【摘要】：隨著低溫物理研究、低溫醫(yī)療及航空航天工程的快速發(fā)展,對于低溫溫度傳感器的需求也日益增加,而為了達到一定的測量精度,低溫溫度計在應用之前通常需要對其進行標定。目前的低溫溫度計標定系統(tǒng)大多使用低溫液體恒溫器作為冷源,其降溫時間慢,控溫周期長,系統(tǒng)不封閉,并且需要持續(xù)消耗液氦、液氮等低溫流體,具有標定效率很低及標定成本較高等缺點。而G-M、脈管等小型低溫制冷機具有結(jié)構緊湊簡單、低溫獲取方便、運行持續(xù)時間長、制作技術成熟等特點,最低制冷溫度可達3 K以下,在溫度標定應用上具有獨特的優(yōu)勢。與低溫流體恒溫器相比,采用小型低溫制冷機作為冷源的標定系統(tǒng)還具有等溫載體降溫時間快、控溫穩(wěn)定時間短、運行成本很低等優(yōu)點。本文從提高溫度計標定精度、標定效率及降低標定成本的角度出發(fā),設計并搭建了一套以兩級G-M低溫制冷機為冷源的全自動低溫溫度計標定系統(tǒng),同時結(jié)合低溫熱開關技術,克服了G-M制冷機溫度計標定系統(tǒng)溫度波動大、可控溫區(qū)窄等不足,進一步提高了系統(tǒng)標定精度。通過對該標定系統(tǒng)工作性能方面的研究,獲得以下結(jié)果:(1)增加制冷機冷頭和等溫載體之間的傳熱熱阻,可以有效降低冷頭自身溫度波動對等溫載體溫度穩(wěn)定性的影響,傳熱熱阻越大,對溫度波動的抑制效果越好,等溫載體溫度穩(wěn)定性的提高有利于提升溫度計標定精度。傳熱熱阻增大帶來溫度波動抑制效果的同時,以犧牲降溫速度為代價。(2)以針對一支滲碳陶瓷溫度計的標定為例,對比穩(wěn)態(tài)標定與動態(tài)標定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)控溫標定具有更高的標定精度,而動態(tài)標定方式由于在溫升較快的情況下,很難實現(xiàn)準靜態(tài)升溫過程,容易造成一定的標定偏差。因此,在條件允許的情況下,應優(yōu)先考慮使用穩(wěn)態(tài)控溫方式對溫度計進行標定。(3)雖然熱阻可以抑制溫度波動,但熱阻過大導致等溫載體降溫速度極慢,將低溫熱開關技術應用于溫度計標定系統(tǒng),可有效解決降溫時間和控溫穩(wěn)定性之間的矛盾。所研制的電磁驅(qū)動式熱開關,可以實現(xiàn)全溫區(qū)的主動控制。在系統(tǒng)降溫階段,閉合熱開關,系統(tǒng)可在2h之內(nèi)由室溫降至4.2K以下;斷開熱開關后,在等溫載體與制冷機冷頭之間熱阻明顯增大,熱端僅需1.6W的加熱功率便可將恒溫塊控溫至280K。該熱開關熱端溫度在50K時的閉合及斷開傳熱系數(shù)分別為1.5W/K和1.2 mW/K,開關比達1250。(4)在大溫區(qū)范圍對低溫溫度計進行標定時,所需穩(wěn)態(tài)控溫點眾多,且每個控溫點均需要一定時間達到穩(wěn)態(tài),靠人力手動實施標定工作極為不便。本文通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)了低溫溫度計標定的全自動過程,通過計算機自動完成目標溫度輸入、多通道數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)態(tài)控溫、數(shù)據(jù)處理、報表輸出等一體化標定流程,大大降低了人力消耗,從而在一定程度上降低了溫度計標定成本,提高了標定效率。(5)將系統(tǒng)各部分整合后,以Cernox X78651標準溫度計為參照對三只不同類型的溫度計進行了標定,所標定的鉑電阻溫度計在30~300K溫區(qū)的標定精度為20mK;滲碳陶瓷溫度計與二極管溫度計在10K以下均具有更高的標定精度,為3mK;在10K以上,滲碳陶瓷溫度計的標定精度為50mK,二極管溫度計的標定精度為75mK。同時,評估儀器測量誤差和方程擬合誤差對該系統(tǒng)標定精度的貢獻,指出提高測量儀器測量水平可以有效提高系統(tǒng)標定精度。
【圖文】：

量始終是低溫領域重要的一部分，隨著航空量需求也將日益增加，這也對溫度計標定系度、高效率低溫溫度計標定系統(tǒng)的研制對于利于促進低溫領域工業(yè)及研究的發(fā)展。定系統(tǒng)概述定方法持溫標，通常由權威計量機構，如 NIST（nology），溯源得到的標準溫度傳感器對其他溫度計標定方法多為比較法，即將待標溫度溫載體上，在等溫載體溫度達到穩(wěn)態(tài)后，得溫度計示值（溫度）之間的一一對應關系，，體通常選用具有較高熱擴散系數(shù)的金屬，如圖。

圖1-2 為中國科學計量研究院 13.8033~273.16K 國家溫度基準裝置。圖 1- 2 中國科學計量研究院 13.8033~273.16K 國家溫度基準裝置Fig.1- 2 13.8033~273.16K temperature benchmark device of Chinese Academy of ScientificMetrology
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB65

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張祥;周剛;李青;劉立強;董斌;;高精度低溫溫度穩(wěn)定性的實驗研究[J];低溫工程;2013年05期

2 翁捷敏;黃永華;;基于G-M低溫制冷機的低溫溫度計標定系統(tǒng)[J];低溫與超導;2013年02期

3 錢靜;翁佩德;羅家融;陳灼民;葉青;;溫度計標定中曲線擬合的應用及研究[J];低溫與超導;2009年11期

4 張文千;;航天器用記憶合金熱開關的設計與理論分析[J];真空與低溫;2009年01期

5 張緒德;歐陽崢嶸;;低溫溫度計標定裝置中測量引線傳熱分析[J];低溫與超導;2008年07期

6 張利;何興偉;黃志光;紀國林;吳亦農(nóng);;空間低溫熱開關技術的研究進展[J];紅外;2008年07期

7 王美芬;閆濤;洪國同;楊魯偉;蔡京輝;梁驚濤;;微膨脹型低溫熱開關研究[J];低溫工程;2006年02期

8 刁彥華;王秋良;;氣隙式熱開關傳熱特性研究[J];低溫與超導;2005年04期

9 陳長琦,聶金良,王君,葛銳,歐陽崢嶸,胡純棟;低溫溫度計標定系統(tǒng)的研究[J];真空;2004年04期

10 宋偉榮,白紅宇,畢延芳;碳電阻溫度計經(jīng)驗公式的選用比較[J];低溫與超導;2001年03期

本文編號：2630611