基本介紹
- 中文名：低溫計
- 外文名：cryometer
- 用途：用來測量較低溫度
- 屬性：測溫工具
簡介,分類,1.電阻式溫度計,2.二極體溫度計,3.熱電偶,4.其他類型低溫溫度計,溫度計穩定性篩選,1.溫度計長期穩定性,2.溫度計熱衝擊穩定性,低溫溫度計的標定,套用與發展,
簡介
低溫計，用來測量極較的溫度。在低溫的套用中，尤其是1~100K的範圍內，電阻、二極體和熱電偶是最常用的低溫溫度計。溫度計的選擇主要考慮測量範圍、回響時間、靈敏度、穩定性、易用性、包裝、經濟成本和對環境的影響等因素。
分類
1.電阻式溫度計
電阻溫度計測溫原理是材料的電阻率變化與溫度變化相關，材料一定的電阻值對應一定的溫度。我國工業常用的標準熱電阻主要由鉑和銅兩種材質製造，它們都由感溫元件，引出線，保護套管等組成。熱電阻的接線方式多採用三線制、四線制等，用以消除溫度計引線帶入的電阻。電阻式溫度計分為正溫度係數溫度計（PTC）和負溫度係數溫度計（NTC）。正溫度係數溫度計指的是溫度感測器電阻與溫度正相關，而負溫度係數溫度計的電阻與溫度負相關。典型的正溫度係數溫度計如鉑、銠鐵、銅電阻溫度計等；而典型的負溫度係數溫度計主要包括鍺電阻和氮氧化鋯電阻等半導體溫度計。
2.二極體溫度計
二極體測溫技術產生於二十世紀六十年代，人們對用鍺、矽、砷化稼二極體作為可能的低溫溫度計就已進行了研究。1966年，砷化鎵二極體溫度計就出現於市場，1972年美國的Lake Shore公司最早提出利用P-N結檢測溫度。二極體工作原理是在正向電流時，二極體的正向電壓隨溫度的降低而增加。二極體溫度計線性關係好、測量方便、靈敏度高、測量範圍寬（1~400K），從而不斷受到重視，套用範圍不斷擴大。但是二極體溫度計的發熱較大，在液氦溫區有幾十微瓦以上的發熱，一定程度上限制了其套用。砷化鎵二極體溫度計是典型的二極體溫度計，相對於鍺電阻溫度計，它受磁場影響很小，2-40K溫區內，磁場強度為2T時，溫度誤差約為0.1K；4T時，誤差才增加到0.6-1K。矽二極體是另一種二極體溫度計，是結合氣相外延技術做成的，它由高電導矽襯底上生長一個薄的外延層作材料，用通常的平面雙擴散技術製備成 P-N 結。它在30-400K溫區內，測溫精度誤差在1K以內，4.2K時為0.1K，但其抗磁性遜於砷化鎵溫度計。
3.熱電偶
熱電偶是利用熱電效應進行溫度測量的，包括測量端和補償端。熱電偶測溫包括熱電偶元件、參考點，以及電壓測裝置。熱電偶套用極其廣泛，具有結構簡單，加工方便，價格便宜、探頭質小、熱惰性小、安裝使用方便等優點。此外，熱電偶測溫可從3K到高達3073K，並具有比較好的計性能，在某些情況下它的準確度可達±0.01K，在低溫測量範圍內一般可達到±0.5K。但是熱電偶也存在不足的地方，如測量準確度難以超過0.2K，使用時參考端溫度必須恆定，否則將造成測量結果的偏差，在高溫或者長期使用時，因受被測介質或環境的影響（如氧化、還原等）而發生劣化，降低使用壽命。由於熱電偶絲本身存在著不良的結點電勢，在有溫度梯度的條件下，將產生寄生電勢源。這個寄生電勢疊加在測量的熱電勢上，從而影響測溫的精度。在低溫測量中，還應注意使參考點的溫度恆定，若冰點偏差0.1K，會使測量液氮溫區的溫度帶來2倍的偏差。在某些實驗情況下，需要考慮熱電偶絲自身的導熱引起的測量誤差。這可以通過減少導熱的途徑或通過實驗與計算的修正來提高測量的精度。
4.其他類型低溫溫度計
除了上述的幾類常用溫度計，電容溫度計、氣體溫度計、蒸氣壓溫度計、磁溫度計也在低溫測量中有著廣泛的套用。 馬克漢科夫等人在低溫下測量常規電容器的性質時，發現電容器有相當合適的測溫特性。電容溫度計是利用電容與溫度變化相關而製成的。由於電容溫度計的工作與束縛電荷相聯繫，因而磁場對電容溫度計沒有影響，這使得它能在超導等強磁場條件下使用。電容溫度計適用於具有強磁場的測溫場合。
上世紀六十年代，美國和蘇聯先後建立了氣體聲學溫度計，由於聲學溫度計的靈敏度隨溫度的下降而增加，用以復現熱力學溫標更為適宜，然而氣體溫度計的結構比較複雜，操作也不簡便。
蒸氣壓溫度計的測溫原理是化學純物質的飽和蒸氣壓PV和溫度T之間具有確定的一一對應的關係。用真空泵對低溫恆溫器中的低溫液體進行減壓時，由於液體蒸髮帶走汽化潛熱，使剩餘液體溫度降低，測量此狀態下的蒸氣壓力就可以測知對應的飽和溫度。
磁溫度計也是常用的低溫溫度計之一，它的工作原理是居里定律，即順磁鹽的磁化率與溫度T成反比關係。通常將順磁鹽置於互感線圈中，用互感電橋得出互感的讀數，便可得出順磁鹽的磁化率與熱力學溫度的關係。
右圖所示為各低溫溫度計的性能特性參數，包括測範圍、特性與靈敏度、外形尺寸等參數。
溫度計穩定性篩選
常用於低溫領域的溫度計多為熱電阻溫度計，在同一溫度點測溫過程中由於各種原因往往會出現溫度漂移，從而影響測溫穩定性和精確度。性能優良的溫度計應保證其所測溫度的穩定性，穩定性包括長期穩定性和熱衝擊穩定性。
1.溫度計長期穩定性
電阻溫度計作為國際溫標值傳遞的計量器具，其長期穩定性是溫度計計量性能的重要參考因素。對於某些特殊領域如航天、核電等，往往要求溫度計使用壽命長達數年甚至數十年。溫度計的長期穩定性是以規定的溫度和時間內，電阻值變化程度轉換成溫度來表示的。
對於鉑電阻溫度計，評價溫度計長期穩定性主要包括自然存放和周期檢測兩種方法。自然存放法就是將已檢定合格卻未使用過的溫度計自然存放在環境條件下多年，然後檢測其在水三相點的電阻值Rtp或在各固定點的電阻比值W(t)的變化。周期性檢測法是將使用一個周期後的溫度計進行Rtp和W(t)檢測。
對於 cernox 溫度計，S.S. Courts等人在5.8年內對39支溫度計進行了長期穩定性研究，分別在不同的時間點、不同的標定溫度對溫度計的溫漂百分比進行了計算。整個測試周期內，40K 以下溫區的溫漂百分比小於±0.02%，50K 以上溫區小於±0.08%。 然而對於研發時間很短而需要長期維持穩定性的溫度計而言，通過自然存放後對溫度計進行穩定性測試是不可能實現的。吳承汕採用鉑電阻溫度計加速老化方法，篩選出一批溫度計，其長期穩定性與自然存放和周期檢測兩種方法的結果基本一致。
2.溫度計熱衝擊穩定性
溫度計熱衝擊過程通常是通過讓溫度計經歷升降溫循環實現的。升降溫是指在一定溫度範圍內，樣品按設定的速率勻速升降溫的過程。對於低溫領域的升降溫過程，溫度範圍往往是從常溫至低溫工質的三相點，如常溫至液氦溫區、液氮溫區、液氫溫區等。升降溫過程通常是在恆溫環境內進行的，實現的要素包括熱源、冷源及一定的控制裝置。升降溫過程在低溫溫度計篩選方面有重要的套用，如溫度計老化及組織穩定、溫度計標定等低溫溫度計計性能的穩定與否對溫標的傳遞和復現十分重要，溫度計的測溫穩定性與多種因素有關。對於鉑電阻溫度計，冷熱循環衝擊通常會使感溫元件產生第二、第三類內應力，造成穩定性變差。
低溫溫度計的標定
低溫溫度計在使用之前往往需要對其進行標定。常見的溫度計標定系統多為穩態系統，通過在低溫恆溫器內對熱源和冷源的控制，對安有待標溫度計的等溫塊進行控溫，採集溫度計的電阻和標定的溫度就可以擬合出溫度計的電阻溫度特性曲線。低溫區溫度的標定，冷源一般由液氮提供。
套用與發展
低溫技術廣泛滲透在人們生活的方方面面，同時也廣泛套用於高端科學技術方面。在低溫領域，低溫技術已廣泛套用於航天、超導、能源、低溫真空、石油化工及醫學等眾多領域，成為推動人類各方面必不可少的支柱力。低溫技術的套用面一般為低溫液化分離或者為其他場合提供低溫環境。
在低溫領域，溫度的測量是尤為重要和最根本的測量。溫度測量領域的一個重要研究方面就是低溫測量技術。熱力學溫度是國際單位制中7個基本物理之一，處於熱平衡的系統都有相同的溫度。與室溫溫度測相比，低溫系統中的要求更加嚴格。低溫條件下，系統微小的漏熱都會影響測量的精度，為了保證精度和可靠性，必須根據具體要求選擇合適的溫度計和測量方案，並對系統漏熱進行充分的估計和預防。溫度計的安裝方法也是必須重點考慮的方面，另外對溫度測量過程中產生的自熱效應，對於高精度測量也是必須著重消除的影響。低溫下的測量同常溫測量相比最大的不同點就是對系統漏熱十分敏感。在低溫條件下系統的極小漏熱都會嚴重影響測量的準確性，µW 級的熱流都會造成 mK 級的不確定度。隨著低溫溫標的完善、低溫溫度計的研發、測試方法及技術的不斷進步等，低溫溫度測量技術發展迅猛。
