低温温度电测量研究

　　1　引　言

　　随着新材料科学的发展和进步,超导材料临界转变温度的提高,超导技术得到更广泛的实际应用,例如核磁共振医疗成像仪大量使用。低温技术为超导装置和设备提供低温环境条件,是超导及其应用的关键技术。在低温技术中,温度的测量是最基本的测量。

　　近年来,由于自动化与计算机技术的进步,使得许多物理参数的测量实现了自动测量与远距离传输和网络连接。低温温度的自动测量、远距离数字传输和网络连接不仅是低温与超导技术基础研究的需要,也是其应用研究和产品推广应用的需要和发展方向。

　　温度的电测量需要由传感器把温度信号变换成电信号,因此低温温度的电测量问题首先是低温温度传感器问题,然后是电信号的放大、数字转换、传输和网络连接问题。

　　2　低温温度传感器及其特性

　　把温度信号转换成电信号的传感器主要有以下几种:热电偶、热电阻、PN结(半导体)二极管和热敏电阻。热电偶的主要特点:探头质量小,结构简 单,便于安装,电势输出,不会产生焦耳热。测量低温的常用热电偶及特性如表1所列。热电阻的主要特性:电阻温度系数大,温度灵敏度高,产生焦耳热。测量低 温的常用热电阻如表2所列。

　　PN结(半导体)二极管检测温度由美国LakeShore公司于1972年提出,与上述温度传感器相比有线性关系好、灵敏度高、测量范围宽等优 点。硅和砷化镓二极管在1~400 K内具有近似的线性关系。硅二极管的灵敏度高,在4·2 K附近为50mV/K,在77 K附近为2·75 mV/K,外形尺寸(直径mm×长度mm)为6×2。

　　热敏电阻是多晶半导体,它是用两种以上的过渡族金属的锰、镍、铜、铁、钴等的氧化物在高温下(低于1300℃)烧结而成。在低温下,具有灵敏度 高、响应速度快等优点,温度范围为20 ~1073 K,其电阻与温度的关系是非线性的(指数函数),外形尺寸(直径mm×长度mm)为2·5×2。

　　热电偶在使用前需要进行温度校验工作,得到温度校正曲线,作为实际测量时的误差修正依据。英国ISTECH公司是世界第一的温度校验设备制造商 (使用ITS290温度标准,产品分主基准级实验室校验仪器、二级实验室校验仪器和工业级校验仪器3个档次),该公司的液氮沸点瓶( ITL2M218205),水银3相点瓶(ITL2M217724)和水3相点瓶(ITL2M218233),可作为低温热电偶校验的主要温度点,标准温 度传感器用该公司的铂电阻温度计(935214213)。普通液氮杜瓦不能作为标准温度点,因为有空气中的氧进入杜瓦形成液氧而影响温度基准。

　　3　低温温度电测量问题

　　低温温度电测量主要有以下问题: 1·传感器的安装; 2·引线传热导致温度误差; 3·温度信号放大器误差和模数转化误差。