость интегральной ТЭДС Au - 21 % Co: I – в паре с серебром; II – в паре с медью; III – в паре с хромелем от температуры .

 

 

 

Рисунок 1.4 – Зависимость дифференциальной ТЭДС Au - 21 % Co:

I – в паре с серебром; II – в паре с медью; III – в  паре с хромелем от температуры .

 

В соответствии с ДСТУ 3622-97 при измерении «гелиевых» и «водородных» температур наиболее применим термопреобразователь, в котором один из термоэлектродов изготовлен из сплава золота и железа (молярное содержание 0,07 %). На рис. 1.5 представлена температурная зависимость интегральной ТЭДС такого термоэлектрода в паре с медью и хромелем, на рис. 1.6 — температурная зависимость чувствительности этого термопреобразователя.

Невоспроизводимость значений Е(Т), связанная с повторением циклов охлаждения, не превышает ± 0,01 % при измерении «гелиевых» температур и уменьшается с повышением температуры .

Разброс значений ТЭДС для 15 произвольно выбранных термоэлектродов одной и той же катушки имеет наибольшее значение при 4,2 К и соответствует   ± 0,2 % .

Для измерений в диапазоне  температур 1 .80 К рекомендуются термопреобразователи, у которых электроды изготовлены из сплавов серебро-золото (молярное содержание 0,37 %) и золото-железо (молярное содержание 0,03 %) в соответствии с ДСТУ 2857-94 . С понижением температуры чувствительность повышается и составляет 10 мкВ/К при 2 К, 14 мкВ/К при 10 К и 8 мкВ/К при 40 К. При индивидуальном установлении номинальной статической характеристики ее погрешность достигает 0,1 К в соответствии с ДСТУ 2837-94 .

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.5 – Зависимость интегральной ТЭДС Au – 0,07 % Fe: I – в паре с медью; II – в паре с хромелем от температуры.

 

Для измерения низких температур разрабатываются термоэлектроды на основе сплавов из неблагородных металлов. Перспективным является термоэлектрод из сплава меди с железом. Термопреобразователи, имеющие такие термоэлектроды, по метрологическим характеристикам уступают термопреобразователям, у которых термоэлектроды изготовлены из сплава золота с железом, но более доступны. Кроме того, зарубежные фирмы выпускают термопреобразователи типа железо-константанового термопреобразователя с условным обозначением НСХ преобразования железо-константан (ЖК) с термоэлектродами железо и сплав константан (55 % Сu + 45 % Ni, Мn, Fе) для диапазона измеряемых температур -200…+700 ºС (73…973 К). Для измерения температуры в промышленности широкое распространение получили преобразователи с условным обозначением НСХ преобразования хромель-копель (ХК).

 

 

 

 

 

Рисунок 1.6 – Зависимость дифференциальной ТЭДС Au – 0,07 % Fe: I – в паре с медью; II – в паре с хромелем от температуры.

 

2 Эталоны

 

  Государственная поверочная схема средств измерений температуры в диапазоне от 13,8 К до 303 К изложена в соответствии с ДСТУ 3742-98.

 

        2.1  Государственный первичный эталон

 

 В соответствии с ДСТУ 3194-95 государственный первичный эталон единицы температуры Кельвина в диапазоне от 13,80 до 273,16 К предназначен для воспроизведения, хранения единицы температуры и передачи ее размера при помощи вторичных эталонов и рабочих эталонов рабочим средствам измерительной техники с целью обеспечения единства измерений в стране.             В основу измерений температуры в диапазоне от 13,8 до 273,16 К должна быть положена единица, воспроизводимая указанным эталоном.

В соответствии с ДСТУ 3742-98 государственный первичный эталон состоит из комплекса следующих средств измерительной техники:

— аппаратура для воспроизведения  реперных точек МТШ-90 в диапазоне  температур от 13,80 до 273,16 К;

— группа термопреобразователей сопротивления;

— криостат-компаратор;

— установка для измерений  сопротивления термопреобразователей;

— персональная электронно-вычислительная машина.

Государственный первичный  эталон воспроизводит значения температуры  в диапазоне от 13,80 до 273,16 К.

По ДСТУ 3742-98 государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы температуры со средним квадратическим отклонением результатов измерений S=(5·10^-4-1·10^-3) К при 10 независимых наблюдениях и с неисключенной систематической погрешностью

 θ= (1·10^-3 -3·10^-3) К.

Характеристики воспроизведения  единицы температуры государственным  первичным эталоном в реперных точках приведены в табл. 2.1

В соответствии с ДСТУ 3194-95 для обеспечения воспроизведения единицы температуры с указанной точностью должны быть соблюдены правила хранения и применения эталона, утвержденные.

Государственный первичный  эталон применяют для передачи размера  единицы температуры вторичным  рабочим эталонам методами непосредственного  сличения, прямых измерений и градуировки  в реперных точках температуры в  соответствии с ДСТУ 2708-99.

 

Таблица 2.1 — Характеристики воспроизведения единицы температуры  государственным первичным эталоном в реперных точках

 

Вещество	Температура		Погрешность, K
	ͦC	K	S	ϴ
H2 (тр)	-259,3467	13,8033	(1-2)·10-4	(2-4)·10-4
Ne (тр)	-248,5939	24,556	(2-4)·10-4	(3-6)·10-4
O2 (тр)	-218,7916	54,3584	(1-2)·10-4	(2-4)·10-4
Ar (тр)	-189,3442	83,8058	(1-2)·10-4	(2-4)·10-4
Hg (тр)	-38,8344	234,315	(1-2)·10-4	(2-4)·10-4
H2O (тр)	0,01	273,16	(0,5-1)·10-4	(1-2)·10-4