试论影响低温温度计标定精度的因素

蔡常新 宋艺文

云浮市质量计量监督检测所 527300

摘要：目前，低温冷凝泵作为中性柬注入器的一个关键组成部分，在装置降温、保温、回温阶段都需对低温液氮、泵液氦温度进行系统监控，而温度精确测量与装置热负荷算量、导体超导性能及运行稳定性息息相关。本文主要立足于低温温度计角度，深入探究低温温度计标定精度的影响因素，并提出针对性解决对策，以期指导工程实践。

关键词：低温温度计；标定精度；影响因素

托卡马克核聚变实验属于我国“九五”大科学工程，为我国自行设计与制造。在实验装置中，温度测量作为超导磁体系统技术诊断的重要内容，目前已成为了基础性运行参数测量。通常而言，运行温度与装置热负荷算量、导体超导性能与运行过程中的稳定性均存在密切联系，故而在实际操作过程中，温度测量精度要求相对较高。一般来讲，依据装置设计要求，液氦温区温度测量误差必须要在0.1K以下，故而应详细研究温度计各个设定环节，主要包括标定、安装及数据采集等。基于此，笔者综合自身多年来的实践经验，立足于低温温度计标定系统角度，深入探究标定过程中标定精度的影响因素，并提出针对性解决策略，旨在确保标定结果，指导实践工程。

1 低温温度计标定精度影响因素与解决策略

通常来讲，构建低温温度计标定装置，主要是在恒温块上促使标准温度计与待标温度计间实现热平衡。当温度范围处在2.8-300K间时，隔取某些温度点对待标温度计进行标定，主要内容包括温度与相对应电阻值，再依据切比雪夫多项式将其拟合成曲线，构建电阻与温度关系曲线。一般而言，在温度测量系统中，只要对当前温度计电阻值进行测量，经由换算就明确当前温度。从某种角度上来讲，标定系统主要组成部分包括三个方面：一是可变温低温容器，二是恒流源，三是数据采集。通常低温温度标定主要是在可变温低温容器恒温块上促使标准温度计与待标温度计实现热平衡。但在实际操作过程中，低温装置中的数据处理、温度计自热、漏热、测量线路等因素均易造成待标温度计与标准温度计间的温差差异。要想确保低温温度计标定精准，应积极消除温差。

1.1 安装因素

立足于低温标定系统角度，基于无外来因素影响状况下，主要以彼此间相接触的两物体平衡为基本依据。换言之，必须要确保相接触的两物体在温度上一致。基于低温状况下，特别是在高真空环境下，物体间的相互接触相对较差，低温下物体热容量小，极其容易产生起伏，为了促使温度计示值与恒温块真实温度相接近，必须要重视温度计安装问题。通常状况下，在低温温度计标定系统中，主要有两种方式：第一，在恒温块上设置温度计，促使其与温度计间隙在0.1mm以下；第二，将一层真空脂（伴有AI2O3粉）涂在插入孔中的温度计表面上，确保恒温块与温度计接触良好。

1.2 电子线路因素

一般在低温温度计标定系统中，电子线路易影响低温温度计标定精度。于标定低温实验过程中，温度计引线相对较长，且较细，往往穿过温度梯度区域，多为自室温至液氦温区，故而引线存在较大的电阻，为了预防引线对电阻产生影响，可应用四线法消除其影响。

从本质上来讲，四线法主要是指自温度计引线根部引出两条线（详见图1），连线与接触电阻为R1、R2、R3、R4，低温电阻温度计为RT，应用恒流源，对电阻温度计进行供电，V0放大器输入阻抗。在低温标定系统中，V0输出数字接2001数字万用表（吉时利）。

图一 四线法电路测量

针对四线法低温温度计标定系统而言，其影响标定系统精度因素主要包括两个方面：一是数据采集系统精度，二是数据采集系统恒流源稳定性。在进行数据采集时，通常采用数字测量表（2001），其精度可至μV，确保10路模拟电压信号顺利输入，经由488总线将测量信号输送至计算机，可最大限度地吻合标定精度需求。采用自行设计的DHY-15（多路恒流源），能提供0.5、1、2、5、10μV等微小电流（正、反向），而应用0.01级电阻获得电流值（1000Q标准），可测试恒流源正、反向输出电流一致性与稳定性。当为2、7、12、60μV档时，开始电流值依次为2.5376μV、7.0496μV、12.8941μV、61.4559μV，1h后电流值分别为2.5378μV、7.0496μV、12.8939μV、61.4552μV。

由于标定低温温度计属于负温度系数，于液氦温区，其灵敏度处在1-3000Q/K之间；于液氮温区，位于1-5Q/K之间；基于常温下，多为0.4Q/K。在液氦温区，自行设计的标定系统电阻值测量值能精确至0.5Q，而处于液氮温区与常温区时，能精确至0.01K，符合精度要求。

1.3 温度动态变化因素

从低温温度计标定角度出发，在恒温块上，要想促使待标温度计与标准温度计之间实现热平衡，必须要确保恒温块上温度处于恒定状态。考虑到待标温度计、标准温度计、恒温块间存在热惯性差异，故而温度具有较大的差异，因而极其容易出现动态误差。

为了减少差异，针对低温标定系统而言，必须要确保可变温恒温容器绝热良好。可变温低温容器作为标定装置的关键构成部件，其恒温效果与低温温度计精度息息相关，主要组成部分包括五个部分：一是恒温块，二是热沉，三是防辐射屏，四是加热器，五是真空室。在真空室内，将大质量铜块恒温块（装有温度计）置入防辐射屏内，采用细线（热导小）将其悬于真空室内，可避免环境温度影响恒温块，确保恒温块温度处于恒定状态。此外，在低温标定系统中，调节恒温块上加热丝功率，把控温度上升速度，减少温度上升速度对温度计标定精度的影响。

1.4 标定系统低温特性因素

在标定装置中，如在处理低温特性时出现差错，易会影响标定精度。通常在低温标定系统中，温度计获取或丧失热量的关键途径为温度计引线传热，故温度计引线必须要符合与被测物体温度。由此可见，必须要重视低温装置中温度测量热沉问题。于恒温块上固定热沉，自室温区引入测量引线，待绕热沉几匝后连接温度计，热沉可充分吸收沿引线漏热，降低低温温度计、恒温块、引线、恒温温度计间温度差，进而提升标定精度。

此外，在進行低温标定实验中，应重视热电势问题。一般而言，温差热电势与回路中电流方向及大小无相关性，待温度趋于稳定后，温度计通过正、反向电流（大小相等）将电压值进行适当处理，获取其平均值，将温差热电势消除后下待标温度计精确电阻值即为所获取电阻值。应用此种方法，能将热电势影响消除。采用正反向电流标定（x28279-AA）常温、液氮、液氦三个温区，从数据可知，于液氦温区，基于热电势影响，标定温度计误差为0.09K；于液氮温区，误差为0.45K（详见表1）。在实际中，低温标定中未采用正反向电流难以确保精度。

表1 温度计（x28279-AA）正反向电流与热电势实际标定消除温度值

X11763 液氮温区 液氦温区 常温区

实际值（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，针对温度计自热而言，必须要局限在许可范围内，只有这样，才能确保被测物体与温度计间温度差小于实验精度限制。具体而言，低温温度计两端端电压必须要处在3-5mV之间，可降低自热影响。在标定中，经调节恒流源电流大小，可确保标定温度计电压维持在3-5mV之间。

1.5 数据处理因素

数据处理是否得当也是影响标定精度的一种重要因素。在处理数据过