CN105531570B - 宽范围精密定容气体温度计 - Google Patents

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Abstract

一种在宽的温度范围上以高的精度测量温度的定容气体温度计(CVTG)装置包括压力测量装置(13)，所述压力测量装置(13)包括形成薄膜(4)的机械组件。毛细管(3)与薄膜(4)的底侧(5)连通，并且在薄膜(4)上的第一压力测量元件(2)依赖于薄膜(4)的变形产生信号。此外，CVTG包括用于读取所述第一压力测量元件(2)的信号和使所述第一压力测量元件(2)的信号与贮气筒(1)的温度相关的电子装置(18)。通过精心设计和紧密公差使在压力测量装置(13)内的气体体积最小化。为了以足够的精度测量CVGT内低于0.1MPa的压力，CVGT包括基于Pirani测量原理的压力测量装置(9)。Pirani测量装置测量周围气体的热导率。为此，在周围气体在环境温度下的同时，热绝缘线或表面被电气加热至限定的温度。如果周围气体的热导率改变，则Pirani元件的温度改变，或者需要调整电气加热功率以便维持Pirani元件的温度。

Description

宽范围精密定容气体温度计
技术领域
本发明涉及一种定容气体温度计(CVGT)，其包括贮气筒、压力测量装置和毛细管，所述毛细管将贮气筒连接至压力测量装置，用于以非常高的精度在宽的范围上测量液体或气体的温度。
背景技术
精密温度计通常覆盖有限的测量范围。它们的测量原理大部分基于电阻率随温度的变化。对于低温应用，使用半导体的电阻率，然而，对于从环境到燃烧温度的温度，采用金属的电阻率。两变体限于它们相应的温度范围，并且结合不便。
然而，许多工业过程应用受益于精密温度计，所述精密温度计从冻结温度向上跨到燃烧温度，或者从环境温度向下跨到低于超流态氦温度。
现有技术状况
用于过程应用的精密温度计基于选择的传感器探头的电阻的测量。
在环境温度到高温的情况下，选择的传感器探头典型地由铂膜制成，并产生电阻随温度的高度线性的增长。其操作上限大约为900-950K，高于所述操作上限，铂膜的结构变得不稳定。尽管操作下限为大约70K，但是温度测量的精度由于递减的绝对电阻值而变差。
在低温到制冷温度时，传感器探头典型地由各种半导体制成。它们的电阻随着递减的温度而指数地增大，这使测量相对容易。然而，必须非常小心地进行校准，并且电阻相对温度的强烈非线性特性使得必须采用若干不同的半导体传感器探头，以便覆盖从环境温度到大约1K的范围。另外，电阻传感器探头的热耗散及其铜线的热传导在从氦的冷凝和更低的温度范围中引起温度稳定性的问题。
因此，基于单个电阻传感器探头的温度计不能用于覆盖从1K到环境温度或从制冷温度到燃烧温度的范围。
定容气体温度计(CVGT)基于的事实是，在封闭气体体积内的压力随温度成比例地提高。对于气体体积充满氦的情况，CVGT尽可能接近理想气体定律操作，其中，气体压力在远远超过1'000K的范围上是绝对温度的高度线性的函数。
CVGT典型地包括三个基本元件：贮气筒，其经受待测量的温度(目标温度)，并且其包含恒定的气体体积；压力测量装置；和毛细管，其取决于应用可以是几厘米到几十米长，并且其将贮气筒连接至压力测量装置。
CVGT的重大挫折与压力的测量有关联。通常，压力通过所谓的波登管(bourdon)测量，并且波登管在变化的温度和压力下的移动经由机械齿轮转化成显示器上的手的旋转。波登管由于其低的压力灵敏度，所以需要高的绝对压力变化，并且CVGT的典型气体压力为5MPa到20MPa(50到200巴)。低于5MPa(50巴)，波登管的灵敏度对于精确的测量不够，并且在操作范围内，机械齿轮引入满量程的1-2%的相对大的误差。
CVGT的第二个重大挫折的事实是，在毛细管和波登管内的气体体积形成所谓的寄生体积。与贮气筒的气体体积相比，寄生体积未在目标温度下，并且由于两个体积相连并在相同的压力下，所以损害目标温度与气体压力之间的线性关系。该误差随着寄生体积与贮气筒体积的增加的比率、并随着目标温度与压力测量装置的实际温度之间增加的温度差而增大。由于两个值鲜为人知，所以这样的CVGT的精度能大大地变差。
发明目的
本发明的目的是提供一种CVGT，其允许用单个温度计在宽的温度范围上以高的精度的温度测量。
发明内容
上述目的通过如权利要求1所要求保护的本发明解决。此外，有利特征在相应的从属权利要求中被要求保护。
鉴于以上所述，用于在宽的温度范围上以高精度测量温度的CVGT包括第一压力测量装置，所述第一压力测量装置包括形成薄膜的机械组件。毛细管与薄膜的底侧连通，并且在薄膜上的压力测量元件依赖于薄膜的变形产生信号。此外，CVGT包括用于读取所述第一压力测量元件的信号和使所述第一压力测量元件的信号与贮气筒的温度相关联的电子装置。通过精心设计和紧密公差使在第一压力测量装置内的气体体积最小化。
根据一个实施例，压力测量元件是沉积到具有限定直径和厚度的不锈钢薄膜上的电阻薄膜应变计，所述薄膜经由毛细管经受贮气筒的气体压力。
根据另一实施例，压力测量元件是沉积到所述不锈钢薄膜上的压阻薄膜应变计。
根据本发明的另一实施例，电阻温度计沉积到形成薄膜的机械组件上，所述电阻温度计测量机械组件的温度。
在本发明的另一优选实施例中，薄膜电阻布置到机械组件上，所述薄膜电阻与应变计电气串联地操作，并且其随着温度的变化用于补偿对应变计的信号的温度影响。
根据本发明的另一实施例，在薄膜的底侧的毛细管连接元件提供毛细管与薄膜的底侧的连通。
优选地，贮气筒包含纯氦或氩。
在本发明的另一有利实施例中，贮气筒包括第二毛细管，用于将气体填充到由贮气筒、第一毛细管和机械组件形成的体积中。
根据另一实施例，本发明包括直接或间接地连接至贮气筒的第二压力测量装置和使所述第二压力测量装置的信号与贮气筒的温度相关的装置。
优选地，第二压力测量装置被封闭在气密外壳的体积中，并且该体积通过第三毛细管直接或间接地连接至贮气筒。
更优选地，第二压力测量装置布置在位于薄膜的底侧上的空腔中。
根据本发明的另一实施例，第二压力测量装置是Pirani传感器。电子装置在恒定的温度下测量Pirani传感器的功率消耗，并使所述功率消耗与贮气筒的温度关联。优选地，Pirani传感器的电气引线经由气密馈通接触，并且所述Pirani压力传感器的功率消耗与贮气筒的温度有关联。有利地，Pirani传感器是微机械加工的硅热板，并且使围绕Pirani传感器的气体体积最小化。
本发明的详细说明
本发明基于CVGT，所述CVGT结合高精度的压力测量装置。压力测量装置典型地包括沉积到不锈钢薄膜上的薄膜应变计，其中，不锈钢薄膜经受来自下面的气体压力。
这样的薄膜应变计能由薄膜的不锈钢的选择并由其几何尺寸决定的范围内测量气体压力。为了维持高精度的测量，薄膜的尺寸设计成使得在最高的允许气体压力下，薄膜的变形仍然是严格弹性的。沉积在合适的不锈钢薄膜上的典型薄膜应变计的准确度典型地大约为满测量量程的0.05-0.1%。测量范围典型地从最高设计压力向下至该值的大约2-3%。
通过压力测量装置的精心设计以及紧密的制造公差，与压力测量装置相关的寄生体积能限于非常小的值，这减小与寄生体积相关的测量误差或者可允许更小的贮气筒。优选地，贮气筒、毛细管和压力测量装置的本体由不锈钢制成。
此外，在薄膜应变计的沉积的相同处理步骤期间，人们能将薄膜电阻温度计沉积在不经受通过气体压力的变形的压力测量装置的表面的一部分上。压力测量装置的实际温度的了解于是允许由压力测量装置的寄生体积引起的误差的分析校正。
CVGT的测量范围由在室温下的氦气的初始填充压力以及在操作期间的最高容许气体压力决定。在300K下的5MPa(50巴)的填充压力和20MPa(200巴)的最高压力的情况下，CVGT的测量范围为25-1'200K，然而，在300K下的15MPa(150巴)的填充压力产生5-400K的测量范围。对于可行的实施例，温度范围的上限为大约1'000K到1'100K，这是对用于贮气筒和毛细管的不锈钢的典型限制。
为了将测量范围延伸至更低的温度，将在300K下的填充压力调整至合适的值，使得当目标温度降低至在5.2K下的氦的临界点时，氦至少稍微超临界。对于这样的构造的合适的填充压力是13MPa(130巴)或更高。
在达到5.2K的目标温度时，氦开始冷凝，并将CVGT内的压力调整至氦的平衡蒸汽压力，其从在5.2K下的27.2KPa(2.272巴)降低至在1K下的15.57Pa(0.1557毫巴)。
对于低于1巴的范围内的压力，基于不锈钢薄膜和薄膜应变计的压力测量装置不提供准确的读数，所述压力测量装置设计成在20MPa(200巴)下的小的最大弯曲。
为了以足够的准确度测量CVGT内低于0.1MPa(1巴)的压力，根据本发明的CVGT可包括基于Pirani测量原理的第二压力测量装置。Pirani测量装置测量周围气体的热导率。为此，在周围气体在环境温度下的同时，热绝缘线或表面被电气加热至限定的温度。如果周围气体的热导率改变，则Pirani元件的温度改变，或者需要调整电气加热功率以便维持Pirani元件的温度。
在没有气体流动或气体的化学成分变化的情况下，气体的热导率的变化仅能由其压力的变化引起。然而，压力变化对于其中气体分子的平均自由路径长度大约为Pirani元件的外壳的几何尺寸情况时的压力范围仅导致气体的热导率的变化。因此，Pirani测量装置典型地用于测量在0.1Pa(1μ巴)与0.1MPa(1巴)之间的压力范围。
在根据本发明的CVGT中，Pirani测量装置的另外的气密密封的外壳经由附加的毛细管连接至CVGT的筒中的气体体积，或者其位于在主压力测量装置的薄膜下面的空腔中，并通过这种方式经由毛细管连接至主压力测量装置并连接至筒。在Pirani测量装置外壳中通过合适密封并绝缘的连接器进行到Pirani测量装置的电气连接。
与测量薄膜的两侧之间的压差的基于薄膜的压力测量装置形成对比，Pirani测量装置测量绝对压力。即使其测量范围限于低的压力，其也表现出对非常高的压力的实际上不受限制的机械阻力。因此，其能容易地结合到产生几百巴的内部压力的CVGT中。
由于Pirani测量装置外壳将添加到CVGT的寄生体积，所以必须使其尺寸最小化。因此，根据我们的发明的优选Pirani测量装置是基于薄膜的微机械加工硅热板。其优点是其低于1mm3的小的体积、其用于环境温度的集成温度传感器、其可容易调整的测量范围及其低的成本。
因此，根据我们的发明的CVGT能够以0.1%或更好的准确度测量达到几百开尔文的温度，并且通过可选的Pirani测量装置，其能够以相似的准确度测量向下至1开尔文和更低的低温温度。
以下的说明和附图详细阐明了本发明的某些说明性的实施例。然而，这些实施例仅表示可采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。本发明的其他目的、优点和特征当结合附图考虑时将从以下的本发明的详细说明变得显而易见，并且不限于权利要求。
附图说明
图1至3作为例证示意性地示出本发明的原理，其中：
图1示出带有第一压力测量装置的CVGT；
图2示出带有第一和第二压力测量装置的CVGT，其中，第二测量装置通过单独的毛细管连接至贮气筒；以及
图3示出带有第一和第二压力测量装置的CVGT，其中，第二测量装置集成到在第一压力测量装置的薄膜下面的空腔中。
具体实施方式
用于在宽的温度范围上的精确温度测量的CVGT在图1所描绘的实施例中包括贮气筒1，所述贮气筒1通过第一毛细管3连接至第一压力测量装置13，该贮气筒典型地由不锈钢制成。该第一毛细管的尺寸可适应于应用；其内径典型地在0.01mm与0.1mm之间变化，并且其长度典型地从几厘米到几十米变化。
第一压力测量装置13包括压力测量元件2，所述压力测量元件2是优选地沉积为不锈钢薄膜4之上的薄膜金属层的应变计。薄膜4的底侧5经由第一毛细管3连接至贮气筒1，使得薄膜4和压力测量元件2都与贮气筒1热分离。
通过毛细管3的小内径并通过形成薄膜4的机械组件6的紧密配合公差使由第一毛细管3和薄膜4的底侧5形成的寄生体积最小化。布置在薄膜4的底侧5并通过焊接至机械组件6的本体15而固定的毛细管连接元件14提供毛细管3与薄膜4的底侧5的连通。
CVGT组件的所有机械连接是焊接或硬钎焊的，以便获得填充气体的气密密封。填充气体优选地是氦或氩。加压气体填充通过第二毛细管7输入CVGT组件中，所述第二毛细管7连接至在薄膜4下面的气体体积，或者连接至第一毛细管3，或者优选地连接至贮气筒1。在用气体以要求的压力填充CVGT组件之后，第二毛细管7通过焊接或硬钎焊被永久地密封。第二毛细管7的剩余体积如果连接至第一毛细管3或在薄膜4下面的体积，则同样形成寄生体积的一部分。然而，如果第二毛细管7以合适的方式连接至贮气筒1，则其是恒定气体体积的一部分而不是寄生体积的一部分。
在温度计的操作期间，压力测量元件2产生大体上与贮气筒1的绝对温度成比例的信号。如果设计正确，则压力测量元件2以满量程的0.1%或更好的准确度测量压力，其中，压力测量元件2的满量程典型地与薄膜4在其0.15%的边界处的弯曲对应。
在实施例的优选变型中，薄膜电阻8沉积在机械组件6的本体15上，使得其不经受薄膜4的弯曲。薄膜电阻8的电阻的变化用于确定机械组件6和第一压力测量元件2的实际温度。在该实施例的优选实施中，不经受薄膜4的弯曲的第二薄膜电阻8'沉积在机械组件6的本体15上，并作为压力测量元件2的应变计的串联电阻操作，因而对于随着形成薄膜4的材料的杨氏模量的环境温度的变化，补偿应变计的信号。其中用于使信号相关联并控制CVGT的电子控制装置18分别通过电连接12和12'与压力测量元件2和薄膜电阻8、8'连接。
在了解测量组件6的温度的情况下，能对随着压力测量元件2的温度的零点漂移的影响、对形成薄膜4的不锈钢的杨氏模量的温度系数的影响、并对在薄膜4的底侧5处的寄生体积的影响，校正压力测量元件2的信号。考虑所述校正，即使压力测量组件6的环境温度经历大的变化，也能以满量程的0.1%的准确度对温度校准CVGT。这样的校正的益处对于带有小的贮气筒1和/或长的毛细管3的CVGT变得尤其重要。
CVGT的测量范围由在环境温度下的初始填充压力、最高容许压力(典型地20MPa(200巴))和允许根据技术规范的精度的最低压力(典型地0.5MPa(5巴))决定。例如，在300K下的10MPa(100巴)的填充压力将产生15K至600K的典型测量范围，然而，50MPa(50巴)的填充压力将产生30K至1'200K的典型测量范围。
在图2所描绘的第二实施例中，第二压力测量装置9位于气密的第二压力测量装置外壳11内，并且被所述第二压力测量装置外壳11封闭的体积经由第三毛细管10连接至第一毛细管3。合适密封并绝缘的连接器16电气连接至第二压力测量装置外壳11中的第二测量装置9，用于与电气控制装置18的连接。在图3所描绘的该实施例的优选变型中，第二压力测量装置9位于在形成薄膜4的机械组件6的薄膜4下面的空腔17中。
第二压力测量装置9优选地是适应从10KPa到0.3MPa(100毫巴到3巴)的氦压力范围的Pirani探头。在有利实施中，Pirani探头是结合高灵敏度、高精度和最小体积的微机械加工的硅热板。
所述第二实施例的CVGT在室温下有利地用氦以13.5MPa(135巴)的压力填充。第一压力测量装置13的量程范围于是从5K到400变化，并且第二测量装置9的量程开始于氦在5.2K的临界点，并向下变化到低于1K。调整气体的填充压力和第二压力测量装置9的测量范围，使得第一压力测量装置13的测量范围的下端和第二压力测量装置9的测量范围的上端都位于或靠近填充气体的临界点。
因此，所述第二实施例的CVGT能够以高精度测量从低于1K到高达400K的温度。
附图图例
1-贮气筒
2-压力测量元件
3-第一毛细管
4-薄膜
5-薄膜的底侧
6-形成薄膜的机械组件
7-第二毛细管
8、8'-薄膜电阻
9-第二压力测量装置
10-第三毛细管
11-第二压力测量装置外壳
12、12'-电连接
13-第一压力测量装置
14-毛细管连接元件
15-本体
16-电气连接
17-空腔
18-电子控制单元

Claims (11)

1.一种定容气体温度计(CVGT)，包括贮气筒(1)、压力测量装置(13)和毛细管(3)，所述毛细管(3)将所述贮气筒(1)连接至所述压力测量装置(13)，所述压力测量装置(13)包括：机械组件(6)，其形成薄膜(4)，其中，所述毛细管与所述薄膜(4)的底侧(5)连通；在所述薄膜(4)上的压力测量元件(2)，其依赖于所述薄膜(4)的变形产生信号；以及电子装置(18)，用于使所述压力测量元件(2)的信号与所述贮气筒(1)的温度相关联，其特征在于还包括第二压力测量装置(9)，所述第二压力测量装置(9)直接或间接地连接至所述贮气筒(1)和所述装置(18)，以便使所述第二压力测量装置(9)的信号与所述贮气筒(1)的温度相关；所述压力测量装置(13)和所述第二压力测量装置(9)是不同类型的压力测量装置。
2.根据权利要求1所述的温度计，其特征在于，所述第二压力测量装置(9)被封闭在气密外壳(11)的体积中，并且所述体积通过第三毛细管(10)直接或间接地连接至所述贮气筒(1)。
3.根据权利要求2所述的温度计，其特征在于，所述第二压力测量装置(9)布置在位于所述薄膜(4)的所述底侧(5)上的空腔(17)中。
4.根据权利要求1所述的温度计，其特征在于，所述压力测量装置(9)是Pirani传感器。
5.根据权利要求1所述的温度计，其特征在于，所述压力测量元件(2)是沉积在所述薄膜(4)上的电阻应变计。
6.根据权利要求1所述的温度计，其特征在于，所述压力测量元件(2)是沉积在所述薄膜(4)上的压阻应变计。
7.根据权利要求1所述的温度计，其特征在于，电阻温度计(8)沉积到形成所述薄膜(4)的所述机械组件(6)上，所述电阻温度计(8)测量所述机械组件(6)的温度。
8.根据权利要求5或6所述的温度计，其特征在于，薄膜电阻(8')布置到所述机械组件(6)上，所述薄膜电阻(8')与所述应变计(2)串联地电气操作，并且其随着温度的变化用于补偿对所述应变计(2)的信号的温度影响。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的温度计，其特征在于包括在所述薄膜(4)的底侧(5)的毛细管连接元件(14)，用于提供所述毛细管(3)与所述薄膜(4)的所述底侧(5)的连通。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的温度计，其特征在于，所述贮气筒(1)包含纯氦。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的温度计，其特征在于，所述贮气筒(1)包括第二毛细管(7)，用于将气体填充到由所述贮气筒(1)、所述第一毛细管(3)和所述机械组件(6)形成的体积中。
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