कम तापमान माप

क्रायोजेनिक प्रणालियों में कम तापमान माप में मुख्य रूप से तापमान माप, वैक्यूम माप, तरल स्तर माप और प्रवाह माप शामिल हैं।

तापमान माप के लिए अंतर्राष्ट्रीय एकीकृत मानक अंतर्राष्ट्रीय तापमान पैमाने (ITS) है। मेरे देश ने इस तापमान पैमाने को कई वर्षों तक राष्ट्रीय वैधानिक तापमान माप पैमाने के रूप में अपनाया है। वर्तमान में उपयोग किया जाने वाला तापमान पैमाना 1990 का अंतर्राष्ट्रीय तापमान स्केल (इसका -1990) है।

तापमान माप को मापा तापमान की सीमा के अनुसार मापने वाले उपकरण का चयन करना चाहिए, मुख्य रूप से थर्मामीटर। यहाँ कई आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले थर्मामीटर हैं।

1। धातु प्रतिरोध थर्मामीटर

एक कंडक्टर या अर्धचालक की प्रतिरोधकता तापमान के साथ बदलती है, जो एक सरल और विश्वसनीय प्रतिरोध थर्मामीटर का आधार है। 961.78 डिग्री से नीचे, अंतर्राष्ट्रीय तापमान स्केल एक प्लैटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर का उपयोग करता है। प्लैटिनम के अलावा, अन्य सामग्रियों जैसे कि कॉपर, निकेल और इंडियम का उपयोग प्रतिरोध थर्मामीटर सामग्री के रूप में किया गया है। निकेल कमरे के तापमान पर विरूपण के लिए प्रवण है, इसलिए समय के साथ प्रतिरोधकता बदल जाती है, और थर्मामीटर की स्थिरता खराब है। इंडियम प्रतिरोध थर्मामीटर में कम तापमान पर प्लैटिनम प्रतिरोध की तुलना में अधिक संवेदनशीलता होती है।

एक प्रतिरोध थर्मामीटर स्थापित करने का एक महत्वपूर्ण हिस्सा थर्मल और यांत्रिक तनाव को खत्म करना है, क्योंकि तनाव अतिरिक्त प्रतिरोध का उत्पादन करेगा। बख्तरबंद प्लैटिनम प्रतिरोध थर्मामीटर का उपयोग अक्सर औद्योगिक उत्पादन में किया जाता है। इन थर्मामीटरों को आमतौर पर एक बेलनाकार धातु के खोल में लगभग 4 मिमी के व्यास और लगभग 10 ~ 12 मिमी की लंबाई के साथ एनकैप्सुलेटेड किया जाता है।

2। अर्धचालक प्रतिरोध थर्मामीटर

चूंकि अर्धचालकों की चालकता तापमान से संबंधित है, इसलिए इस सामग्री का उपयोग प्रतिरोध थर्मामीटर के रूप में किया जा सकता है। उच्च तापमान स्थितियों के तहत, प्रतिरोधकता (चालकता का व्युत्क्रम) थर्मोडायनामिक तापमान के व्युत्क्रम के घातीय कार्य के लिए आनुपातिक है, जो अर्धचालक के प्रवाहकीय गुणों की विशेषता है। कम तापमान की स्थिति के तहत, चालन अशुद्धियों की उपस्थिति (इलेक्ट्रॉनों को जारी करना या स्वीकार करना) के कारण है।

जर्मेनियम प्रतिरोध थर्मामीटर एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक प्रतिरोध थर्मामीटर है, जिसमें वांछित प्रतिरोध विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए आर्सेनिक, गैलियम या एंटीमनी को डोप किया जाता है। जर्मेनियम को एक धातु बॉक्स में सील कर दिया जाता है और चार लीड जुड़े होते हैं। औद्योगिक जर्मेनियम प्रतिरोधों की विशिष्ट कार्य सीमा 1.5 और 100 K. जर्मेनियम प्रतिरोध थर्मामीटरों के बीच है, आमतौर पर सात तापमान बिंदुओं पर कैलिब्रेटेड होते हैं।

कार्बन प्रतिरोध थर्मामीटर को उच्च संवेदनशीलता, कम कीमत, छोटे आकार और कार्बन प्रतिरोध के अपेक्षाकृत सरल प्रतिरोध तापमान वक्र के कारण कम तापमान माप के लिए थर्मामीटर के रूप में व्यापक रूप से उपयोग किया गया है।

3। थर्मोकपल थर्मामीटर

थर्मोकॉल्स का उपयोग सामान्य तापमान सीमा और कम तापमान वातावरण में तापमान माप के लिए किया जा सकता है। थर्मोकपल के एक जंक्शन को मापने के लिए तापमान में रखा जाता है, और दूसरे जंक्शन को संदर्भ तापमान वातावरण में रखा जाता है। उदाहरण के लिए: एक संदर्भ बिंदु के रूप में एक बर्फ स्नान का उपयोग करना और थर्मोकपल के साथ कम तापमान को मापना, यदि आवश्यक तापमान रिज़ॉल्यूशन 0। 1k के बारे में है, तो जब मापा थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता 5MV या उससे अधिक होती है, तो मापने वाले उपकरण में 1μV की सटीकता होनी चाहिए; यदि एक तरल नाइट्रोजन स्नान (या तरल हाइड्रोजन स्नान) का उपयोग संदर्भ बिंदु के रूप में किया जाता है, तो कुल थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता कम हो जाएगी। कम तापमान संदर्भ बिंदु का उपयोग करने का लाभ यह है कि थर्मोकपल तार के साथ चालन गर्मी को बहुत कम किया जा सकता है।

तापमान के संकेत को अंशांकन वक्र संबंध (एक निश्चित संदर्भ तापमान के अनुरूप) द्वारा मापा थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता को परिवर्तित करके निर्धारित किया जा सकता है।

तीन सामान्य कम तापमान वाले थर्मोकॉउल हैं: कॉपर-कंसेंटेंटन (टी प्रकार), निकेल-क्रोमियम-कॉनस्टेंटन (ई प्रकार), और निकेल-क्रोमियम-निकेल-सिलिकॉन (के प्रकार) थर्मोक्यूल्स, जो आमतौर पर -200 के तापमान माप रेंज में उपयोग किए जाते हैं, जो कि परिवेशी तापमान (या ऊपर) की डिग्री; निकेल-क्रोमियम-गोल्ड-आयरन (आयरन मास अंश 3%है) थर्मोकॉल्स का उपयोग 10 ~ 180k के कम तापमान रेंज में किया जा सकता है।

थर्मोकॉल्स का एक नुकसान यह है कि थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता बहुत छोटी है, आमतौर पर मिलिवोल्ट स्तर में। इस समस्या को थर्मोकपल ढेर बनाने के लिए कई थर्मोकॉल्स का उपयोग करके हल किया जा सकता है। थर्मोकपल ढेर की थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता स्टैक्ड थर्मोकॉल्स के थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता का योग है, अर्थात, एन थर्मोकॉउल की थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता एक एकल थर्मोकपल की थर्मोइलेक्ट्रिक क्षमता से एन बार है।

थर्मोकपल तार के साथ गर्मी चालन थर्मोकपल तापमान माप में गंभीर त्रुटियों का कारण हो सकता है। इस स्थिति को कम करने के लिए, थर्मोकपल तार की एक निश्चित लंबाई कम तापमान के इज़ोटेर्मल वातावरण (हीट सिंक) से गुजरने दें, ताकि त्रुटि कम हो जाए। इसके अलावा, एक बहुत छोटे व्यास थर्मोकपल तार का उपयोग भी तापमान माप त्रुटि को कम कर सकता है।

4। वाष्प दबाव थर्मामीटर

वाष्प दबाव थर्मामीटर उस संपत्ति का उपयोग करके तापमान को मापता है जो एक तरल का संतृप्त वाष्प दबाव वाष्प के संपर्क में तरल के तापमान का एक निश्चित कार्य है। थर्मामीटर में शुद्ध गैस से भरा एक तापमान बल्ब होता है, जिसे तापमान सीमा के भीतर संघनित किया जा सकता है। तापमान बल्ब एक केशिका ट्यूब के माध्यम से दबाव मापने वाले उपकरण से जुड़ा होता है।

वाष्प दबाव थर्मामीटर का लाभ यह है कि उनके पास आवेदन तापमान सीमा के भीतर उच्च संवेदनशीलता है। उदाहरण के लिए, 63 ~ 80 K की तापमान सीमा में, नाइट्रोजन थर्मामीटर की संवेदनशीलता 15 ~ 3 kPa/k है। इसी तरह, वाष्प प्रेशर थर्मामीटर को स्थिर मात्रा में गैस थर्मामीटर जैसी निश्चित मात्रा या गैस गैर-आदर्शताओं के लिए सुधार की आवश्यकता नहीं होती है। इस प्रकार के थर्मामीटर का एक बड़ा नुकसान यह है कि तापमान माप रेंज बहुत कम है, और एक एकल तरल का उपयोग तरल से परिवेश के तापमान तक सभी तापमानों को मापने के लिए नहीं किया जा सकता है। यद्यपि वाष्प दबाव थर्मामीटर का उपयोग ट्रिपल पॉइंट से महत्वपूर्ण बिंदु तक तापमान को मापने के लिए किया जा सकता है, इन थर्मामीटरों का उपयोग आमतौर पर केवल 5 ~ 250kpa के वाष्प दबाव रेंज में तापमान माप के लिए किया जाता है।

थर्मामीटर में द्रव की शुद्धता महत्वपूर्ण है, और अशुद्धियों की एक छोटी मात्रा में वाष्प के दबाव को संतृप्त वाष्प दबाव और शुद्ध पदार्थ के तापमान के बीच संबंध से विचलित करने का कारण होगा। इसी समय, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि निश्चित मात्रा काफी कम होनी चाहिए और कनेक्टिंग पाइप का तापमान तापमान सेंसिंग पैकेज के तापमान से कम नहीं होना चाहिए।