CN106644173B - 一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置，其包括：制冷机，其包括至少一个冷头；压力腔，所述制冷机对所述压力腔进行制冷；在所述压力腔中设置有微波谐振腔，在微波谐振腔上设置有固定点部件。本发明的装置工作环境一致性很好，检验比对测温准确度高；温度基准装置耦合固定点部件，可同时实现温度分度和温度国际比对功能；装置搭建和测量费用相对较低，节约实验时间，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种比对装置，尤其是涉及一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置
背景技术
目前，低温区精密温度计检定或分度测量一般采用比较法。根据热力学第零定律，如果两个热力体系分别与第三个热力体系处于热平衡，则这两个热力体系彼此间也处于热平衡，两个体系具有相同的温度。将标准温度计与被检温度计同时放入同一个均匀温度场，使标准温度计与被检温度计同时分别与均匀温度场之间建立热平衡，通过被检温度计与标准温度计的温度电阻特性关系比较，可实现对被检温度计的检定或分度。
固定点是国际温标规定的某些物质不同相之间的可复现的平衡温度点，主要用于复现国际温标，分度标准铂电阻温度计等高准确度温度计，具有温度值确定、复现性好、准确性高的特点，是温标的重要组成部分。通常情况下，首先利用固定点装置来检验标准温度计，如标准老铁温度计，获得标准温度计在固定点温度下的温度—电阻特性；而后将标准温度计放入如定压气体折射率或介电常数等温度比对装置进行比对。这样做就需要两套不同的实验装置，实验装置成本高，实验耗时长，效率较低；此外，由于两套装置的实验环境有所不同，在比对过程中会引入一定的误差，加之实验装置本身存在一定的测温不确定度，导致整体测温不确定度较大。因此，有必要发展一种测温不确定度小、费用低、耗时短、效率高的国际温度比对装置。
发明内容
本专利旨在解决传统温度国际比对装置测温精度较低，搭建和使用费用高，耗时长和效率低等问题。
本发明公开了一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置，其包括：制冷机，其包括至少一个冷头；压力腔，所述制冷机对所述压力腔进行制冷；在所述压力腔中设置有微波谐振腔，在微波谐振腔上设置有固定点部件。
其中，在所述固定点部件上安装有标准测温元件和被检测温元件。
其中，所述制冷机包括一级冷头和二级冷头。
其中，在所述压力腔上设置有压力腔法兰。
其中，所述微波谐振腔上布置有连通结构和微波天线。
其中，还包括多个柔性连接部件。
本发明提供一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置，通过定压气体折射率方法建立基准装置并耦合固定点部件，可提高测温精度，同时实现温度分度和温度比对功能，一个装置多个功能，可降低装置搭建和使用费用，节约时间，提高效率。
附图说明
图1为本发明的以制冷机为冷源的国际温度比对装置示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图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1为本发明的以制冷机为冷源的国际温度比对装置的结构示意图。如图1所示，本发明的以制冷机为冷源的国际温度比对装置包括：制冷机1，所述制冷机1为低振动的脉冲管制冷机，包括一级冷头8和二级冷头17，其中一级冷头8与一级法兰12相连，一级冷头8下装有一级柔性热连接9；二级冷头18与二级法兰21相连，二级冷头18下装有二级柔性热连接19；通过弹簧减震器2、一级柔性热连接9和二级柔性热连接19有效解决了脉管制冷机工作时产生的机械振动和降低了脉管内气体周期性压力波动引起管壁弹性形变带来的振动影响，为微波谐振腔31内部和固定点部件32营造一个良好的温度比对环境。
在所述弹簧减震器2的下方连接有零级法兰3，在所述一级法兰12与零级法兰3之间设置有零级吊杆5，在所述二级法兰21与一级法兰12之间设置一级吊杆14，通过所述零级吊杆5和一级吊杆14将法兰进行相连，两层吊杆的结构简单、安装拆卸十分方便，吊杆由绝热材料制成，同时还可以减少不同级法兰间的传热。另外，所述一级法兰12、一级防辐射屏13、二级法兰21和二级防辐射屏22均为镀金结构，可有效降低辐射换热；为了对法兰的温度进行控制，在所述一级法兰12上设置一级法兰温度计10和一级法兰加热器11，通过一级法兰温度计10对所述一级法兰的温度进行测量，通过一级法兰加热器11对所述一级法兰12的温度进行微调；在所述二级法兰21上设置二级法兰温度计19和二级法兰加热器20，通过二级法兰温度计19对所述二级法兰21的温度进行测量，通过二级法兰加热器20对所述二级法兰21的温度进行微调。
零级法兰3与双层真空筒4、一级法兰12与一级防辐射屏13，二级法兰21与二级防辐射屏22，压力腔法兰25与压力腔26优选由螺栓连接，都可自由拆装；零级法兰3和双层真空筒4与一级法兰12和一级防辐射屏13相连通共同构建一个密闭空间，二级法兰21和二级防辐射屏22共同构建一个密闭空间，一起构成的真空系统，为压力腔26和微波谐振腔31提供稳定的真空绝热环境，保证了微波谐振腔31内和固定点部件32温场的均匀性。通过采用双层真空结构减少了双层真空筒4的重量，双层真空筒4、一级防辐射屏13和二级防辐射屏22均具有半球形底部结构，此外，半球形底部结构进一步减少了双层真空筒4、一级防辐射屏13和二级防辐射屏22的重量，降低了事故发生时的危险性，同时还有利于避免出现安装拆卸时人员被棱角刮伤的情况。
图1中，在二级法兰21的下方设置有压力腔26，所述压力腔26与压力腔法兰25组成工作测试环境，在所述压力腔法兰25上具有引入端口，所述引入端口与进气管33、出气管34和真空引线接口35相连接。
所述比对装置包括控压管路部分，所述控压管路部分与所述进气管33以及出气管34进行连接，通过所述控压管路部分使得整个基准装置中的气体压力保持稳定，该控压管路部分包括气源36，所述气源36中存放有高纯度的氦气，所述气源36通过管道连接冷阱37，在冷阱37周围设置阀门，可选择气体是否通过冷阱37，所述冷阱37用于降低氦气温度，为了提高氦气的纯度，可进一步在管路中设置有气体纯化装置39，在气体纯化装置39的周围管路中设置多个阀门，通过该气体纯化装置39可以除去氦气中的杂质以提高氦气纯度，使得进入进气管33的氦气具有高的纯度。在控压管路部分设置有第一流量计38和第二流量计41，通过这两个流量计实时测量管路的质量流量；其中，从气源36发出的氦气经过第一流量计38、阀门、气体纯化装置39和进气管33进入压力腔26和微波谐振腔31，经出气管34流入压力计42和反馈环路43，当第二流量计41流量过大时，部分氦气会经由真空泵40抽出到外界环境，这样各部件一起构成一个压力补偿环路，用以补偿压力计42间隙气体泄漏导致的压力损失，从而使压力计长期处于稳定状态，为压力腔26和微波谐振腔31内部提供长期、稳定的压力环境。可以说，压力腔26、连通结构27、微波谐振腔31、进气管33、出气管34、气瓶36、冷阱37、第一流量计38、气体纯化装置39、真空泵40、第二流量计41、活塞压力计42和反馈回路43一起构成微流量补偿环路，使得环路内压力处处相等，有效避免了死空间修正，解决了微波谐振腔31在真空和充气状态下的变形问题，降低了非理想性对温度测量准确度的影响；微流量补偿环路通过将绝对压力测量转换为相对压力控制，降低了压力测量不确定度。
如图1所示的实施案例中，在压力腔法兰25下面安装有微波谐振腔31，其上布置有连通结构27、微波天线28，其中：连通结构27之一与进气管33通过毛细管连接，使得压力腔26、微波谐振腔31、控压进气管33、出气管34内压力处处相等，有效避免了气体温度计中存在的测压管路分担压力导致的死空间修正，解决了微波谐振腔31在真空和充气状态下的变形问题，降低了非理想性对温度测量准确度的影响；微波谐振腔31能成功分离缔合模式从而提高频率测量精度，通过微波天线28发射微波、测量谐振频率最终获得微波谐振腔31在真空状态及充气状态下的谐振频率，比测量绝对压力有更高的精度，不确定度达2ppb，定压条件下准球形微波谐振腔31的谐振频率与其中的气体折射率满足一定的关系式，由此关系式可以获得定压条件下的气体折射率，而由气体维里方程可得定压条件下气体折射率与热力学温度满足的另一关系式，从而在已知定压条件下气体折射率的情况下可由此关系式获得定压条件下相应的热力学温度。
在一级冷头8、一级法兰12、二级冷头18、二级法兰21和微波谐振腔31上安装有温度计(6、10、15、19和29)和加热器(7、11、16、20和30)，引线接口34与自动控制系统相连，完成数据的同步采集、记录与自动化处理，从而实现高准确度热力学温度的比对测量。
如图1所示，在微波谐振腔31上设置有固定点部件32，在固定点部件32上安装有标准测温元件和被检测温元件。当固定点部件32达到设定温度，与引线管相连的自动化数据采集系统采集被检测温元件与标准测温元件在设定温度点的相关数据，处理采集到的数据后，获得被检测温元件温度与电阻的对应关系，可实现对被检测温元件的分度功能；在一些固定点温度，如氖三相点、氢三相点等温度，将标准被检测温元件的测量值与其它国际比对装置中获得的同一标准被检测温元件测量值进行对比，可实现国际温度比对功能。在本实施案例中，通过将固定点部件32耦合到基准装置中微波谐振腔31上，可保证两者有均一的实验温度环境，减少了比对测温时的不确定来源，提高了测温准确度；由于固定点具有温度值确定、复现性好、准确性高的特点，如果使用固定点进行控温，则可进一步提高温场的均一性，从而实现更加精准的温度国际比对校验。此外，同一装置具备多个功能，即可降低装置搭建和使用费用，又可节约实验时间，提高了使用效率。
本发明的装置工作环境一致性很好，检验比对测温准确度高；温度基准装置耦合固定点部件，可同时实现温度分度和温度国际比对功能；装置搭建和测量费用相对较低，节约实验时间，效率高。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (3)
1.一种以制冷机为冷源的国际温度比对装置，其包括：制冷机，其包括至少一个冷头；压力腔，所述制冷机对所述压力腔进行制冷；其特征在于：所述压力腔与压力腔法兰组成工作测试环境，在所述压力腔法兰上具有引入端口，所述引入端口与进气管、出气管和真空引线接口相连接；所述比对装置包括控压管路部分，所述控压管路部分与所述进气管以及出气管进行连接，通过所述控压管路部分使得整个基准装置中的气体压力保持稳定，该控压管路部分包括气源，所述气源中存放有高纯度的氦气，所述气源通过管道连接冷阱；在所述压力腔中设置有微波谐振腔，微波谐振腔上布置有连通结构、微波天线，所述连通结构之一与进气管通过毛细管连接，使得压力腔、微波谐振腔、控压进气管、出气管内压力处处相等；在微波谐振腔上设置有固定点部件，在固定点部件上安装有标准测温元件和被检测温元件；当固定点部件达到设定温度，与引线管相连的自动化数据采集系统采集被检测温元件与标准测温元件在设定温度点的相关数据，处理采集到的数据后，获得被检测温元件温度与电阻的对应关系，可实现对被检测温元件的分度功能。
2.如权利要求1所述的以制冷机为冷源的国际温度比对装置，其包括：所述制冷机包括一级冷头和二级冷头。
3.如权利要求1所述的以制冷机为冷源的国际温度比对装置，其包括：还包括多个柔性连接部件。
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