Измерение сверхнизких температур с повышенной точностью результатов измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Измерение сверхнизких температур с повышенной точностью результатов измерения»

Содержание

Введение

1. Обзорная часть

1.1 Понятие о температуре и о температурных шкалах

1.2 Устройства для измерения температур

1.3 Контактные методы измерения температуры

1.3.1 Жидкостные стеклянные термометры

1.3.2 Биметаллические и дилатометрические термометры

1.3.3 Манометрические термометры

1.4 Термометры сопротивления

1.4.1 Общие сведения о термометрах сопротивления

1.5 Термоэлектрические преобразователи

1.6 Бесконтактные методы

1.6.1 Методы измерения температуры тел по их излучению

2. Теоретические обоснование структуры и функциональных свойств технического объекта

2.1 Металлические термометры сопротивления для измерения низких температур

2.1.1 Требования, предъявляемые к металлам при изготовлении чувствительных элементов низкотемпературных термометров

2.1.2 Платиновые термометры. Достоинства и недостатки платины

2.1.3 Удельное сопротивление платины при низких температурах

2.1.4 Зависимость свойств платиновых термометров от значения остаточного удельного сопротивления

2.1.5 Конструкция платиновых термометров сопротивления

2.1.6 Интерполяционные формулы для низкотемпературных платиновых термометров

2.1.7 Свойства платиновых термометров при температурах ниже 10 К

2.2 Измерительные схемы для низкотемпературных термометров сопротивления

2.2.1 Общие требования, предъявляемые к измерительным схемам термометров сопротивления

2.2.2 Питание измерительных схем дня низкотемпературных термометров сопротивления

2.2.3 Принцип действия измерительного моста

2.2.4 Принцип действия разрабатываемого

Заключение

Список литературы

Введение

Высокие температуры давно уже применяются в различных производственных процессах. Однако в последнее время довольно широко используются низкие температуры, в разных областях техники, например в ракетной, в ожижении кислорода для интенсификации металлургических процессов, в производстве жидкого азота (для химической промышленности), в отделении негорючих составляющих природного газа, его хранении в больших количествах и дальних перевозках морским транспортом и т. д. Значительную роль играет жидкий азот в животноводстве и в консервной промышленности. В настоящее время мы стоим на пороге существенных перемен в электротехнике, в ядерной энергетике и транспорте, основанных на использовании сверхпроводимости.

Обширные области научных исследований в настоящее время нельзя себе представить без применения низких температур. В частности, это физика твердого тела, ядерная физика и физика высоких энергий, различные области радио - и СВЧ-техники. Поэтому большое значение приобретают чувствительные измерительные приборы и другая аппаратура со сверхпроводящими элементами, а также криобиология и криохирургия.

В данной работе представлен принципиально новый метод измерения сверхнизких температур с повышенной точностью результатов измерения.

1. Обзорная часть

1.1 Понятие о температуре и о температурных шкалах

схема измерение температура абсолютный нуль

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

По второму закону термодинамики температуру Т можно определить из отношения температур Т₁ и Т₂и отношения соответствующих количеств тепла Q₁и Q₂, полученного и отданного в цикле Карно:

(1.1.1.)

Отсюда можно установить численные значения температуры, если принять некоторые значения ее для двух основных реперных точек. Поэтому температурой можно назвать меру отклонения термодинамического состояния тела от произвольно выбранного состояния теплового равновесия.

Температура не поддается непосредственному измерению. Поэтому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел. Первым устройством, созданным для измерения температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.). Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена

Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки:

1 -- «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С);

2 -- точка плавления льда, обозначенная им +32°,

3 -- нормальная температура человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080* (позднее 0° и 80°). В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные.

Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.).

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным .точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой t:

(1.1.2.)

где k-- коэффициент пропорциональности;

Е -- термометрическое свойство;

D-- постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k_И D_И на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент k нельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного производства возникла естественная необходимость установить какую-то единую температурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной температурной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была принята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водорода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термометра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°

В начале XXв. широко применялись шкалы Цельсия (или Фаренгейта -- в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах -- также шкалы Кельвина и водородная. При резко возросших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и предварительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении

Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодательном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 октября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954). Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°.

МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизводимых температур равновесия (постоянных точек), которым присвоены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам.

Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через ^СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия -- базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть «градусами международными» или «градусами стоградусной шкалы».

Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже:

а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения кислорода -182,97

б) температура равновесия между льдом и водой, насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,00⁰

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром (точка кипения серы) 414,60°

д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра) 960.5⁰

е) температура равновесия между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0°

Для постоянных точек по пунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур при атмосферных давлениях, отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от --190° и до неограниченно высоких. Чтобы наглядно представить расхождения между МТШ и шкалой Цельсия, приведем сравнительную таблицу значений температуры для одинаковых условий измерения по данным М. М. Попова . Как видно из табл. 1, эти расхождения при высоких температурах (более 200°С) имеют весьма большие значения.

Таблица 1. Значения температур в одинаковых условиях измерения

Градусы международные, "С	Градусы Цельсия. °С
	По ртутным термометрам палочным из Иенского стекла
	16"	59"	1565"
-- 30	-- 30,28	-- 30,13	--
0	0,00	0,00	0,00
+ 50	+ 50,12	+ 50,03	+ 50,05
100	100,00	100,00	100,00
200	200,29	200,84	200,90
300	302,7	304,4	303,9
500	--	526,9	523,1
700	--	--	775

1.2 Устройства для измерения температур

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых в промышленности, при научных исследованиях и для специальных целей. В табл. 2 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

До последнего времени узаконенных терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417--67, устанавливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.

Таблица 2. Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длительного применения, °С
		Нижний	верхний
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	-190	600
Изменение давления	Манометрические термометры	-160	600
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления	-200	500
	Полупроводниковые термометры сопротивления (термисторы, терморезисторы)	-90	+ 180
Термоэлектрические эффекты (термо- э. д.с.)	Термоэлектрические термометры стандартизованные	-50	1600
	Термоэлектрические термометры специальные	1300	2500
Тепловое излучение	Оптические пирометры	700	6000
	Радиационные пирометры	20	3000
	Фотоэлектрические пирометры	600	4000
	Цветовые пирометры	1400	2800

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре. Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой. Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел. Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

1.3 Контактные методы измерения температуры

1.3.1 Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры -- жидкостные стеклянные термометры -- используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой оно находится (термометрического стекла или реже кварца).

Рис. 1. Схема жидкостного стеклянного термометра: 1 - стеклянный баллон; 2 - термометрическое вещество; 3 - капиллярная трубка; 4 - запасной резервуар

Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 1). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +ЮО°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

О температуре судят по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров -- простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

1.3.2 Биметаллические и дилатометрические термометры

Действие биметаллических и дилатометрических термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

В биметаллических термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слоев разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медноцинковый сплав -- латунь (70% Cu+ 30% Zn) и сплав железа с никелем -- инвар (64% Fe+ 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град^-1 для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара. При изменении температуры биметаллической пластинки она деформируется (рис. 2) вследствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изменении температуры.

Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.

Рис. 2. Схема чувствительного элемента биметаллического термометра: а -- при нормальной температуре; б-- при повышенной; 1 -- латунь; 2 -- инвар

1.3.3 Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 3) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, -- металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, и длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).

Рис 3. Схема манометрического термометра: 1 - металлический термобаллон; 2 - манометр; 3 - соединительный капилляр

Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

1.4 Термометры сопротивления

1.4.1 Общие сведения о термометрах сопротивления

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град^-1, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт)--приблизительно на 0,65% -град^-1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные температурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются у некоторых полупроводниковых соединений.

Электрические термометры сопротивления практически позволяют измерять температуру с высокой степенью точности -- до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур -- до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура определяется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термометров сопротивления -- на участке некоторой длины.

Чаще применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инертностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) дешевизной; е) постоянством физических свойств во времени.

Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным причинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопротивления оказались платина (для измерений в интервале от --200 до 650°С) и медь (в интервале от --50 до +180°С).

1.5 Термоэлектрические преобразователи

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на возникновении электрического тока в цепи, составленной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (рис.4), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в дальнейшем термопара). Спай Т₁ погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т₂ носит название холодного или свободного.

Рис. 4. Распределение потенциалов в цепи идеальной термопары

Согласно электронной теории, во всех проводниках имеются свободные электроны. Число электронов, приходящихся на единицу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов в единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диффундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термо ЭДС Томсона), зависит от его природы.

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом армируется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термоэлектроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выбирают в соответствии со свойствами измеряемой среды. Многочисленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

1.6 Бесконтактные методы

1.6.1 Методы измерения температуры тел по их излучению

Измерение высоких температур путем непосредственного соприкосновения измеряемой среды с термометром (контактным путем) часто практически неосуществимо. Нередко при измерениях относительно невысоких температур контактный путь измерения также нежелателен из-за больших трудноопределимых систематических погрешностей или невозможен по технологическим или конструктивным соображениям (например, при измерениях температуры поверхностей вращающихся тел). Во всех этих случаях можно измерять температуру тел по их излучению бесконтактным путем. Для этого применяют пирометры-термометры, действие которых основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Возможность измерения температуры тел по их излучению была известна давно. Широко применялся прежде метод визуальных измерений температуры тел по цветам каления. При нагревании, начиная примерно с температур 550 °С, тела постепенно меняют свой цвет от темно-красного до ослепительно белого. Цвета каления являются результирующим ощущением, вызванным всем комплексом лучей участка видимого излучения. Такой метод измерения весьма субъективен и может дать хорошие результаты лишь при большом опыте наблюдений за нагреванием изделий из одного и того же однородного материала. В настоящее время этот метод измерения применяется очень редко.

Измерение температуры тел по их излучению можно проводите различными методами. Чаще всего пользуются следующими тремя методами:

1) яркостным -- по спектральной интенсивности излучения телом лучей определенной длины волны (фотометрическим измерением яркости тела в монохроматическом свете) -- по величине J (или В);

2) радиационным -- по плотности интегрального излучения (по излучательной способности) тела -- по величине Е;

3) цветовым -- по отношению спектральной интенсивности, излучения телом лучей двух определенных длин волн -- по отношению J/ J

Яркостный метод измерения, ограниченный только видимой областью спектра, называют также оптическим.

Так как тепловое излучение различных реальных тел при одинаковой температуре получается неодинаковым, то приходится все измерительные устройства градуировать на температуру, соответствующую излучению абсолютно черного тела. Для определения температур реальных тел приходится в показания измерительных устройств вводить поправки, иногда весьма большие.

Яркостные измерения отличаются высокой чувствительностью, так как спектральная интенсивность излучения J очень резко возрастает с повышением температуры. Для видимого участка спектра абсолютно черного тела интенсивности излучения характеризуются значениями, приведенными в табл. 3.

Как видно из данных табл. 3, при повышении температуры в 2 раза, от 1000 до 2000К, интенсивность излучения волн длиной 0,65 мк изменяется в 64 200 раз! То же наблюдается и на других участках видимого спектра.

Радиационные измерения обладают много меньшей чувствительностью, пропорциональной четвертой степени абсолютной температуры. Эти измерения в ряде случаев можно технически осуществить проще, чем яркостные.

Цветовые измерения, как видно из данных табл. 3, не обладают большой чувствительностью, особенно при высоких температурах. Однако при цветовых измерениях удается получить существенно меньшие поправки на температуру реальных тел, чем для других методов измерения.

Таблица 3. Спектральные интенсивности излучения

Длина волн, мк	Интенсивность излучения Jпри температурах, К
		размерность	1000	2000	3000
0,45	-	вm * м-3	0,258•103	0,228•1010	0,47•1012
0,55	-	вm * м-3	0,327 105	0,153•1011	0,121•1013
0,65	-	вm * м-3	0,773•106	0,496•1 011	0,198•1013
0,65	-	относительная	1	64200	2 570 000
отношение интенсивностей J:J
0,65	0,45	-	2996	21,7	4,21
0,65	0,55	-	23,65	3,26	1,39

2. Теоретические обоснование структуры и функциональных свойств технического объекта

Из всех методов измерения температуры рассмотренных выше наиболее выгодным методом для измерения сверхнизких температур является метод с использованием терморезисторов.

2.1 Металлические термометры сопротивления для измерения низких температур

2.1.1 Требования, предъявляемые к металлам при изготовлении чувствительных элементов низкотемпературных термометров

Металлы, используемые для изготовления ЧЭ термометров сопротивления для измерения низких температур, должны обладать:

большим температурным коэффициентом сопротивления;

постоянным температурным коэффициентом сопротивления в широком диапазоне температур;

длительно стабильным температурным коэффициентом сопротивления;

большим удельным сопротивлением;

хорошими механическими свойствами (пластичностью, гибкостью);

несложной технологией получения материала высокой химической чистоты.

Относительно требования п. 1 можно заметить, что в области низких температур большим температурным коэффициентом сопротивления обладают чистые металлы, такие как натрий, калий, цезий, рубидий, таллий, галлий, индий, свинец, висмут, а также серебро, золото, платина, марганец, медь и никель. Однако большинство из них не удовлетворяет остальным требованиям, поэтому список металлов, пригодных для изготовления низкотемпературных термометров, весьма ограничен.

Относительно требования п. 3 следует добавить, что длительная стабильность температурного коэффициента сопротивления, обусловленная длительной стабильностью удельного сопротивления металла, предполагает в первую очередь высокую химическую чистоту металла, а также его инертность по отношению к окружающей среде и нечувствительность к внешнему магнитному полю.

Взвесив все перечисленные требования, предъявляемые к металлам для изготовления ЧЭ низкотемпературных термометров, приходим к выводу, что из чистых металлов этим требованиям лучше всего удовлетворяет платина, в меньшей степени -- никель и отчасти медь. Попытки использовать индий и марганец не привели к успеху из-за неудовлетворительных механических свойств этих металлов -- индий слишком мягок, а марганец, наоборот, тверд и очень хрупок.

2.1.2 Платиновые термометры. Достоинства и недостатки платины

В качестве материала для изготовления ЧЭ низкотемпературных термометров используется платина. Отметим основные достоинства этого металла:

Постоянные температурный коэффициент сопротивления (в течение длительного времени) и температурная зависимость удельного сопротивления (из всех металлов, которые можно рассматривать для данной цели, платина имеет самое стабильное сопротивление).

Хорошие механические свойства, прежде всего пластичность (большое относительное удлинение). Это свойство позволяет получать проволоку малых диаметров для изготовления ЧЭ и почти полностью устранить остаточные механические напряжения в проволоке, поэтому сопротивление готовых ЧЭ остается постоянным в течение длительного времени.

Относительно легкий способ получения металла без примесей.

Наряду с указанными достоинствами, платине присущи и некоторые отрицательные свойства:

малый температурный коэффициент сопротивления, особенно в области ниже 10 К;

переменный температурный коэффициент сопротивления во всем диапазоне низких температур;

малое удельное сопротивление.

Начиная приблизительно с 30 К платина обладает исключительно высокой длительной стабильностью электрического сопротивления. Но при более низких температурах она может в определенных условиях проявлять некоторое непостоянство во времени и неопределенность хода зависимости электрического сопротивления от температуры. Причины этого непостоянства описаны далее.

2.1.3 Удельное сопротивление платины при низких температурах

Результирующее удельное сопротивление платины и других чистых металлов (но не сплавов) определяется правилом Маттисена:

с=с_i+с_r (2.1.3.1.)

де с_i означает «идеальное» удельное сопротивление, а с_r --остаточное удельное сопротивление.

«Идеальное» удельное сопротивление с_i, связано с тепловым колебанием кристаллической решетки. Это сопротивление одинаково для разных образцов одного и того же материала зависит только от температуры

Остаточное удельное сопротивление связано с дефектами кристаллической решетки (вызванное, например, механическими напряжениями), а так же химическими примесями. Это сопротивление различно для разных образцов одного и того же материала и почти не зависит от температуры.

Формула (2.1.3.1.) недостаточно точно выражает результирующее удельное сопротивление чистых металлов. Более удовлетворительные результаты не только для платины, но и для других чистых металлов дает формула, преобразованная к виду

с =с_i + с_r + чс_r,(2.1.3.2.)

где ч-поправочный коэффициент.

Выражение

чс_r=с_Д(2.1.3.3.)

представляет собой, так называемое добавочное удельное сопротивление, которое включает все отклонения от исходной формулы Маттиссена (2.1.3.1.).

2.1.4 Зависимость свойств платиновых термометров от значения остаточного удельного сопротивления

Наличие остаточного удельного сопротивления с_r, обусловленного химическими примесями и механическими напряжениями в проволоке, приводит к тому, что для разных образцов платины температурные зависимости электрического сопротивления отличаются (особенно при температурах ниже 10 К). Воспроизводимость этих зависимостей с течением времени ухудшается. Существенно и то обстоятельство, что остаточное сопротивление уменьшает температурный коэффициент сопротивления, особенно при температурах ниже 10 К, так что граница наименьшей измеряемой температуры смещается вверх.

Чтобы в максимальной степени уменьшить остаточное удельное сопротивление с_r, механические напряжения в платиновой проволоке, возникающие как при ее изготовлении, так и при изготовлении ЧЭ, должны быть как можно меньше, а сама платина -- как можно чище. Для изготовления низкотемпературных платиновых термометров необходимо использовать спектрально чистую платину с содержанием основного вещества не менее 99,999%. Чистоту контролируют, измеряя отношение сопротивлений R_100?C/R_0?C , которое должно быть меньше или равно 1,3920. Однако из такой платины не изготовляют очень точные термометры.

Для платиновых термометров, которые служат в качестве термометрических эталонов и образцовых и используются в точных измерениях, употребляют платину с отношением R_100?C/R_0?C более 1,3926.

R_0?C -- это сопротивление платиновых термометров при температуре 0°С, обычно называемое номинальным сопротивлением. После изготовления ЧЭ термометров их обычно отжигают при температуре 600°С в газовой среде, в которой присутствует кислород.

Об исключительно высокой длительной стабильности платиновых термометров лучше всего свидетельствует тот факт, что Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68), воспроизводится платиновым термометром в качестве первичного эталона с погрешностью, которая в реперных точках шкалы менее ±10^-3 К.

2.1.5 Конструкция платиновых термометров сопротивления

Технические термометры (тип ТСП) чаще всего выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 5.

Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необходима для того, чтобы исключить появление индуктивного сопротивления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Все три пластинки скрепляются серебряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приваривается подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный элемент помещают в тонкостенную алюминиевую трубку 6 (рис. 7), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чувствительного элемента. Вкладыш улучшает условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминиевую трубку вместе с подводящими проводами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из стальной трубы.

Внешний вид и размеры термометров такие же, как и у термоэлектрических термометров. Длина чувствительного элемента во всех конструкциях обычно не меньше 90…100 мм.

Рис. 5. Конструктивная схема платиновых термометров сопротивления: а -- схема бифилярной намотки проволоки 1 на слюдяную пластинку 2; б--чувствительный элемент термометра в арматуре

У термометров с уменьшенной тепловой инерцией массивный вкладыш не применяется и пакет из трех слюдяных пластин помещается между двумя пружинящими лепестками из тонкого (0,1 мм) дюралюминия.

Термометры малоинерционные (с постоянной времени менее 9 сек) имеют чувствительный элемент иной конструкции: платиновая проволока, намотанная на стеклянный стержень, оплавляется стеклом и помещается во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10 мм.

У термометров, предназначенных для измерения отрицательных температур, алюминиевая трубка с чувствительным элементом заливается парафином для защиты от образования конденсата.

Термометры могут быть выполнены также двойными (с двумя электрически изолированными друг от друга чувствительными элементами и с четырьмя зажимами на головке термометра).

Платиновые технические термометры сопротивления (по ГОСТ 6651--59) выпускаются трех градуировок, отличающихся величиной сопротивления R₀ при 0°С и пределами применения:

Для измерения низких температур от 12 до 95К. (приблизительно от --261 до -- 178°С) применяются специальные образцовые и лабораторные термометры сопротивления (ГОСТ 12877--67). Зависимость между сопротивлением и температурой устанавливается в этом случае по ГОСТ 12442--66.

Технические термометры поверяют обычно в двух точках: при 0°С в ледяном термостате и приблизительно при 100°С в паровом термостате. Критериями оценки качества термометров служат значения сопротивления R0 и отношения сопротивлений R₁₀₀/R₀

Таблица 4. Зависимость сопротивления платиновых термометров от температуры (градуировочные таблицы)

*С	Сопротивление R для градуировки, ом	*С	Сопротивление К для градуировки,. ом
	гр 21	гр 22		гр 21	гр 22
-200	7,95	17,28	250	89,96	195,56
--150	17,85	38,80	300	98,34	213,79
-100	27,44	59,65	350	106,60	231,73
- 50	36,80	80,00	400	114,72	249,38
0	46,00	100,00	450	122,70	266,74
50	55,06	119,70	500	130,55	283,80
100	63,99	139,10	550	--	(300,58)
150	72,78	158,21	600	--	(317,06)
200	81,43	177,03	650	--	(333,25)

2.1.6 Интерполяционные формулы для низкотемпературных платиновых термометров

Качество платиновых термометров, изготовлении по правильной технологии и из платины высокой чистоты, можно заранее гарантировать. Если тсрмометры имеют R_100?C/R_0?C ? 1.3925 то интерполяционным формулами служат уравнения МПТШ-68, и достаточно градуировать их в нескольких реперных точках согласно методу, установленному МПТШ-68.

Помимо интерполяционных формул, установлении МПТШ-68, иногда пользуются менее точным, но боле простым способом -- так называемой Z-функцией, которая позволяет провести интерполяцию, если известно сопротивление термометра только в двух температурных точках. Общая формула Z-функции выведена из следующих соображений.

Согласно правилу Маттисена полно сопротивление R металла при данной температуре складывается из идеального R_i и остаточного R_r сопротивлений, причем последнее зависит от концентрации примесей и нарушений внутренней структуры металла.

Следовательно,

R=R_i+R_r.(2.1.6.1)

Сопротивление R_i зависит от температуры, а сопротивление R_r почти не зависит. Запишем соотношения:

(2.1.6.2)

(2.1.6.3)

в которых R -- сопротивление при произвольной температуре Т; R₁ -- сопротивление при температуре Т₁ а R₂ -- сопротивление при температуре Т₂.

Преобразуя выражения (2.1.6.2) и (2.1.6.3), получаем:

(2.1.6.4)

Выражение в правой части уравнения (2.1.6.4) зависит от температуры, но для образцов из данного металла постоянно, поскольку состоит из идеальных сопротивлений. Это выражение представляет собой Z-функцию которая служит основанием для простой интерполяции зависимости R(T) платиновых термометров, а также изготовленных из других чистых металлов.

До введения МПТШ-68, в которой уже заданы интерполяционные формулы для интервала температур 13-90 К, в интервале 20--90 К использовали Z-функцию вида

(2.1.6.5)

где R --сопротивление платинового термометра при произвольной температуре T; R_H2 -- сопротивление термометра в точке кипения водорода (20,273 К); R_O2 --сопротивление в точке кипения кислорода (90,190 К), a Z принимает значения, которые для платинового термометра с отношением сопротивлений. R_100?C/R_0?C ? 1.3925 приведены в таблице NBS (Национального бюро стандартов США). Эта таблица позволяет интерполировать с погрешностью ±0,05 К в температурном диапазоне 20--90 К.

2.1.7 Свойства платиновых термометров при температурах ниже 10 К

Благодаря исключительной долговременной стабильности сопротивления, обеспечивающей высокую точность измерения, платиновые термометры находят широкое применение в качестве опорных эталонов МПТШ-68 в температурном диапазоне 13--904 К. В этом диапазоне такие термометры способны обнаружить изменения температуры менее 0,1 мК, причем сама МПТШ-68 может быть воспроизведена с погрешностью ± (2--3)мК.

Берри показал, что выбранными платиновыми термометрами можно с меньшей точностью измерять и температуры в интервале от 2 до 12 К. Здесь погрешность составляет ± (20-30) мК в течение 2 лет. Соблюдая аккуратность в работе с термометрами, можно повысить точность и достигнуть погрешности в ±10 мК. Температурную зависимость R(t) для специально отобранных платиновых термометров в диапазоне от 2 до 10 К можно выразить формулой

(2.1.7.1)

где р и q, - постоянные; W_T = R_T/R_273.15K W₀ = W_T при Т=0К

Для точной интерполяции зависимости R(t) в температурном интервале от 2 до 10К необходимо использовать полный многочлен пятого порядка с коэффициентами, найденными методом наименьших квадратов.

Тогда:

при m =5(2.1.7.2)

Формула (2.1.7.1) позволяет в интервале от 4,2 до 10 К интерполировать с погрешностью ±0,1 К.

2.2 Измерительные схемы для низкотемпературных термометров сопротивления

2.2.1 Общие требования, предъявляемые к измерительным схемам термометров сопротивления

Основные требования, которые предъявляются к измерительным схемам для низкотемпературных термометров сопротивления, можно свести к двум:

1) схемы должны исключать влияние нагрева термометров за счет джоулева тепла на результаты измерения;

2) схемы должны исключать влияние сопротивления электрических проводов термометров на точность измерения независимо от значения этого сопротивления.

По поводу требования п. 1 можно отметить, что наряду с неполной тепловой связью между термометром и измеряемым объектом и недостаточным теплоотводом от электрических проводов термометра нагрев его за счет джоулева тепла тоже составляет причину существенных ошибок, возникающих при измерении низких температур и зависящих от потребителя.

По поводу требования п.2 следует напомнить что сопротивление проводов соединяющих термометры с измерительными приборами, как правило довольна велико (иногда достигает десятков и сотен Ом) и часто превышает сопротивление самих термометров. Большое сопротивление соединительных проводов обусловлено не только их длиной (которая определяется расстоянием от криостата с термометром до измерительных приборов и длиной отрезка «теплового заземления», компенсирующего температурный перепад между термометрами и измерительными приборами), но еще и тем, что эти провода выбираются малого сечения и часто с большим удельным сопротивлением, чтобы обеспечить их достаточное тепловое сопротивление.

Указанным в пп. 1 и 2 основным требованиям, предъявляемым к измерительным схемам низкотемпературных термометров сопротивления, удовлетворяют некоторые схемы, из которых чаще всего применяются схемы сравнения, модифицированный мост Уитстона и мост Томсона.

2.2.2 Питание измерительных схем дня низкотемпературных термометров сопротивления

Схемы, используемые для измерения низких температур термометрами сопротивления, могут получать питание от источников постоянного или переменного тока. Соответственно различают схемы постоянного и переменного тока. Для обоих типов схем характерны свои возможные погрешности при измерении сопротивлений термометров.

Схемы постоянного тока. Главным источником погрешностей в схемах постоянного тока являются ТЭДС, возникающие, прежде всего на контактах проводов термометров с зажимами измерительных приборов. Эти ТЭДС можно устранить, изготовив зажимы из того же материала, что и провода. При использовании разных металлов возникновение ТЭДС можно предупреждать, поддерживая одинаковую и постоянную температуру зажимов. Если же и после этого возникает ТЭДС', то ее влияние можно исключить, изменив полярность питающего тока. Для этого требуется дважды отсчитывать сопротивление термометров и принимать среднее значение.

Другой серьезной причиной ошибок при измерении сопротивления в схемах постоянного тока являются паразитные постоянные напряжения -- наводки, которые возникают в проводах термометров в результате воздействия на них переменных напряжений через нежелательные емкостные и индуктивные связи; эти индуцированные в проводах напряжения выпрямляются на окисленных входных зажимах и контактах выключателей и переключателей измерительной схемы. Частота переменных напряжений, наведенных в проводах термометров, чаще всего равна частоте сети или частоте некоторых ее высших гармоник, а иногда и частоте различных низкочастотных и высокочастотных сигналов. Чтобы устранить влияние таких наводок на точность измерения сопротивлений термометров, нужно поддерживать зажимы н коммутационные устройства схемы в чистом и электрически безупречном состоянии, а по мере надобности применять электрическое экранирование проводов термометров.

Схемы переменного тока. В схемах переменного тока не возникают погрешности, обусловленные постоянными паразитными напряжениями термоэлектрического происхождения или от наводок (после их выпрямления на контактах). На точность измерительных схем переменного тока влияют погрешности, связанные с реактивными сопротивлениями магазинов и иных мер сопротивления, которые составляют существенную часть измерительных схем. В цепи переменного тока провода, катушки сопротивления и магазины, а иногда и сами термометры характеризуются не только активным, но также емкостным и индуктивным сопротивлениями, которые могут быть довольно велики, особенно у проводов термометров. Чтобы заметно уменьшить влияние емкостного и индуктивного сопротивлений всех этих элементов на точность измерения сопротивлений термометров, можно использовать провода с малой емкостью и индуктивностью, а также катушки сопротивления и магазины с малой собственной (остаточной) емкостью и индуктивностью

Кроме того, влияние емкости и индуктивности указанных элементов на точность измерений можно еще уменьшить за счет питания измерительных схем током низкой частоты (в пределах от 20 до 200 Гц). Часто применяют частоту 33 Гц, так как в этом случае гармоники лежат далеко от частоты сети 50 Гц.

Измерительные схемы переменного тока обладают тем важным преимуществом, что между схемой и ее индикатором сравнения, или индикатором уравновешивания, может быть включен усилитель переменного тока с большим и постоянным во времени коэффициентом усиления, что позволяет повысить и чувствительность схемы, и точность измерения. Усилитель часто бывает выполнен как селективный, так чтобы он подавлял влияние напряжения искажающих частот (например, сетевой частоты и ее гармоник) на точность измерения. Для этой цели особенно эффективен фазовый детектор, который включают, как правило, между усилителем и индикатором.

Измерение электрического сопротивления в термометрии по сравнению с измерениями в других областях имеет ряд особенностей: значительное ограничении измерительного тока, длинные соединительные линии между терморезистором и устройством измерения, заметные паразитные термо-ЭДС из-за температурных градиентов в измерительной цепи.

2.2.3 Принцип действия измерительного моста

Чаще всего для измерения сопротивления в термометрии применяют мостовые схемы. Рассмотрим схему работы автоматического уравновешенного моста.

Автоматические уравновешенные мосты являются техническими приборами высокого класса точности. Они бывают показывающими, показывающими и самопишущими с записью или на дисковой, или на ленточной диаграмме. Приборы с ленточной диаграммой служат для измерения и записи температуры в одной точке (одноточечные) или в нескольких точках (многоточечные). Приборы с дисковой диаграммой изготавливаются только одноточечными. Шкала автоматических уравновешивающих мостов градуирована в градусах Цельсия с указанием её принадлежности к определенной градуировке термометра сопротивления.

По устройству автоматические уравновешенные мосты отличаются от автоматических потенциометров только измерительной схемой. На рис. 6 дана принципиальная схема автоматического уравновешенного моста. В измерительную схему входят; R1, R2 и R3 - резисторы, образующие три плеча мостовой схемы, четвертое плечо образовано сопротивлением R_t термометра; R_p - реохорд; R_ш - шунт реохорда, служащий для подгонки сопротивления R_p до заданного нормированного значения; R_П - резистор для установки диапазона измерения; R_Д - добавочный резистор для подгонки начального значения шкалы; R_Б - балластный резистор в цепи питания для ограничения тока; R_П- резисторы для подгонки сопротивления линии до определенного значения. Т0 - токоотвод; С1 и С2 - конденсаторы создающие необходимый фазовый сдвиг (90) между магнитными потоками обмотки возбуждения и управляющей обмотки и необходимое напряжение на обмотке возбуждения; С3 - конденсатор, включенный параллельно управляющей обмотке реверсивного двигателя, шунтирует её для компенсации индуктивной составляющей тока в этой обмотке; СД - двигатель для перемещения диаграммной ленты или каретки печатающего устройства. Все резисторы изготавливаются из манганиновой проволоки, следовательно, колебания температуры воздуха не влияют на значения сопротивлений этих резисторов.