低温测量

    低温系统中的低温测量，主要包括温度测量、真空测量、液面测量及流量测量几部分。

    温度测量的国际统一标准是国际温标(ITS)，我国历年来均采用这种温标作为国家法定测温温标。现在采用的温标为1990年国际温标(ITS-1990)。

    温度测量必须根据测量温度的范围选择测量工具，主要是温度计。下面介绍几种常用的温度计。

    1.金属电阻温度计

    导体或半导体的电阻率随温度变化而变化，这是简单可靠的电阻温度计的基础。在961.78℃以下，国际温标采用了铂电阻温度计，除了铂，其他的材料，如铜、镍、铟均已被用作电阻温度计材料。镍在常温下易发生变形，因此电阻率会随时间变化，并且温度计的稳定性差。铟电阻温度计在低温下与铂电阻相比，具有较高的灵敏度。

    安装电阻温度计时很重要的一环，是消除热应力与机械应力，因为应力会产生附加电阻。工业生产中常采用铠装铂电阻温度计，这些温度计通常被封装在直径大约4mm、长大约10~12mm的圆柱体金属壳体中。

    2.半导体电阻温度计

    由于半导体的电导率与温度有关，所以这种材料可作电阻温度计。在高温条件下，电阻率(电导率的倒数)与热力学温度的倒数的指数函数成比例，这是表征半导体的导电特性。在低温条件下，导电是由于杂质的存在(释放电子或接受电子)而进行的。

    锗电阻温度计是一种广泛应用的半导体电阻温度计，其中掺入砷，镓或锑来获得所需的电阻特性。锗被密封在一个金属盒中，接出四根引线。工业用锗电阻的典型工作范围在1.5~100 K之间。锗电阻温度计通常在七个温度点标定。

    由于碳电阻具有灵敏度高、价廉、体积小，以及相对简单的电阻温度曲线等特点，碳电阻温度计也已被广泛用作低温测量用温度计。

    3.热电偶温度计

    热电偶可用于常温范围温度测量，也可用于低温环境中的温度测量。热电偶的一个接点被放入被测温度中，另一个接点放入参考温度环境中。例如：用冰浴作为参考点，用热电偶测量低温，若所需确定温度分辨率为0.1K左右，则在所测热电势为5mV或5mV以上时，测量仪表必须具有1μV的精度；如采用液氮浴(或用液氢浴)作为参考点，则总的热电势将减小。采用低温参考点的好处是可大大减小沿热电偶导线的传导热。

    温度的指示可通过所测量的热电势，由标定曲线关系(对应某一定参考温度下)转化而确定。

    常用低温热电偶有三种：铜-康铜(T型)、镍铬康铜(E型)、镍铬镍硅(K型)热电偶，常用于-200℃至环境温度(或以上)的测温范围；镍铬金铁(铁的质量分数为3%)热电偶，则可用于10~180K的低温范围。

    热电偶的一种不利之处是热电势太小，通常是毫伏级的。这个问题可用几个热电偶构成热电偶堆来解决。热电偶堆的热电势是堆积热电偶的热电势之和，即对n个热电偶叠加，热电势是单个热电偶的热电势的n倍。

    沿热偶导线的传导热，可能对热电偶测温带来严重误差。减少这种情况的是：让一定长度的热电偶导线，通过一较低温度的等温环境(热沉)，这样误差将会减小。另外，采用直径很小的热偶导线，也可大大减小测温误差。

    4.蒸汽压温度计

    蒸汽压温度计是利用液体的饱和蒸汽压与蒸汽接触的液体温度的固定函数的性质来测量温度的。温度计包括一个充满纯气体的温包，它可在感温范围内被冷凝。温包通过一个毛细管与测压装置相连。

    蒸汽压温度计优点是在应用温度范围内有较高的灵敏度。例如在温度范围为63~80 K,氮气温度计的灵敏度为15~3 kPa/K。同样，蒸汽压温度计不像定容气体温度计那样，需要对固定容积或气体非理想性作修正。此种温度计的一大缺点是测温范围太小，单种液体不能用于测量液He至环境温度的所有温度。虽然蒸汽压温度计可被用于测量从三相点至临界点的温度范围，这些温度计通常仅用于蒸气压在5~250kPa范围的温度测量。

    温度计中流体的纯度至关重要，很少量的杂质将会导至蒸汽压偏离纯物质的饱和蒸气压力与温度的关系。同时应该注意，固定容积应该足够小，而且连接管的温度不低于感温包的温度。

(慧朴科技，huiputech)