CN103234661A - 一种具有独立真空室的检定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有独立真空室的检定装置，该检定装置采用制冷机作为冷源，在制冷机的冷头与控温铜块之间设置减震器，所述减震器的设置可以明显的消除制冷机的震动对检定的影响，并且控温铜块与相应的防辐射屏配合形成独立的真空室，在该独立真空室中，标准温度计与待测温度计具有稳定的测量环境，从而提高了对待测温度计的检定准确性。本发明中的制冷机相对于传统的液氦具有明显的优点，且通过设置减震部件消除了制冷机对检定装置的震动影响，保证了检定的准确性。

Description

一种具有独立真空室的检定装置

技术领域

本发明涉及一种检定装置，尤其是涉及一种采用制冷机作为冷源的具有独立真空室的检定装置。

背景技术

目前，4K-273K温区的精密温度计检定一般采用比较法。根据热力学第零定律：如果两个热力系的每一个都与第三个热力系处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。将标准温度计与被检温度计放入一个均匀温度场，如比对铜块中，使标准温度计与被检温度计同时分别与比对铜块之间建立热平衡，通过被检温度计与标准温度计的温度－电阻关系比较，实现对被检温度计的检定。

如图1所示，传统的检定装置主要由低温杜瓦101、低温恒温器103和数据采集系统三部分组成。低温杜瓦101中的液氦102作为冷源为整个装置提供冷量；低温恒温器103通过抽真空管道将其内部的测量室抽至高真空状态，减少真空室中剩余气体传热而给比对铜块温度均匀性带来的不利影响，然后通过控制低温恒温器103的加热器来控制比对铜块的温度，实现4K～273K温区的任意设定温度点，为被检温度计和标准温度计提供可控温的高真空工作环境；当比对铜块温度达到设定温度，与引线管相连自动化的数据采集系统采集到各被检温度计与标准温度计在设定温度点的相关数据，采集后的数据处理后，获得了被检温度计温度与电阻的对应关系，从而实现了对被检温度计的检定。

上面传统的检定装置在4K-273K范围内对温度计的标定测量中，必须采用液氦作为冷源，每次实验消耗的液氦达到20升以上，然而，我国是氦气资源极为匮乏的国家，严重依赖进口，且自2006年以来，由于美国将氦气定为战略物资，而限制液氦的出口量，导致液氦的价格由原来60～80元/升，上涨到目前240元/升以上。即便是液氦价格如此昂贵，液氦的供应也不是很容易保障。在液氦供应正常的情况下，一般也要等待液氦储槽的周转；一旦液氦供应紧张，时常会出现因液氦供应的原因无法按时开展低温实验的情况。以液氦为冷源进行精密温度计检定测量时，为了节省液氦，通常要先使用液氮进行预冷，预冷时间为10-12h；预冷后，再用高压氮气将杜瓦中的液氮压入储罐，整个过程需要1h左右；然后，进一步将杜瓦抽至高真空状态，以保证降至液氮温度的杜瓦瓶内不残留氮气；接下来再次充入氦气预冷；最后才充入液氦进行试验。与测量热物性等参数不同，精密的温度计检定测量的特点是一次能够同时实现几十支次的温度计检定，且测量点数较多，通常为50-100点。因此，测量周期通常可达到24小时以上，测试周期较长。为了节省液氦，实验操作人员通常几班倒换连续进行实验。实验结束后，还要通过回气、压缩，对氦气进行回收。在控温过程中：对于低温区控温，随着液氦的蒸发导致液氦面下降，还要对液氦面进行实时监测，当液氦面降低到一定高度时，恒温器内比对铜块的温度会有所回升，通常需要补充液氦来降低温度，控温相对困难；对于150K至300K温区，由于冷源的温度固定（液氦为4.2K）,比对铜块与冷源之间的温差较大，要使比对铜块温场稳定必须加大加热功率，控温也同样困难。另外，由于冷源的限制，通常杜瓦中的液氦是要通过储液罐来进行传输。无论是杜瓦还是液氦罐体积都非常庞大，不适合移动作业。因此，以液氦为冷源的精密温度计检定测量费时、费力、控温困难且严重依赖于冷源供应。

发明内容

本专利旨在解决传统精密检定装置所面临的液氦缺乏、操作复杂、控温困难等问题。提供一种操作简单、测试周期短、运行成本较低的以制冷机为冷源的精密低温温度检定装置。

本发明提供一种具有独立真空室的检定装置，该检定装置包括：制冷机，所述制冷机为所述检定装置提供冷量，作为所述检定装置的冷源；所述制冷机具有至少一个冷头，所述制冷机的冷头与控温铜块连接；其特征在于：所述制冷机的冷头与控温铜块之间设置有减震部件，且所述控温铜块与防辐射屏之间形成相对独立的真空室。

其中，在所述真空室中包括比对铜块，在所述比对铜块上设置有控温温度计。

其中，所述至少一个冷头的温度可以通过制冷机的输入功率进行调节，所述至少一个冷头包括一级冷头和二级冷头。

其中，所述检定装置包括第一防辐射屏、第二防辐射屏和第三防辐射屏，其中，所述第二防辐射屏与控温铜块连接。

其中，在所述控温铜块上设置有加热丝或加热膜，所述加热丝或加热膜实现对比对铜块的温度进行调整。

其中，所述控温铜块与支撑杆连接，在所述支撑杆的下方连接有一级防辐射屏和比对铜块。

其中，在所述比对铜块上设置有标准温度计和至少一个待测温度计。

其中，所述制冷机选自震动较小的脉冲管制冷机、GM制冷机或斯特林制冷机。

其中，在制冷机的保护壳上设置真空接口和引线接口。

其中，所述真空接口和引线接口通过一个共用通道连接到同一真空引线管。

在本发明中制冷机的运行只需要水电维持，运行成本较低；实验开始时，制冷机的降温过程时间短，不需预冷，实验结束后，不需回气压缩，时间成本低；制冷机的冷头温度易于调节，可与比对铜块保持较小的温差，控温过程容易；以制冷机为冷源，可以摆脱对液氦的依赖和供应限制，该装置的结构紧凑，易于移动，可以随时、随地开展低温标定实验；容易实现自动控制，可充分利用夜间降温，提高了工作效率，具有明显的优点。

附图说明

图1传统的检定装置结构示意图；

图2本发明的精密检定装置结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

图2是本发明的制冷机做冷源的精密检定装置结构示意图。如图2所示，本发明的温度检定装置主要包括：制冷机1、真空罩2、法兰3、支撑杆4、控温温度计5、比对铜块6、一级防辐射屏7、二级防辐射屏8、三级防辐射屏9、真空接口10、引线接口11、标准温度计12、待测温度计13、一级冷头14、二级冷头15、保护壳16、真空引线管17、内屏18、控温铜块19、减震器20。

本发明的制冷机1包括一级冷头14和二级冷头15，其通过一级冷头14和二级冷头15进行制冷，所述一级冷头14与三级辐射屏9连接，所述二级冷头15与法兰3相连接，所述法兰可采用不锈钢或其他具有良好导热性能的材料制成，所述法兰3的下端与二级防辐射屏8相连接。其中，所述三级防辐射屏9利用一级冷头14的冷量使其保持低温，以减少与温度更低的二级冷头15相连的二级防辐射屏8与真空罩2之间的辐射换热损失。

所述制冷机1优选采用震动较小的脉冲管制冷机，当然也可其他制冷效果好的装置进行制冷，为了尽量减小制冷机的震动对测量不确定度的影响，在法兰3与控温铜块19之间设置减震器20，所述减震器20可以为弹簧或其他适用于低温环境的减震材料或减震部件，在所述减震器20中包含有连接法兰与控温铜块的连接杆，所述连接杆至少为两个，连接杆需要具有一定的硬度以支持对下方设置的部件的悬挂，且保证二级冷头15与控温铜块19之间的热传递，所述连接杆还需要有好的导热性；另外，作为更进一步的设置，为了减小震动，在不影响制冷效果的前提下，可在一级冷头14和二级冷头15之间设置适用于低温环境的减震材料或减震部件。

另外，对于精密或标准型的温度计检定测量，所述制冷机采用震动较小的脉冲管制冷机；对于测量精度要求不高的工业级温度计的检定测量，所述制冷机也可采用GM制冷机、斯特林制冷机。

在所述控温铜块19的下端中间位置处连接有支撑杆4，优选支撑杆4与控温铜块19采用螺纹链接，当然，也可以通过焊接、卡扣配合等多种方式实现连接。在所述支撑杆4的下方连接有一级防辐射屏7和比对铜块6，其中，一级防辐射屏7与比对铜块6相结合，以减少比对铜块6与二级防辐射屏8之间的辐射换热损失，保持比对铜块6的测试温场稳定。

二级冷头15的温度可以通过制冷机1的输入功率进行调节，调节过程可自动控制。可在控温铜块19上设置有加热丝或加热膜以及控温温度计，由于二级冷头15和控温铜块19之间的温差较小，可通过调整加热丝或加热膜的加热功率可以控制控温铜块19的温度，进而实现对比对铜块6的温度的调整。

所述支撑杆4与比对铜块6之间可通过螺栓连接，实现自由拆装，所述支撑杆4可采用不锈钢材料制成，优选在支撑杆4上设置有内屏18，所述内屏18采用高纯度铜制成，通过该内屏18能够有效降低支撑杆5与比对铜块6之间的微量辐射换热，有助于提高比对铜块6温场稳定，保证精密测量。

另外，也可以在比对铜块6的下方设置有通过支撑杆4与控温铜块19连接的控温组件，所述控温组件位于支撑杆4的下端，在控温组件上可结合加热丝或加热膜，所述加热丝或加热膜对控温组件的温度进行调整，控温组件与控温铜块19在上下两端对温度进行控制，进一步地设置控温温度计5，所述控温温度计5可连接到控温组件，或者所述控温温度计5连接到比对铜块6，当制冷机与加热组件之间时间的冷量与热量平衡后，所述控温温度计所测量到的比对铜块6温度将趋于稳定。

所述控温温度计5可选自热电偶、热敏电阻或热电阻等测温元件，其位于比对铜块6的下端，与比对铜块6紧密接触，实现对铜块温度的准确测量，当然，所述控温温度计5也可以用于测量控温铜块19或可位于支撑杆4的下端的控温组件的温度。所述比对铜块6既能够为标准温度计12和待测温度计13提供稳定温场，同时又是安置标准温度计12和待测温度计13的样品架，为了保证比对铜块6的温场的均匀性，保证测量的准确性，所述比对铜块6优选采用高纯度铜材料制成，其纯度在99.99%以上。比对铜块6一般安放一支标准温度计12和几十支待测温度计13。比对铜块6可以根据不同待检温度计的尺寸规格要求加工成不同的形状、数量的样品孔以承载样品。另外，保证温度的稳定性，优选可在一级辐射屏、二级辐射屏、三级辐射屏以及比对铜块6的侧面和/或底面上施加加热丝或加热膜，以形成均温环境。

真空接口10和引线接口11设置在制冷机1的保护壳16上，其中真空接口10可以通过卡箍与分子泵相连，引线接口11可以与数据采集系统相连，其中把接口10、11设计在保护壳16上避免了在更换待测温度计过程中对真空系统以及数据采集系统的重新拆卸。作为更进一步的设计，如图2所示，真空接口11和引线接口设计在一起，以达到节省空间和方便操作的目的，其中，真空接口10和引线接口11通过一个共用通道连接到同一真空引线管17，真空引线管17的一端与保护壳16焊接，另一端与二级冷头15下方的法兰3焊接，这种设计可以减少传输管路，使结构更加紧凑。在本实施案例中，法兰3和二级防辐射屏8共同构建一独立真空室。工作时，一方面制冷机1启动，使一级冷头14、二级冷头15迅速降温达到设定的温度；同时，通过真空引线管17输入少量氦气（温度为4.2K），可以使独立真空室内温度迅速降低，然后将氦气抽回，使独立真空室保持真空状态。该种方法能够在1、2个小时内使系统达到工作温度，有利于提高工作效率。

标准温度计12和待测温度计13的引线通过一级防辐射屏7、二级防辐射屏8、三级防辐射屏9的孔引出，如控温铜块19上设有真空引线管17以穿过引线。其中，控温温度计5、标准温度计12、待测温度计13以及加热丝引线都逐级由穿线孔引出至引线接口11。本发明中把真空接口10和引线接口11设计在保护壳16上避免了在更换待测温度计过程中对真空系统以及数据采集系统的重新拆卸。控温温度计5、标准温度计12、待测温度计13以及加热丝引线都逐级由真空引线管17引出至引线接口11。

在工作时，所述制冷机1为待测真空室提供冷量使其内部比对铜块6降至待测温度，为标准温度计12和待测温度计13提供稳定的低温温场，保护壳16与真空罩2相连共同构建密闭的测量室，其为温度计提供真空绝热的测量环境；数据采集系统（未示出），通过引线接口11相连的自动化数据采集系统通过数据的采集、处理，获得被检温度计温度与电阻的对应关系，实现对被检温度计的检定。

本发明是以制冷机为冷源的精密检定装置，采用制冷机与真空室的耦合，通过多级制冷机构对控温铜块进行制冷，通过热传导实现对比对铜块的温度的控制，依靠加热丝或加热膜对4K-273K温区内的比对铜块温度的调整，为待测温度计和标准温度计提供均匀的温度场，从而实现对被检温度计的检定。

作为本发明的另一个变形例，所述制冷机的冷头位于温度计检定装置的下方，而不是如图2中冷头位于温度计分度装置的上方，其中，冷头依然与法兰连接，在法兰与控温铜块之间设置减震器，比对铜块可通过支撑或悬挂的方式位于控温铜块的上方，且在对温度计检定过程中，所述冷头、控温铜块、比对铜块之间实现热平衡。

在本发明中制冷机的运行只需要水电维持，运行成本较低；实验开始时，制冷机的降温过程时间短，不需预冷，实验结束后，不需回气压缩，时间成本低；制冷机的冷头温度易于调节，可与控温铜块、比对铜块保持较小的温差，控温过程容易；以制冷机为冷源，可以摆脱对液氦的依赖和供应限制，该装置的结构紧凑，易于移动，可以随时、随地开展低温标定实验；容易实现自动控制，可充分利用夜间降温，提高了工作效率，具有明显的优点。

由具体的实施例以及工作过程的描述，可以方便对本发明进行理解和实施，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明所要求保护和公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种检定装置，该检定装置包括：

制冷机，所述制冷机为所述检定装置提供冷量，作为所述检定装置的冷源；所述制冷机具有至少一个冷头，所述制冷机的冷头与控温铜块连接；其特征在于：所述制冷机的冷头与控温铜块之间设置有减震部件，且所述控温铜块与防辐射屏之间形成相对独立的真空室。

2.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：在所述真空室中包括比对铜块，在所述比对铜块上设置有控温温度计。

3.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：所述至少一个冷头的温度可以通过制冷机的输入功率进行调节，所述至少一个冷头包括一级冷头和二级冷头。

4.如权利要求3所述的检定装置，其特征在于：所述检定装置包括第一防辐射屏、第二防辐射屏和第三防辐射屏，其中，所述第二防辐射屏与控温铜块连接。

5.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：在所述控温铜块上设置有加热丝或加热膜，所述加热丝或加热膜实现对比对铜块的温度进行调整。

6.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：所述控温铜块与支撑杆连接，在所述支撑杆的下方连接有一级防辐射屏和比对铜块。

7.如权利要求2所述的检定装置，其特征在于：在所述比对铜块上设置有标准温度计和至少一个待测温度计。

8.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：所述制冷机选自震动较小的脉冲管制冷机、GM制冷机或斯特林制冷机。

9.如权利要求1所述的检定装置，其特征在于：在制冷机的保护壳上设置真空接口和引线接口。

10.如权利要求9所述的检定装置，其特征在于：所述真空接口和引线接口通过一个共用通道连接到同一真空引线管。

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