Газовий термометр для кріогенних температур

Реферат: UA 86792 U UA 86792 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до термометрії, а саме до сенсорів температури, і може використовуватись у кріогенній техніці: кріоелектроніці, кріоелектротехніці, а також ракетній техніці та інших галузях науки та техніки. Відомий газовий термометр, у якому одна стінка робочого резервуара являє собою мембрану, яка і є чутливим елементом ємнісного манометра. Вимірювальний пристрій дозволяє врівноважувати тиск в резервуарі термометра з тиском верхньої камери, з'єднаної з ртутним манометром за рахунок використання мембрани. Однак, конструкція такого газового термометра є надто складною, оскільки вимірювальний пристрій складається з ємнісного мембранного манометра та зовнішньої системи для врівноваження тиску в резервуарі, заповненому газоподібним гелієм, з метою компенсації зміни об'єму. Крім того, процес вимірювання температури полягає в одночасному відліку висоти стовпа ртутного манометра, тиск в якому врівноважується за показами мембранного манометра. Це призводить до труднощів при вимірюваннях, пов'язаних з визначенням температури ртуті та точністю вимірювання висоти меніска ртутного манометра. [Орлова М.П., Погорелова О.Ф., Улыбин С.А. Низкотемпературная термометрия. М., Энергоатомиздат (1987), с. 280]. Найбільш близьким аналогом є газовий термометр для кріогенних температур, як вимірювальний елемент використовують чутливий елемент сенсора механічних величин на основі НК кремнію р-типу, закріплений на мембрані, якою оснащений резервуар, що електрично з'єднаний з блоком обробки і виводу сигналу [А.О. Дружинін, О.П. Кутраков, Н.С. Лях-Кагуй. Газовий термометр. Деклараційний патент на корисну модель № 79101 від 10.04.2013 за заявкою u20121282 від 22.10.2012. Бюл. № 7 від 10.04.2013]. Однак, конструкція такого газового термометра не дозволяє враховувати зміну об'єму резервуара, і тому дає відносно низьку точність вимірювань. Крім того, тензочутливість закріпленого на мембрані чутливого елемента на основі НК кремнію, легованого бором, з 5 питомим опором 0,01-0,013 Ом×см є дуже високою, досягає 10 , однак лише у вузькому інтервалі температур 2-10 К це обмежує робочий діапазон термометра. В основу корисної моделі поставлена задача створити газовий термометр для кріогенних температур, в якому нове конструктивне виконання дало б підвищення точності вимірювань, а також розширило б діапазон вимірюваних температур від 2 до 300 К. Поставлена задача вирішується тим, що газовий термометр для кріогенних температур, що містить тензорезистор на основі НК кремнію р-типу, легованого бором, який закріплений на мембрані, якою оснащений заповнений газоподібним гелієм резервуар, що електрично з'єднаний з блоком обробки і виводу сигналу, згідно з корисною моделлю, додатково встановлено тензорезистори, один на мембрані та два на внутрішній стороні корпусу резервуара, причому тензорезистори на мембрані та внутрішній стороні корпусу резервуара закріплені перпендикулярно один одному і кожен з питомим опором 0,005 Ом×см. Оснащення мембрани двома тензорезисторами, які одночасно зазнають деформації стиску та розтягу, відповідно, і з'єднані у вимірювальну мостову схему, ще приводить до підвищення чутливості при вимірюванні зміни тиску в резервуарі. Використання двох додаткових тензорезисторів, закріплених на внутрішній стороні резервуара, заповненого газоподібним гелієм, перпендикулярно один одному, дозволяє враховувати зміну об'єму резервуара, що підвищує точність вимірювань температури. Застосування тензорезисторів на основі НК кремнію р-типу, легованих бором, з питомим опором 0,005 Ом×см, які мають металевий тип провідності, тобто мають близьку до лінійної температурну залежність опору в широкому інтервалі температур 2-300 К (фіг. 3), дає можливість розширити робочий діапазон термометра. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено газовий термометр для кріогенних температур, де 1 - резервуар; 2 - мембрана; 3, 4 - тензорезистори, закріплені на мембрані; 5. 6 - тензорезистори, закріплені на резервуарі; 7 - блок обробки і виводу сигналу; на фіг. 2 наведено залежність вихідного сигналу мостової схеми тензорезисторів від тиску за температур: І - 4,2 К; II - 77 К; III - 300 К.; на фіг. 3 представлена температурна залежність відносної зміни опору тензорезистора на основі НК кремнію з питомим опором 0,005 Ом×см. Газовий термометр для кріогенних температур (фіг. 1) складається з резервуара 1, який оснащений мембраною 2, два тензорезистори 3 і 4 закріплені на мембрані перпендикулярно один одному, резервуар 1 також оснащено двома додатковими тензорезисторами 5 і 6, причому тензорезистор 5 вертикально, а тензорезистор 6 - горизонтально. Всі тензорезистори з питомим опором 0,005 Ом×см, з'єднані в мостову вимірювальну схему з лінійною залежністю їх вихідного сигналу від тиску за різних температур (фіг. 2) та електрично з'єднані з блоком обробки і виводу сигналу 7. 1 UA 86792 U 5 10 Газовий термометр для кріогенних температур працює наступним чином. У вимірюване середовище поміщаємо газовий термометр для кріогенних температур, резервуар 1 якого, заповнений газоподібним гелієм, точність вимірюваних температури якого, напряму залежить від точності вимірювання тиску в резервуарі 1. При зміні температури вимірюваного середовища змінюється тиск, що приводить до деформації мембрани 2, яка фіксується тензорезисторами 3 і 4, за рахунок того, що вибрано тензорезистори з лінійною температурною залежністю опору (фіг. 3). Два тензорезистори 5 і 6, закріплені на корпусі резервуара 1 горизонтально і вертикально, відповідно, вимірюють деформацію, зумовлену зміною об'єму резервуара. Дані передаються в блок обробки і виводу сигналу 7, який являє собою перетворювач, що видає значення температури, враховуючи похибку за рахунок зміни об'єму. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Газовий термометр для кріогенних температур, що містить тензорезистор на основі НК кремнію р-типу, легованого бором, який закріплений на мембрані, якою оснащений заповнений газоподібним гелієм резервуар, що електрично з'єднаний з блоком обробки і виводу сигналу, який відрізняється тим, що додатково встановлено тензорезистори, один на мембрані та два на внутрішній стороні корпусу резервуара, причому тензорезистори на мембрані та внутрішній стороні корпусу резервуара, закріплені перпендикулярно один одному і кожен з питомим опором 0,005 Ом×м. 2 UA 86792 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 3