陈长琦1,聂金良1,王 君1,葛 锐1,欧阳峥嵘2,胡纯栋2
(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009; 2.中科院等离子体物理研究所,安徽 合肥 230031)
摘 要:研制了一套适用的低温温度计标定系统,并用比较分度方法对铑铁温度计进行标定,其标定精度满足了中性束注入系统的技术诊断要求。
关键词:温度计标定;比较分度;标定精度;中性束注入
中图分类号:TB663 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2004)04-0063-04
中性束注入器被国际聚变界公认为是最有效的加热手段之一,它对真空系统的要求是真空箱内的动态真空度5.5×10-3Pa,极限真空度(10-5～10-6Pa)数量级,确保不能有大质量的杂质离子流入等离子体区,污染等离子体,因此大抽速的低温泵是不可缺少的组成部分,此装置中低温泵设计为插板式液氦冷凝泵,为了减少冷凝面的热负荷,在冷凝板的两侧布置了LN2人字形挡板,在装置的降温过程中,运行保冷和回温阶段都需要对温度进行准确监控,温度的精确测量直接关系到中性束注入器的现场技术诊断,根据诊断要求,液氦温区测量精度要求达到数十mK,液氮温区测量精度要求为0.5 K,所以对温度的精确测量显得十分重要。对此我们研制了一套适用的低温温度计标定系统,并对铑铁温度计进行了标定,其标定结果满足了中性束注入系统的技术诊断要求。
1 标定系统简介
低温温度计标定系统主要由低温恒温器,恒流源,低温控温仪以及数据采集几部分组成,图1给出标定装置示意图。
1.1 低温恒温器
低温恒温器是标定装置的重要部件,它的性能好坏直接影响到温度计的标定精度,我们设计的低温恒温器符合以下几个要求。
①恒温精度高,即温度起伏小。
②温度能定又能缓慢速率上升。
③标定温区比较宽。
④恒温块的传热性能好,热容量大。
它由恒温块、吸热柱、等温屏、加热器和真空室等部分组成,为了使标准温度计与待标温度计之间的温度一致性,并提高他们本身温度的均匀性,我们把它安置在导热良好的紫铜块上,并用紫铜套包围着,为了达到尽可能低的温度,低温部分都用紫铜制作,而低温与室温部分的连接却用导热很差的薄壁德银管和很细的漆包铜线,恒温块上饶有加热器,加热线圈用温度稳定性能较好的锰铜线并饶而成,可有效地改变恒温块的温度,并通过对真空室抽真空可把温度标定范围从3.8 K扩展到300 K,满足了中性束注入装置的要求。恒温块上均匀分布六个插孔和缝槽,可分别用做圆柱形和扁块状温度计标定用。
用两根绝热线把恒温块悬挂在等温屏中以减少漏热,利用等温屏上加热器,使锗温度计和恒温块上的标准温度计读数相同即恒温块与等温屏的温差等于零,这样恒温块就处于绝热状态,并使真空室形成比较均匀的温度分布。
插在恒温块上的温度计的引线是直径0.1 mm的铜线作为电流引线,直径0.1 mm的锰铜线作为电位引线,所有的温度计引线在预先设置好的吸热柱上绕几匝后进入室温区,这样吸热柱可以吸收引线的漏热而不至于直接传热给温度计,这也是提高标定精度的一个重要措施。真空室放在液氦杜瓦瓶中,全部引线从杜瓦瓶顶盖上的多芯密封插座引出,但是为了电屏蔽,引线束处缠有铝箔。
所用的参考标准温度计为Lake Shore公司分度的Cernox电阻温度计,编号X11181,它根据Natoinal Institute of Standards and Technology InAmerica标准标定的,其精度在20 K以下为9 mK。
1.2 恒流源
在直流低电动势的测量中,克服乱真电动势的影响也是很关键的,且必须采用反向开关,实际上只要引线存在温差,就有温差电动势,该电动势通常称为乱真电动势,在低温温度计的标定过程中,为了避免乱真电动势和自热效应的影响,必须为温度计提供大小适量且稳定的工作电流,我们采用了一台多路微小电流恒流源,可为温度计提供0.5～100 mA的正反向微小电流,稳定度达到10-3安培数量级。
1.3 低温控温仪
为了确保铜块温度稳定度和均匀性,我们使用了美国Lake shore 520低温控温仪来控制恒温块的温度。其测量数据列于表2中。
1.4 数据采集
数据采集系统由一台五位半数字多用表及计算机组成,可同时采集6个通道的数据,为了减少系统误差,温度计采用了四引线接法。计算机将实时采集标准温度计和待标温度计的电压和电流信号,并将采集到的数据及时存入指定的文件夹中。
2 标定装置的性能测试
2.1 定点温度下对标准温度计读数的校核
把标准温度计直接泡在液氦浴槽中,采用四线法测的液氦温度为4.221 K,偏差为6 mk,表明标准温度计是可靠的。
2.2 定点温度下对标定系统的性能校核
把装有标准温度计的真空室浸泡在液氦杜瓦中,恒温室内充入氦气,经充分冷却之后测得液氦温度如表3。
正反两次取得平均液氦温度为4.203 K(在标态下液氦温度为4.215 K),其偏差为12 mk,上次结果表明我们所研制的标定系统可满足中性束注入系统的温度计的测量要求。
3 标定原理及标定过程
3.1 标定原理
采用比较分度即用一只标准低温温度计标定其他待标温度计。
3.2 标定过程简述
按实验要求将温度计放进恒温块中,然后对杜瓦和真空室抽真空,达到要求后(10-1Pa左右)往杜瓦内输液氦,当氦面较稳定时,往真空室充氦气,等恒温块的温度降到液氦点时再用真空泵对真空室抽真空,通过降低真空室内氦气气体饱和蒸汽压进一步来降低真空室恒温块的温度,当紫铜块的温度降到或低于3.8 K时,我们就可以开始标定,同时计算机不间断地对温度计进行采集,当达到采集的数据点温度时,计算机发出警告,此时停止加热并标定,每标定一个温度点,我们都要使恒流源给温度计通以大小相等的正,反向电流。并将采集到的电压值转换为电阻值保存到指定的文件夹。
4 铑铁温度计数据拟合公式(从3.8 K～室温300 K)
铑铁温度计的电阻随温度变化的关系比较简单,我们采用切比雪夫多项式近似表示,用下述形式的多项式进行拟合
式中αn为切比雪夫多项式的系数,Fn(x)=cos(n·arccos(x))是N阶切比雪夫多项式的项,x是电阻R的变量,根据下式把电阻R变换成x
式中RU和RL分别是温度计在分度范围内的电阻值上限和下限,R是温度计在温度T时的电阻值,通过上式的变换使x的范围从-1至+1。
切比雪夫多项式的递推公式
5 数据处理
5.1 R—T特性曲线拟合
曲线拟合就是寻求一个比较逼近的多项式函数将所有的实验数据点平滑地连接起来,所以曲线拟合的过程就是寻求一个通用的多项式函数,当然不同的电阻温度计有不同的R—T特性曲线,相同的电阻温度计有类似的特性曲线。
在这里我们采用切比雪夫多项式作为通用的函数来拟合铑铁温度计的R—T特性曲线,我们对待标温度计在3.8～300 K范围内做了373个温度点的标定,为了减少拟合时给系统带来的误差,我们进行了分段拟合,且段与段间有一定的重叠区域。三段拟合的标准偏差列在表4中。
6 实验结果与分析
为了消除直流测量电路中固有的乱真电动势的影响,我们采用四引线测量的基础上还增设了电流反向开关,我们用正反向两次测量的电阻值的平均值来作为最终的温度计的电阻测量值,用等温屏蔽也有效地防止了磁场对测量的影响,采用微小工作电流也大大减少了自热效应。
其他的误差来源主要来自:①恒流源电路引起的误差;②低温控温仪引起的误差;③标准温度计本身的误差;④五位半数字电压表电压测量不准引起的温度误差;⑤拟合数据产生的误差。现在我们来分析20 K以下装置标定精度。恒流源电路引起的误差ΔT1=4 mK,低温控温仪这项误差ΔT2=1.05 mK,标准温度计本身的温差为ΔT3=9 mK,五位半数字电压表测量引起的温度误差ΔT4=2 mK,拟合数据产生的最大误差为ΔT5=18.38 mK,我们粗略估计其系统误差
这已经满足中性束注入的现场诊断要求。
7 结束语
标定结果表明低温下铑铁温度计有较高的灵敏度,其分段拟合重合区域衔接很好,整段R—T拟合曲线也很光滑,且该装置标定精度也满足中性束注入系统的技术诊断要求。
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作者简介:陈长琦(1947-),男,安徽省怀宁县人,《真空》杂志编委,硕士,副教授。
