Пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів

Реферат: UA 87819 U UA 87819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області термометрії, і може бути застосовано для визначення стабільності промислових низькотемпературних термометрів, конструкція яких має форму конусу. Зокрема, пристрій може бути використаний для визначення стабільності високоточних низькотемпературних термометрів, наприклад, платинових термометрів опору типу ТП062, ТП073, ТШ98, металевий корпус яких має форму конусу [1]. Стабільність є властивістю низькотемпературних термометрів зберігати свої метрологічні характеристики постійними в часі, і вона визначається методом калібрування термометрів в реперних точках, які відтворюють температуру із заданою точністю [2]. Відомо, що стабільність низькотемпературних платинових термометрів опору (діапазон робочих температур 13-373 К) [3], залізо-родієвих термометрів опору (діапазон робочих температур 4,2-373 К) [3], діодних термометрів (4,2-473 К) [3-5] визначається з використанням температури кипіння рідкого азоту Ткип. Однак, Ткип не є реперною температурною точкою, оскільки її величина залежить від таких зовнішніх факторів, як атмосферний тиск та хімічний склад рідкого азоту. В залежності від вказаних факторів Ткип може змінюватись в досить широких температурних межах - ±0.2 К (в абсолютних значеннях температури 77.2 К…77.6 К) [2]. Тому для підвищення точності визначення стабільності термометрів з використанням вибраної температурної точки - рідкого азоту при температурі його кипіння - розробляють різні пристрої. Відомий пристрій аналог [6], призначений для визначення стабільності низькотемпературних платинових термометрів опору при температурі кипіння рідкого азоту Ткип в умовах встановлення постійного тиску над рідким середовищем. Пристрій включає в себе виготовлений з без кисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури з рівновіддаленими від центру блока трьома отворами з розташованому в одному з них платиновим термометром опору та з розташованими в двох інших отворах платинових термометрів опору, стабільність яких визначається. Блок розміщують в кріостаті, який складається з резервуара, виробленого з нержавіючої сталі з розміщеною в середині нього колбою, заповненою рідким азотом. Колба закрита кришкою, яка захищає азотну рідину від зовнішнього середовища. Між колбою та резервуаром розміщують теплоізолюючий матеріал. Захисна кришка має стержень, на якому тримається блок вирівнювання температури, а також трубки з нержавіючої сталі, через які розміщують досліджувані зразки та еталонний термометр. Стержень має два теплові якорі для захисту від теплового потоку з зовнішнього середовища. Також кришка містить клапани для наповнення кріогенною рідиною та її випаровування. Пристрій включає в себе 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 Ткип. Стабільність досліджуваних термометрів опору визначається наступним шляхом. Виконують послідовні вимірювання опору термометра через визначені проміжки часу, а далі розраховують різниці показань опору термометра при цих вимірюваннях. Далі розраховують середнє значення різниці показань опору термометра δR. Стабільність термометра 5Г(в одиницях температури) визначають з виразу δТ=δR/α, де α - температурна чутливість термометра при температурі Ткип, величину якої розраховують за даними вимірювання опору еталонного платинового термометра та його термометричної характеристики. Недоліком аналогу 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 Ткип. Недолік аналогу також 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 приток 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 1 UA 87819 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 визначається вимірюванням температури азоту одним еталонним термометром, аналог не забезпечує необхідну точність визначення стабільності низькотемпературних термометрів. Блок вирівнювання температури відомого пристрою дозволяє розміщувати в ньому лише термометри, металевий корпус яких має форму циліндра. У випадку, якщо конструкція корпуса термометра має форму конусу, даний пристрій використовувати не можливо. Відомий пристрій аналог для визначення стабільності низькотемпературних платинових термометрів при температурі кипіння рідкого азоту [7]. Пристрій включає блок вирівнювання температури, виготовлений з безкисневої міді. Блок виконаний у вигляді циліндра з чотирма рівновіддаленими від центру отворами в ньому, в одному з яких розміщують платиновий еталонний термометр опору для вимірювання температури 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 розміщується в посудині Дьюара типа Pyrex™ DewarFlask за допомогою стержня. Стержень 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 в ній протягом 30 хвилин, після чого вимірюють температуру блока еталонним платиновим термометром опору. Стабільність досліджуваних термометрів опору визначається шляхом визначення різниці між попереднім та наступним вимірюванням опору термометра. Далі розраховують середнє значення різниці показань опору термометру δR. Стабільність термометрів δT (в одиницях температури) визначають з виразу δТ=δR/α. Значення температури кипіння рідкого азоту Ткип визначають за допомогою еталонного термометра. Значення розраховують за даними вимірювання опору еталонного платинового термометра та його термометричної характеристики. Недоліком аналогу 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 приток 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 аналог не забезпечує необхідної точності визначення стабільності низькотемпературних термометрів. Розглянутий пристрій призначений для досліджень стабільності термометрів, корпуси яких мають форму циліндра. Відомий пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів, вибраний нами за прототип [8], в якому забезпечується 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 Ткип. Пристрій 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, 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. Пристрій працює наступним чином. Зразки низькотемпературних термометрів з прямокутною формою корпусів, стабільність яких визначається, розміщують в тримачах під пружинним затискачем. Далі тримачі за допомогою різьбового з'єднання вкручують в отвори блока вирівнювання температури. Електричні лінії зв'язку термометрів підключені за допомогою електричних контактів через 2 UA 87819 U електричний роз'їм 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 показами еталонних платинових термометрів T1 та T2 , де T1 , T2 - температура першого та другого термометра, відповідно, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 T  T2 T 1 та градієнт 2 температури блока вирівнювання температури   T1  T2 . При досягненні заданого градієнту δ ≤ 20 мК виконують вимірювання вихідних електричних сигналів (напруги, опору) низькотемпературних термометрів, стабільність яких визначається. Пристрій-прототип дозволяє з високою точністю досліджувати стабільність термометрів, корпус яких має форму циліндра або паралелепіпеда. Однак пристрій не призначений для дослідження стабільності низькотемпературних термометрів, які мають форму конусу. Наприклад, таку форму мають платинові термометри опору типу ТП 062, ТП 073 та інші, які випускаються промисловістю України [1]. Таким чином, відомі пристрої, прототип та аналоги, не можуть бути використані для дослідження точного дослідження стабільності промислових низькотемпературних термометрів, конструкція яких має форму конусу. В основу корисної моделі поставлена задача розробки нового пристрою, який забезпечує з високою точністю визначення стабільності низькотемпературних термометрів різної природи (платинові, напівпровідникові термометри опору, діодні термометри та інші), конструкція яких має форму конусу при температурі кипіння рідкого азоту. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для визначення стабільності термометрів низьких температур включає виготовлений з безкисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури з рівновіддаленими від центру блока циліндричними отворами з розташованими в них еталонними термометрами опору, електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури, який відрізняється тим, що в центрі блока вирівнювання температури розташовано циліндричний отвір з розміщеними в ньому виконаними з безкисневої міді двома складеними вкладишами, всередині яких розміщений термометр, стабільність якого визначається, причому внутрішня поверхня вкладишів має форму усіченого конусу та збігається з зовнішньою формою термометра, а зовнішня поверхня вкладишів має форму циліндра, діаметр якого дорівнює діаметру циліндричного отвору блока вирівнювання температури. Пристрій відрізняється також тим, що для підвищення точності визначення стабільності термометрів розміщені в блоці вирівнювання температури еталонні термометри опору та термометр, стабільність якого визначається, знаходяться на однаковій відстані від поверхні блока. Суть корисної моделі пояснює креслення. Фіг. 1, 2, і 3, на яких зображено досліджуваний термометр, металевий корпус якого має форму конусу (фіг. 1), пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів (фіг. 2), та його конструктивний елемент - циліндричний вкладиш, внутрішня поверхня якого має форму конусу (фіг.3). Пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів включає виготовлений з безкисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури (фіг. 2, поз. 1) з рівновіддаленими від центру блока двома циліндричними отворами (фіг. 2, поз. 2, 3), які рівновіддалені від центру блока та знаходяться на діаметральній відстані уявного кола один від одного. В двох отворах розташовані еталонні платинові термометри опору (фіг. 2, поз. 4, 5). В центрі блока вирівнювання температури розташовано додатково циліндричний отвір (фіг.2, поз. 6) з розміщеними в ньому виконаними з безкисневої міді двома циліндричними вкладишами (фіг. 3, поз. 7), внутрішня форма цих вкладишів має форму усіченого конуса (фіг.3, поз. 8), яка збігається із зовнішньою формою термометру (фіг. 1). Стабільність термометру визначається з використанням температури кипіння рідкого азоту Ткип. Термометр, стабільність якого визначається, розміщують всередині вкладишів (фіг. 2, поз. 9). Платинові еталонні термометри призначені для визначення температури та градієнта температури блока вирівнювання температури. Запропоновані два циліндричні вкладиші, виконані з безкисневої міді, мають внутрішню поверхню, форма якої - усічений конус. При цьому форма конусу збігається з формою термометра, стабільність якого визначається. Завдяки такій формі вкладишів, досліджуваний термометр надійно та щільно розміщується всередині вкладишів, і, таким чином, забезпечується надійний тепловий контакт досліджуваного термометра, стабільність якого визначається, з блоком вирівнювання температури. визначається температура блока вирівнювання 3 температури UA 87819 U 5 10 15 20 25 30 35 Таким чином, сукупність відомих і відмінних конструктивних ознак пристрою, що заявляється, а саме: - в додатковому циліндричному отворі, розташованому у центрі блока вирівнювання температури, розміщені виконані з безкисневої міді два складених вкладиші; - внутрішня поверхня складених вкладишів має форму усіченого конусу, форма якого збігається з формою термометра, стабільність якого визначається, та забезпечує розміщення термометра всередині складених вкладишів (при цьому досягається надійний та цільний тепловий контакт термометра з блоком вирівнювання температури); - зовнішня поверхня складених вкладишів має форму циліндра, діаметр якого дорівнює діаметру отвору в центрі блока вирівнювання температури, що забезпечує розміщення складених вкладишів з термометром в додатковий циліндричний отвір у центрі блока вирівнювання температури (при цьому також досягається надійний та цільний тепловий контакт термометра з блоком вирівнювання температури); - розміщені в блоці вирівнювання температури еталонні термометри опору та термометр, стабільність якого визначається, знаходяться на однаковій відстані λ (фіг. 2) від поверхні блока 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), металевий корпус яких має форму конусу, на відміну від відомих технічних рішень. Пристрій працює наступним чином. Досліджуваний термометр (стабільність його визначається) має металевий корпус, зовнішньою формою якого є усічений конус (фіг. 1). Два складені вкладиші мають зовнішню поверхню, формою якої є циліндр (фіг. 3, поз.7), та внутрішню поверхню, формою якої є усічений конус (фіг. 3, поз. 8). Форма внутрішньої поверхні вкладишів збігається з зовнішньою формою термометру (фіг. 1), стабільність якого визначається. Спочатку досліджуваний термометр (фіг. 1) розміщують всередині двох складених вкладишів (фіг. 3, поз. 8), а потім ці вкладиші з низькотемпературним термометром надійно та щільно розміщують в додатковому циліндричному отворі, розташованому у центрі блока вирівнювання температури (фіг. 2, поз. 6). Два еталонних платинових термометри опору надійно та щільно розміщують в циліндричних отворах, рівновіддалених від центру блока вирівнювання температури (фіг. 2, поз. 4,5). Електричні лінії зв'язку еталонних термометрів та досліджуваного термометра (фіг. 2) підключені за допомогою електричних контактів (фіг. 2, поз. 10) через електричний роз'єм (фіг. 2, поз. 10) до вторинної апаратури. Далі блок вирівнювання температури з еталонними термометрами та зразком низькотемпературного термометру повільно занурюють в посудину Дьюара з рідким азотом. За показами 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 вирівнювання температури   T1  T2 . При 2 досягненні заданого градієнту δ ≤ 20 мК виконують вимірювання вихідних електричних сигналів (напруги або опору) низькотемпературного термометра, стабільність якого визначається. 40 45 50 55 Джерела інформації: 1. Номенклатура продукции ООО "ДП "ЗАВОД РАПИД»», г. Чернигов, Украина, http://www.rapid.cn.ua/datchik 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 C.J. Long-Term Stability of Germanium Resistance Thermometers //AIP 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/lowtemperature-calibration/simple-nitrogen-boiling-point-apparatus-model-461.php 8. Патент України на корисну модель № 64812, МПК (2011.01), G01K 15/00 Пристрій для визначення стабільності низькотемпературних термометрів/ Шварц Ю.М., Фонкіч О.М., Копко 4 UA 87819 U Д.П., Шварц М.М., Сипко М.І. Опубл. 25.11.2011 p. Офіційний бюлетень "Промислова власність" №22, 2011 р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Пристрій для визначення стабільності термометрів низьких температур, який мітить виготовлений з без кисневої міді циліндричний блок вирівнювання температури з рівновіддаленими від центру блока циліндричними отворами з розташованими в них еталонними термометрами опору, електричні лінії зв'язку термометрів, підключені через електричний роз'єм до вторинної апаратури, який відрізняється тим, що в центрі блока вирівнювання температури розташовано циліндричний отвір з розміщеними в ньому виконаними з безкисневої міді двома складеними вкладишами, всередині яких розміщений термометр, стабільність якого визначають, причому внутрішня поверхня вкладишів має форму усіченого конусу та збігається з зовнішньою формою термометра, а зовнішня поверхня вкладишів має форму циліндра, діаметр якого дорівнює діаметру циліндричного отвору блока вирівнювання температури. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що розміщені в блоці вирівнювання температури еталонні термометри опору та термометр, стабільність якого визначається, знаходяться на однаковій відстані від поверхні блока. 5 UA 87819 U 6 UA 87819 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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 7