試論影響低溫溫度計標定精度的因素

蔡常新 宋藝文

云浮市質量計量監督檢測所 527300

摘要：目前，低溫冷凝泵作為中性柬注入器的一個關鍵組成部分，在裝置降溫、保溫、回溫階段都需對低溫液氮、泵液氦溫度進行系統監控，而溫度精確測量與裝置熱負荷算量、導體超導性能及運行穩定性息息相關。本文主要立足于低溫溫度計角度，深入探究低溫溫度計標定精度的影響因素，并提出針對性解決對策，以期指導工程實踐。

關鍵詞：低溫溫度計；標定精度；影響因素

托卡馬克核聚變實驗屬于我國“九五”大科學工程，為我國自行設計與制造。在實驗裝置中，溫度測量作為超導磁體系統技術診斷的重要內容，目前已成為了基礎性運行參數測量。通常而言，運行溫度與裝置熱負荷算量、導體超導性能與運行過程中的穩定性均存在密切聯系，故而在實際操作過程中，溫度測量精度要求相對較高。一般來講，依據裝置設計要求，液氦溫區溫度測量誤差必須要在0.1K以下，故而應詳細研究溫度計各個設定環節，主要包括標定、安裝及數據采集等。基于此，筆者綜合自身多年來的實踐經驗，立足于低溫溫度計標定系統角度，深入探究標定過程中標定精度的影響因素，并提出針對性解決策略，旨在確保標定結果，指導實踐工程。

1 低溫溫度計標定精度影響因素與解決策略

通常來講，構建低溫溫度計標定裝置，主要是在恒溫塊上促使標準溫度計與待標溫度計間實現熱平衡。當溫度范圍處在2.8-300K間時，隔取某些溫度點對待標溫度計進行標定，主要內容包括溫度與相對應電阻值，再依據切比雪夫多項式將其擬合成曲線，構建電阻與溫度關系曲線。一般而言，在溫度測量系統中，只要對當前溫度計電阻值進行測量，經由換算就明確當前溫度。從某種角度上來講，標定系統主要組成部分包括三個方面：一是可變溫低溫容器，二是恒流源，三是數據采集。通常低溫溫度標定主要是在可變溫低溫容器恒溫塊上促使標準溫度計與待標溫度計實現熱平衡。但在實際操作過程中，低溫裝置中的數據處理、溫度計自熱、漏熱、測量線路等因素均易造成待標溫度計與標準溫度計間的溫差差異。要想確保低溫溫度計標定精準，應積極消除溫差。

1.1 安裝因素

立足于低溫標定系統角度，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。換言之，必須要確保相接觸的兩物體在溫度上一致。基于低溫狀況下，特別是在高真空環境下，物體間的相互接觸相對較差，低溫下物體熱容量小，極其容易產生起伏，為了促使溫度計示值與恒溫塊真實溫度相接近，必須要重視溫度計安裝問題。通常狀況下，在低溫溫度計標定系統中，主要有兩種方式：第一，在恒溫塊上設置溫度計，促使其與溫度計間隙在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表面上，確保恒溫塊與溫度計接觸良好。

1.2 電子線路因素

一般在低溫溫度計標定系統中，電子線路易影響低溫溫度計標定精度。于標定低溫實驗過程中，溫度計引線相對較長，且較細，往往穿過溫度梯度區域，多為自室溫至液氦溫區，故而引線存在較大的電阻，為了預防引線對電阻產生影響，可應用四線法消除其影響。

從本質上來講，四線法主要是指自溫度計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，低溫電阻溫度計為RT，應用恒流源，對電阻溫度計進行供電，V0放大器輸入阻抗。在低溫標定系統中，V0輸出數字接2001數字萬用表（吉時利）。

圖一 四線法電路測量

針對四線法低溫溫度計標定系統而言，其影響標定系統精度因素主要包括兩個方面：一是數據采集系統精度，二是數據采集系統恒流源穩定性。在進行數據采集時，通常采用數字測量表（2001），其精度可至μV，確保10路模擬電壓信號順利輸入，經由488總線將測量信號輸送至計算機，可最大限度地吻合標定精度需求。采用自行設計的DHY-15（多路恒流源），能提供0.5、1、2、5、10μV等微小電流（正、反向），而應用0.01級電阻獲得電流值（1000Q標準），可測試恒流源正、反向輸出電流一致性與穩定性。當為2、7、12、60μV檔時，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。

由于標定低溫溫度計屬于負溫度系數，于液氦溫區，其靈敏度處在1-3000Q/K之間；于液氮溫區，位于1-5Q/K之間；基于常溫下，多為0.4Q/K。在液氦溫區，自行設計的標定系統電阻值測量值能精確至0.5Q，而處于液氮溫區與常溫區時，能精確至0.01K，符合精度要求。

1.3 溫度動態變化因素

從低溫溫度計標定角度出發，在恒溫塊上，要想促使待標溫度計與標準溫度計之間實現熱平衡，必須要確保恒溫塊上溫度處于恒定狀態。考慮到待標溫度計、標準溫度計、恒溫塊間存在熱慣性差異，故而溫度具有較大的差異，因而極其容易出現動態誤差。

為了減少差異，針對低溫標定系統而言，必須要確保可變溫恒溫容器絕熱良好。可變溫低溫容器作為標定裝置的關鍵構成部件，其恒溫效果與低溫溫度計精度息息相關，主要組成部分包括五個部分：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，將大質量銅塊恒溫塊（裝有溫度計）置入防輻射屏內，采用細線（熱導小）將其懸于真空室內，可避免環境溫度影響恒溫塊，確保恒溫塊溫度處于恒定狀態。此外，在低溫標定系統中，調節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溫度計標定精度的影響。

1.4 標定系統低溫特性因素

在標定裝置中，如在處理低溫特性時出現差錯，易會影響標定精度。通常在低溫標定系統中，溫度計獲取或喪失熱量的關鍵途徑為溫度計引線傳熱，故溫度計引線必須要符合與被測物體溫度。由此可見，必須要重視低溫裝置中溫度測量熱沉問題。于恒溫塊上固定熱沉，自室溫區引入測量引線，待繞熱沉幾匝后連接溫度計，熱沉可充分吸收沿引線漏熱，降低低溫溫度計、恒溫塊、引線、恒溫溫度計間溫度差，進而提升標定精度。

此外，在進行低溫標定實驗中，應重視熱電勢問題。一般而言，溫差熱電勢與回路中電流方向及大小無相關性，待溫度趨于穩定后，溫度計通過正、反向電流（大小相等）將電壓值進行適當處理，獲取其平均值，將溫差熱電勢消除后下待標溫度計精確電阻值即為所獲取電阻值。應用此種方法，能將熱電勢影響消除。采用正反向電流標定（x28279-AA）常溫、液氮、液氦三個溫區，從數據可知，于液氦溫區，基于熱電勢影響，標定溫度計誤差為0.09K；于液氮溫區，誤差為0.45K（詳見表1）。在實際中，低溫標定中未采用正反向電流難以確保精度。

表1 溫度計（x28279-AA）正反向電流與熱電勢實際標定消除溫度值

X11763 液氮溫區 液氦溫區 常溫區

實際值（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，針對溫度計自熱而言，必須要局限在許可范圍內，只有這樣，才能確保被測物體與溫度計間溫度差小于實驗精度限制。具體而言，低溫溫度計兩端端電壓必須要處在3-5mV之間，可降低自熱影響。在標定中，經調節恒流源電流大小，可確保標定溫度計電壓維持在3-5mV之間。

1.5 數據處理因素

數據處理是否得當也是影響標定精度的一種重要因素。在處理數據過