Пристрій для визначення стабільності низькотемпертурних термометрів

1. Пристрій для визначення стабільності термометрів низьких температур, який включає виготовлений з безкисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури з рівновіддаленими від центру блока циліндричними отворами з розташованими в них еталонним термометром опору та 3 нержавіючої сталі, в яких розміщують досліджувані зразки та еталонний термометр. Стержень має два теплові якорі для захисту від теплового потоку із зовнішнього середовища. Також кришка містить клапани для наповнення кріогенною рідиною та її випаровування. Пристрій включає також електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури. Блок вирівнювання температури з еталонним платиновим термометром опору та платиновими термометрами опору, стабільність яких досліджується, занурюють в колбу, заповнену рідким азотом, і витримують в ній. В кріостаті за допомогою генератора негативного тиску встановлюють такий тиск, який фіксує значення температури кипіння рідкого азоту. Стабільність досліджуваних термометрів опору визначають з даних вимірювання відхилення значень їх опору при температурі Tкип . Величину Tкип розраховують по даних вимірювання опору еталонного платинового термометра та його термометричної характеристики. Недоліком аналога є складність пристрою, яка пов'язана з необхідністю забезпечення його герметичності з метою встановлення заданого тиску над поверхнею рідкого азоту. Другим його недоліком є вплив неточності встановлення заданого тиску на температуру кипіння рідкого азоту. Однак, головний недолік аналога, в тому, що визначення стабільності термометрів ґрунтується на припущенні, що в конструкції блока вирівнювання температури, який занурено в рідкий азот, відсутній градієнт температури, і температура еталонного платинового термометра опору, розміщеного в одному з отворів блока, є такою ж, як і температура кожного окремого термометра. У той же час блок має тепловий контакт з зовнішнім середовищем, оскільки розміщені в блоці еталонний термометр та термометри, стабільність яких визначається, мають електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури. Через приплив тепла з зовнішнього середовища в блоці вирівнювання температури присутній градієнт температури, величина якого не може контролюватися одним зразковим платиновим термометром опору, що не забезпечує необхідної точності вимірювання температури блока. Оскільки стабільність досліджуваних термометрів опору визначають з даних вимірювання їх опору при температурі, величина якої визначається вимірюванням температури азоту одним еталонним термометром, аналог не забезпечує необхідну точність визначення стабільності низькотемпературних термометрів. Відомий пристрій для визначення стабільності низькотемпературних платинових термометрів вибраний нами за прототип [7], в якому враховується вплив атмосферного тиску на температуру кипіння рідкого азоту. Пристрій включає блок вирівнювання температури, виготовлений з безкисневої міді, який виконаний у вигляді циліндра з чотирма рівновіддаленими від центру отворами в ньому, в одному з яких розміщують платиновий еталонний термометр опору, за допомогою якого 64812 4 вимірюється температура блока. В інших трьох отворах розміщують платинові термометри опору, стабільність яких визначається. Пристрій включає також електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури. Блок вирівнювання температури розміщуTM ється в посудині Дьюара типу Руrех DewarFlask за допомогою стержня, який прикріплюється до кришки, що ізолює рідкий азот від зовнішнього середовища. Стабільність досліджуваних платинових термометрів опору за допомогою даного пристрою визначають наступним чином. Закріплений на стержні блок вирівнювання температури з еталонним платиновим термометром опору та зразками платинових термометрів опору занурюють в посудину Дьюара з рідким азотом і витримують протягом 30 хвилин, після чого вимірюють температуру блока еталонним платиновим термометром опору. Стабільність досліджуваних термометрів опору визначають з даних вимірювання відхилень значень їх опору при температурі Tкип . Величину Tкип розраховують по даних вимірювання опору еталонного платинового термометра та його термометричної характеристики. Недоліком прототипу є те, що визначення стабільності термометрів ґрунтується на припущенні, що в конструкції блока вирівнювання температури, який занурено в рідкий азот, відсутній градієнт температури, і температура еталонного платинового термометра опору, розміщеного в одному з отворів блока, є такою ж, як і температура кожного окремого термометра. В той же час блок вирівнювання температури має тепловий контакт з зовнішнім середовищем, оскільки розміщені в блоці низькотемпературний термометр опору та термометри, стабільність яких визначається, мають електричні лінії зв'язку, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури. Через приплив тепла з зовнішнього середовища в блоці вирівнювання температури присутній градієнт температури, величина якого не може контролюватися одним еталонним платиновим термометром опору. А це, в свою чергу, не забезпечує необхідної точності вимірювання температури блока, і тому прототип не забезпечує необхідної точності визначення стабільності низькотемпературних термометрів. Відзначимо також, що в прототипі як еталонний термометр опору та низькотемпературних термометрів, стабільність яких визначається, використовуються термометри однієї фізичної природи та конструкції - платинові термометри опору. Однак, у випадку визначення стабільності низькотемпературних термометрів іншої природи, ніж платинові термометри опору (наприклад, діодні або напівпровідникові термометри опору), конструкція яких відрізняється від конструкції типового еталонного платинового термометра опору, величина однорідності температурного поля в блоці вирівнювання температури може суттєво змінюватись, що впливає на точність визначення стабільності. Виходячи з вищевказаних недоліків, відомі пристрої, прототип та аналог, не можуть викорис 5 товуватися при дослідженні стабільності низькотемпературних термометрів іншої природи (наприклад, напівпровідникові термометри опору, діодні термометри), а також низькотемпературних термометрів, які мають інші конструктивні особливості в порівнянні з еталонним платиновим термометром опору. Також відомі пристрої, прототип та аналог, мають недостатню точність визначення стабільності при дослідженні платинових термометрів опору, конструктивні характеристики яких співпадають з конструктивними характеристиками (довжина, діаметр) еталонного платинового термометра. Задача, на рішення якої направлено заявлене технічне рішення, полягає в розробці нового пристрою, який забезпечує підвищення точності визначення стабільності низькотемпературних термометрів різної природи (платинові, напівпровідникові термометри опору, діодні термометри та інші) та різного конструктивного виконання (об'ємні, поверхневі термометри, які мають форму циліндра або прямокутної призми) при температурі кипіння рідкого азоту. Поставлена задача вирішається тим, що пристрій для визначення стабільності термометрів низьких температур, який включає виготовлений з безкисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури з рівновіддаленими від центру блока циліндричними отворами з розташованими в них еталонним термометром опору та термометрами, стабільність яких визначається, електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури, відрізняється тим, що в отворах блока вирівнювання температури додатково розміщують за допомогою різьбового з'єднання виконані з безкисневої міді циліндричні тримачі, що мають наскрізні прямокутні вирізи і пружинні затискачі для встановлення термометрів, стабільність яких визначається. Пристрій відрізняється також тим, що для підвищення точності визначення стабільності термометрів, блок вирівнювання температури додатково містить отвір з додатковим еталонним термометром, розташованим діаметрально до першого еталонного термометра і на такій самій відстані від центру блока, як і всі інші отвори. Розглянемо більш детально пристрій, що заявляється. Суть винаходу пояснюється фігурами 1 і 2, на яких зображено пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів та його конструктивний елемент тримач, відповідно. Пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів включає виготовлений з безкисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури (фіг. 1, поз. 1) з рівновіддаленими від центра блока циліндричними отворами (фіг. 1, поз. 2). В двох отворах розташовані еталонні платинові термометри опору (фіг. 1, поз. 3, 4). В восьми отворах (фіг. 1, поз. 2) розташовані термометри, стабільність яких визначається. Еталонні термометри розташовані на такій самій відстані від центру блока, як і всі інші термометри. Другий еталонний термометр (фіг. 1, поз. 4) діаметрально розташований від отвору, в якому міститься перший еталонний термометр 64812 6 (фіг. 1, поз. 3). Термометри, стабільність яких визначається, розміщуються в виконаних з безкисневої міді циліндричних тримачах (фіг. 1, поз. 5). Тримач (фіг. 2, поз. 5) має наскрізний прямокутний виріз (фіг. 2, поз. 11) з пружинним затискачем (фіг. 2, поз. 12) для встановлення термометра (фіг. 2, поз. 13). В отворах блока вирівнювання температури тримачі розміщують за допомогою різьбового з'єднання (фіг. 1, поз. 6; фіг. 2, поз. 14) для забезпечення механічного та теплового контакту між блоком та тримачем. Блок вирівнювання температури за допомогою металевого стержня (фіг. 1, поз. 7) з'єднується з електричним роз'ємом (фіг. 1, поз. 8). Електричні лінії зв'язку термометрів (фіг. 1, поз. 9) підключені за допомогою електричних контактів (фіг. 2, поз. 10) через електричний роз'єм до вторинної апаратури. На фіг. 3 зображений пристрій, що заявляється, з вказаними габаритними розмірами. Платинові еталонні термометри призначені для визначення температури та градієнта температури блока вирівнювання температури. Завдяки запропонованій конструкції тримача можна дослідити стабільність низькотемпературних термометрів, геометричні розміри та форми яких відрізняються від еталонних платинових термометрів, наприклад, типу ПТС. Використання додаткового платинового еталонного термометра дозволяє визначити стабільність термометрів з урахуванням градієнта температурного поля блока вирівнювання температури, що підвищує точність визначення температури блока, зануреного в рідкий азот. Таким чином, сукупність відомих і відмінних конструктивних ознак пристрою, що заявляється, а саме: - в отворах блока вирівнювання температури додатково розміщують за допомогою різьбового з'єднання виконані з безкисневої міді циліндричні тримачі, - тримачі мають наскрізні прямокутні вирізи і пружинні затискачі для встановлення термометрів, стабільність яких визначається, - блок вирівнювання температури додатково містить отвір з додатковим еталонним термометром, розташованим діаметрально до першого еталонного термометра і на такій самій відстані від центру блока, як і всі інші отвори, забезпечує досягнення нового позитивного результату - підвищення точності визначення стабільності низькотемпературних термометрів різної фізичної природи (зокрема діодних термометрів, платинових та напівпровідникових термометрів опору різних геометричних розмірів) в будь-якій посудині Дьюара з рідким азотом на відміну від відомих технічних рішень. Пристрій працює наступним чином. Зразки низькотемпературних термометрів, стабільність яких визначається, розміщують в тримачах під пружинним затискачем (фіг. 2, поз. 12). Далі тримачі за допомогою різьбового з'єднання (фіг. 2, поз. 14) вкручують в отвори блока вирівнювання температури (фіг. 1, поз. 2). Електричні лінії зв'язку термометрів (фіг. 1, поз. 9) підключені за допомогою електричних контактів (фіг. 1, поз. 10) через елект 7 ричний роз'єм (фіг. 1, поз. 8) до вторинної апаратури. Далі закріплений на стержні блок вирівнювання температури з еталонними термометрами та зразками низькотемпературних термометрів повільно занурюють в посудину Дьюара з рідким азотом. За показаннями еталонних платинових термометрів T1 та T2 , де T1, T2 - температура першого та другого термометра, відповідно, визначається температура блока вирівнювання температури T  T2 T 1 та градієнт температури блока вирів2 нювання температури   T1  T2 . При досягненні заданого градієнта   20 мК виконують вимірювання вихідних електричних сигналів (напруги, опору) низькотемпературних термометрів, стабільність яких визначається. Джерела інформації: 1. Yeager, C. J.; Courts, S. S. A review of cryogenic thermometry and common temperature sensors//IEEE Sensors Journal Dec. - 2001. - Vol. 1. N 4. - P. 352-360. 64812 8 2. Геращенко О. А. Тепловые и температурные измерения: Справочное руководство / О. А. Геращенко, В. Г. Федоров.- Киев: Наукова думка, 1965. - 304 с. 3. Temperature Measurement and Control Catalog. Cryogenic Sensors, Instruments, and Accessories // Product and Reference Guide. Westerville, Ohio (USA): Published by Lake Shore Cryotronics, Inc., 2004. - 231 p. 4. Courts S. S., Yeager С J. Long-Term Stability of Germanium Resistance Thermometers//АІР Conf. Proc. - 2003. - Vol. 684. - P. 405-410. 5. Vepek J. and Strnad P. Stability of silicon diodes as temperature sensors in the range 4.2 - 273 К //Cryogenics. - 1984. - Vol. 24. - N 5. - P. 245-248. 6. Kodaira K.: "Practical liquid nitrogen boiling point apparatus with high stability", SICE Annual Conference 2003, Fukui, Japan. 7. Simple Liquid N2 Apparatus http://www.isotech.co.uk/products/secondary laboratory/low-temperature-calibration/simplenitrogen-boiling-point-apparatus-model-461.php. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 64812 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601