試論影響低溫溫度計(jì)標(biāo)定精度的因素

蔡常新 宋藝文

云浮市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所 527300

摘要：目前，低溫冷凝泵作為中性柬注入器的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，在裝置降溫、保溫、回溫階段都需對(duì)低溫液氮、泵液氦溫度進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，而溫度精確測(cè)量與裝置熱負(fù)荷算量、導(dǎo)體超導(dǎo)性能及運(yùn)行穩(wěn)定性息息相關(guān)。本文主要立足于低溫溫度計(jì)角度，深入探究低溫溫度計(jì)標(biāo)定精度的影響因素，并提出針對(duì)性解決對(duì)策，以期指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：低溫溫度計(jì)；標(biāo)定精度；影響因素

托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)屬于我國“九五”大科學(xué)工程，為我國自行設(shè)計(jì)與制造。在實(shí)驗(yàn)裝置中，溫度測(cè)量作為超導(dǎo)磁體系統(tǒng)技術(shù)診斷的重要內(nèi)容，目前已成為了基礎(chǔ)性運(yùn)行參數(shù)測(cè)量。通常而言，運(yùn)行溫度與裝置熱負(fù)荷算量、導(dǎo)體超導(dǎo)性能與運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性均存在密切聯(lián)系，故而在實(shí)際操作過程中，溫度測(cè)量精度要求相對(duì)較高。一般來講，依據(jù)裝置設(shè)計(jì)要求，液氦溫區(qū)溫度測(cè)量誤差必須要在0.1K以下，故而應(yīng)詳細(xì)研究溫度計(jì)各個(gè)設(shè)定環(huán)節(jié)，主要包括標(biāo)定、安裝及數(shù)據(jù)采集等?；诖?，筆者綜合自身多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，立足于低溫溫度計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)角度，深入探究標(biāo)定過程中標(biāo)定精度的影響因素，并提出針對(duì)性解決策略，旨在確保標(biāo)定結(jié)果，指導(dǎo)實(shí)踐工程。

1 低溫溫度計(jì)標(biāo)定精度影響因素與解決策略

通常來講，構(gòu)建低溫溫度計(jì)標(biāo)定裝置，主要是在恒溫塊上促使標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與待標(biāo)溫度計(jì)間實(shí)現(xiàn)熱平衡。當(dāng)溫度范圍處在2.8-300K間時(shí)，隔取某些溫度點(diǎn)對(duì)待標(biāo)溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，主要內(nèi)容包括溫度與相對(duì)應(yīng)電阻值，再依據(jù)切比雪夫多項(xiàng)式將其擬合成曲線，構(gòu)建電阻與溫度關(guān)系曲線。一般而言，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，只要對(duì)當(dāng)前溫度計(jì)電阻值進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)由換算就明確當(dāng)前溫度。從某種角度上來講，標(biāo)定系統(tǒng)主要組成部分包括三個(gè)方面：一是可變溫低溫容器，二是恒流源，三是數(shù)據(jù)采集。通常低溫溫度標(biāo)定主要是在可變溫低溫容器恒溫塊上促使標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與待標(biāo)溫度計(jì)實(shí)現(xiàn)熱平衡。但在實(shí)際操作過程中，低溫裝置中的數(shù)據(jù)處理、溫度計(jì)自熱、漏熱、測(cè)量線路等因素均易造成待標(biāo)溫度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)間的溫差差異。要想確保低溫溫度計(jì)標(biāo)定精準(zhǔn)，應(yīng)積極消除溫差。

1.1 安裝因素

立足于低溫標(biāo)定系統(tǒng)角度，基于無外來因素影響狀況下，主要以彼此間相接觸的兩物體平衡為基本依據(jù)。換言之，必須要確保相接觸的兩物體在溫度上一致?；诘蜏貭顩r下，特別是在高真空環(huán)境下，物體間的相互接觸相對(duì)較差，低溫下物體熱容量小，極其容易產(chǎn)生起伏，為了促使溫度計(jì)示值與恒溫塊真實(shí)溫度相接近，必須要重視溫度計(jì)安裝問題。通常狀況下，在低溫溫度計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)中，主要有兩種方式：第一，在恒溫塊上設(shè)置溫度計(jì)，促使其與溫度計(jì)間隙在0.1mm以下；第二，將一層真空脂（伴有AI2O3粉）涂在插入孔中的溫度計(jì)表面上，確保恒溫塊與溫度計(jì)接觸良好。

1.2 電子線路因素

一般在低溫溫度計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)中，電子線路易影響低溫溫度計(jì)標(biāo)定精度。于標(biāo)定低溫實(shí)驗(yàn)過程中，溫度計(jì)引線相對(duì)較長(zhǎng)，且較細(xì)，往往穿過溫度梯度區(qū)域，多為自室溫至液氦溫區(qū)，故而引線存在較大的電阻，為了預(yù)防引線對(duì)電阻產(chǎn)生影響，可應(yīng)用四線法消除其影響。

從本質(zhì)上來講，四線法主要是指自溫度計(jì)引線根部引出兩條線（詳見圖1），連線與接觸電阻為R1、R2、R3、R4，低溫電阻溫度計(jì)為RT，應(yīng)用恒流源，對(duì)電阻溫度計(jì)進(jìn)行供電，V0放大器輸入阻抗。在低溫標(biāo)定系統(tǒng)中，V0輸出數(shù)字接2001數(shù)字萬用表（吉時(shí)利）。

圖一 四線法電路測(cè)量

針對(duì)四線法低溫溫度計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)而言，其影響標(biāo)定系統(tǒng)精度因素主要包括兩個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度，二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)恒流源穩(wěn)定性。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常采用數(shù)字測(cè)量表（2001），其精度可至μV，確保10路模擬電壓信號(hào)順利輸入，經(jīng)由488總線將測(cè)量信號(hào)輸送至計(jì)算機(jī)，可最大限度地吻合標(biāo)定精度需求。采用自行設(shè)計(jì)的DHY-15（多路恒流源），能提供0.5、1、2、5、10μV等微小電流（正、反向），而應(yīng)用0.01級(jí)電阻獲得電流值（1000Q標(biāo)準(zhǔn)），可測(cè)試恒流源正、反向輸出電流一致性與穩(wěn)定性。當(dāng)為2、7、12、60μV檔時(shí)，開始電流值依次為2.5376μV、7.0496μV、12.8941μV、61.4559μV，1h后電流值分別為2.5378μV、7.0496μV、12.8939μV、61.4552μV。

由于標(biāo)定低溫溫度計(jì)屬于負(fù)溫度系數(shù)，于液氦溫區(qū)，其靈敏度處在1-3000Q/K之間；于液氮溫區(qū)，位于1-5Q/K之間；基于常溫下，多為0.4Q/K。在液氦溫區(qū)，自行設(shè)計(jì)的標(biāo)定系統(tǒng)電阻值測(cè)量值能精確至0.5Q，而處于液氮溫區(qū)與常溫區(qū)時(shí)，能精確至0.01K，符合精度要求。

1.3 溫度動(dòng)態(tài)變化因素

從低溫溫度計(jì)標(biāo)定角度出發(fā)，在恒溫塊上，要想促使待標(biāo)溫度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)之間實(shí)現(xiàn)熱平衡，必須要確保恒溫塊上溫度處于恒定狀態(tài)?？紤]到待標(biāo)溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、恒溫塊間存在熱慣性差異，故而溫度具有較大的差異，因而極其容易出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差。

為了減少差異，針對(duì)低溫標(biāo)定系統(tǒng)而言，必須要確保可變溫恒溫容器絕熱良好?？勺儨氐蜏厝萜髯鳛闃?biāo)定裝置的關(guān)鍵構(gòu)成部件，其恒溫效果與低溫溫度計(jì)精度息息相關(guān)，主要組成部分包括五個(gè)部分：一是恒溫塊，二是熱沉，三是防輻射屏，四是加熱器，五是真空室。在真空室內(nèi)，將大質(zhì)量銅塊恒溫塊（裝有溫度計(jì)）置入防輻射屏內(nèi)，采用細(xì)線（熱導(dǎo)小）將其懸于真空室內(nèi)，可避免環(huán)境溫度影響恒溫塊，確保恒溫塊溫度處于恒定狀態(tài)。此外，在低溫標(biāo)定系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)恒溫塊上加熱絲功率，把控溫度上升速度，減少溫度上升速度對(duì)溫度計(jì)標(biāo)定精度的影響。

1.4 標(biāo)定系統(tǒng)低溫特性因素

在標(biāo)定裝置中，如在處理低溫特性時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)，易會(huì)影響標(biāo)定精度。通常在低溫標(biāo)定系統(tǒng)中，溫度計(jì)獲取或喪失熱量的關(guān)鍵途徑為溫度計(jì)引線傳熱，故溫度計(jì)引線必須要符合與被測(cè)物體溫度。由此可見，必須要重視低溫裝置中溫度測(cè)量熱沉問題。于恒溫塊上固定熱沉，自室溫區(qū)引入測(cè)量引線，待繞熱沉幾匝后連接溫度計(jì)，熱沉可充分吸收沿引線漏熱，降低低溫溫度計(jì)、恒溫塊、引線、恒溫溫度計(jì)間溫度差，進(jìn)而提升標(biāo)定精度。

此外，在進(jìn)行低溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)重視熱電勢(shì)問題。一般而言，溫差熱電勢(shì)與回路中電流方向及大小無相關(guān)性，待溫度趨于穩(wěn)定后，溫度計(jì)通過正、反向電流（大小相等）將電壓值進(jìn)行適當(dāng)處理，獲取其平均值，將溫差熱電勢(shì)消除后下待標(biāo)溫度計(jì)精確電阻值即為所獲取電阻值。應(yīng)用此種方法，能將熱電勢(shì)影響消除。采用正反向電流標(biāo)定（x28279-AA）常溫、液氮、液氦三個(gè)溫區(qū)，從數(shù)據(jù)可知，于液氦溫區(qū)，基于熱電勢(shì)影響，標(biāo)定溫度計(jì)誤差為0.09K；于液氮溫區(qū)，誤差為0.45K（詳見表1）。在實(shí)際中，低溫標(biāo)定中未采用正反向電流難以確保精度。

表1 溫度計(jì)（x28279-AA）正反向電流與熱電勢(shì)實(shí)際標(biāo)定消除溫度值

X11763 液氮溫區(qū) 液氦溫區(qū) 常溫區(qū)

實(shí)際值（K） 77.495 4.235 275.090

正向值（K） 77.250 4.180 275.350

反向值（K） 77.740 4.270 274.830

另外，針對(duì)溫度計(jì)自熱而言，必須要局限在許可范圍內(nèi)，只有這樣，才能確保被測(cè)物體與溫度計(jì)間溫度差小于實(shí)驗(yàn)精度限制。具體而言，低溫溫度計(jì)兩端端電壓必須要處在3-5mV之間，可降低自熱影響。在標(biāo)定中，經(jīng)調(diào)節(jié)恒流源電流大小，可確保標(biāo)定溫度計(jì)電壓維持在3-5mV之間。

1.5 數(shù)據(jù)處理因素

數(shù)據(jù)處理是否得當(dāng)也是影響標(biāo)定精度的一種重要因素。在處理數(shù)據(jù)過