CN108318157A - 一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统，其包括：制冷机，其具有至少两个冷头；至少一密闭空间，起到热开关的作用；在所述密闭空间中设置有微波谐振腔，微流量补偿环路为所述微波谐振腔提供稳定的压力环境，在所述微波谐振腔内设置有固定点部件。该系统将固定点复现装置与基准测温装置相耦合，减少了量值传递环节，从根本上杜绝了对比温度漂移，增大了谐振腔热容，使固定点原位精准复现更容易实现可提高测温精度，一个装置多个功能，可以同时实现温度分度与温度测量的功能，进而降低实验成本与时间成本，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度标定系统，特别是一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统。
背景技术
热力学温度是衡量能量系统和能量交换过程中最基本的状态参数，也是国际单位制七个基本单位之一。热力学温度的高准确测量对于前沿科学研究、大科学装置运行、科研装备研制、国民经济和高新技术发展等领域具有重要的科学价值和战略意义。按照测温准确度从高至低，温度量值溯源系统可划分为基准装置(测温不确定度1mK)、标准装置(测温不确定度3mK)和工业应用装置。目前，建立基准测温装置有多种方法，尤其是最近所提出的定压气体折射率基准测温新方法，创新性的以相对压力控制替代绝对压力测量，从根本上解决了对绝对压力测量精度依赖度，其理论精度较既有方法提高30％。该方法中，涉及到十余种参数的测量或准确输入，尤其是作为温度对比载体的标准电阻温度计，其电阻-温度特性是决定基准级测温系统精确度的关键。
标准铂电阻温度计等高准确度温度计的分度主要是通过固定点来实现，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，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。传统基准测温装置与固定点复现装置分别独立运行，标准电阻温度计一经标定后放置于基准测温系统中，随着时间的推移其电阻-温度特性发生变化，造成温度计测量偏差，即标准电阻温度计的电阻-温度特性漂移问题；而且量值传递多环节引起了新的不确定问题；并且在新的基准测温方法下，系统还存在无法精准回归固定点、无法实现原位热力参数的比对；加之使用两套装置，实验成本较高，由于两套装置不能同时对同一基准测温元件进行实验测量，耗时相对较长，时间成本较高。
综上，要实现基准级测温装置的长时间高精度测量，并进一步的节约成本，提高效率，可将固定点与基准测温装置相耦合，发展一种新的温度标定装置。
发明内容
本发明的目的是解决传统基准测温装置固有的标准电阻温度计的电阻-温度特性漂移问题、测温不确定因素多、无法实现原位热力参数对比、装置搭建和温度测量费用相对较高，实验耗时长，效率低等问题。
本发明提供了一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统，其包括：制冷机，其具有至少两个冷头；至少一密闭空间，起到热开关的作用；在所述密闭空间中设置有微波谐振腔，微流量补偿环路为所述微波谐振腔提供稳定的压力环境，在所述微波谐振腔内设置有固定点部件。
其中，所述固定点部件通过耦合连接件与微波谐振腔相连接。
其中，所述耦合连接件包含但不局限于圆柱体、长方体、或多面体等结构。
其中，所述固定点部件包含多个固定点复现单元。
其中，所述热开关的工作介质为氦气、氖气、氩气、或氮气等气体。
其中，所述至少一密闭空间包括第一密闭空间和第二密闭空间。
其中，零级法兰、中空复合真空罩的内表面、二级法兰和独立真空筒的外表面组成所述第一密闭空间。
其中，独立真空筒与二级法兰构成所述第二密闭空间。
其中，在所述第二密闭空间内包括压力腔，所述微波谐振腔位于所述压力腔内。
其中，所述微波谐振腔采用准球形、圆柱形、或多面体等几何结构；所述微波谐振腔的腔体材料为高导无氧铜等金属材料、或蓝宝石等非金属材料、或超导材料等固体材料，或者上述材料组成的复合材料。
本发明提供了一种新的耦合固定点的温度标定系统，该系统将固定点复现装置与基准测温装置相耦合，减少了量值传递环节，从根本上杜绝了对比温度漂移，增大了谐振腔热容，使固定点原位精准复现更容易实现，可提高测温精度，一个装置多个功能，可以同时实现温度分度与温度测量的功能，进而降低实验成本与时间成本，提高效率。
附图说明
图1是本发明以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统示意图；
图2是本发明的耦合连接件以及固定点部件俯视图。
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。
本发明提供了一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统，图1为本发明装置示意图。如图1所示，本发明的以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统包括：制冷机1、四通阀2、三通阀3、零级法兰4、中空复合真空罩5、一级冷头6、一级复合热阻7、测压管8、一级柔性热连接9、二级复合热阻10、一级法兰11、一级防辐射屏12、二级冷头13、三级复合热阻14、二级柔性热连接15、四级复合热阻16、二级法兰17、独立真空筒18、压力腔19、微波谐振腔20、微波天线21、耦合连接件22、固定点部件23、气瓶24、冷阱25、1号流量计26、气体纯化装置27、反馈回路28、2号流量计29、真空泵30、活塞压力计31、固定点复现单元32、标准电阻温度计33、分子泵组34；阀门v1-v13。
如图1所示的实施案例中，制冷机1，为低振动脉管制冷机，至少有一级冷头6与二级冷头13两个冷头，其中一级冷头6向上与零级法兰4相连，一级冷头6向下依次与一级复合热阻7、一级柔性热连接9、二级复合热阻10、一级法兰11相连；二级冷头13向上与一级法兰11相连，二级冷头13向下依次与三级复合热阻14、二级柔性热连接15、四级复合热阻16、二级法兰17相连。通过设置一级柔性热连接9和二级柔性热连接15，有效解决制冷机的固有机械振动，降低了脉管内气体周期性压力波动造成管壁形变带来的振动影响；另外，通过复合热阻7、10、14、16与制冷机冷头6、13共同实现冷量高效传递，并可同时使整个过程中制冷机冷头的波动得到有效衰减，为微波谐振腔20与固定点部件23营造一个良好的低温环境。
在本实施案例中，零级法兰4和中空复合真空罩5的内表面与二级法兰17和独立真空筒18的外表面构成了第一密闭空间。中空复合真空罩5通过卡钳与零级法兰4相连，所述中空复合真空罩5采用中空设计，有效降低制冷机负载重量，中空复合真空罩5最外层为恒温夹层，确保真空复合真空罩5的内壁具有恒定温度，中空复合真空罩5的靠近内部具有真空层，所述真空层与真空泵相连提供高真空环境，可大幅减小其引起的温度波动。
一级防辐射屏12与一级法兰11通过螺栓相连接，一级防辐射屏12采用镂空设计，其中间部分采用不限于镀金辐射屏、铝箔布等镂空结构。中空、镂空以及镀金设计，减轻了重量，有效均匀温场，降低了热传导漏热和辐射漏热。独立真空筒18与二级法兰17构成第二密闭空间，通过螺栓连接，采用镀金设计，具有特殊设计密封结构，可实现自由拆装和超高密封性能。压力腔19采用镀金设计。第一密闭空间和第二密闭空间一起构成真空系统，为压力腔19和微波谐振腔20提供稳定的真空绝热环境，保证了微波谐振腔20与固定点部件23温场的均匀性、稳定性。
如图1所示的实施案例中，二级法兰17和独立真空筒18构成的第二密闭空间起到“热开关”的作用，通过调节阀门v13的开度，以实现不同的开启关闭状态，用于“热开关”的开启和关闭。独立真空筒18内充入气体时为“热开关”的开启状态，此时，主要依靠其内部工作气体的对流达到换热的目的，如微波谐振腔20温度达到目标温度，使用分子泵组34快速抽走第二密闭空间内部工作介质，即关闭“热开关”，从而消除压力腔19和二级法兰17及独立真空筒18间的对流换热，仅有少量的辐射换热，控温系统适时调节加热器的加热量可实现稳定的控温效果。“热开关”工作介质为氦气、氖气、氩气、氮气等气体，工作压力覆盖0～10MPa。结合先进的多点控温算法，通过气体“热开关”的开启和关闭实现5K-300K内连续可调的控温环境。
如图1所示的实施案例中，压力腔19、微波谐振腔20、测压管8、气瓶24、冷阱25、1号流量计26、气体纯化装置27、真空泵30、2号流量计29、活塞压力计31和反馈回路28一起构成微流量补偿环路，为微波谐振腔内部提供长期、稳定的压力环境。
采用两重冷阱25降温、纯化后的低温高纯氦气，通过1号流量计26控制进入谐振腔的气体流量，通过反馈回路28和真空泵30双重调节补偿流量。以上措施可以在获得稳定压力的同时，还可使压力腔19，测压管8以及控压管路中压力处处相等，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，为微波谐振腔20以及固定点部件提供长期稳定的压力。
如图1所示的实施案例中，微波谐振腔20采用包含但不限于准球形、圆柱形等几何结构，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21发射微波、测量谐振频率最终获得微波谐振腔20在真空状态及充气状态下的谐振频率，定压条件下准球形微波谐振腔20的谐振频率与其中的气体折射率满足一定的关系式，进而获得气体折射率和热力学温度。微波谐振腔20材料包含但不限于高导无氧铜等金属材料、或蓝宝石等非金属材料、或超导材料等固体材料，以及上述材料组成的复合材料。
如图1所示的实施案例中，固定点部件23通过耦合连接件22与微波谐振腔20相连接，耦合连接件22采用高导热系数的金属块，包含但不限于高导无氧铜块，通过螺栓与微波谐振腔20底部相连接，耦合形式包含但不限于铜块连接，亦可采用铜杆作为耦合连接件，将固定点部件23悬挂于微波谐振腔底部。如图2所示，若采用铜块作为耦合连接件，耦合连接件22中预留空隙用于放置固定点部件23，耦合连接件包含但不限于圆柱体、长方体、多面体等结构形式；固定点部件不局限于图中所示放置位置以及形式，可采用竖直放置，亦可采用平放或倾斜放置；固定点部件23形式包括但不局限于圆柱形、扁平饼状结构；固定点部件23不局限于单一固定点的复现，可同时包含多个单一固定点复现单元32，例如氢气、氖、氧气、氩气的三相点复现装置。耦合连接件22上安装有至少一个标准电阻温度计33，所述标准铂电阻温度计33围绕所述固定点复现单元设置，所述标准电阻温度计也可以被替换为其他合适的温度计或测温元件。当系统达到固定点部件某一设定温度时，自动化数据采集系统采集电阻温度计在设定温度点的相关数据，处理采集到的数据后，获得标准电阻温度计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；在相应的固定点温度下，同时进行微波谐振腔20内微波频率、折射率的测量以及固定点温度下相关参数测量，进而避免了标准电阻温度计温度-电阻漂移问题，减少量值传递环节，实现热力参数实时比对，实现精准测温。
本发明将固定点部件与基准测温装置相耦合，实现热力参数实时原位对比；基准测温装置与固定点相耦合，有效解决量值传递多环节引起的新不确定度问题以及标准电阻温度计电阻-温度特性漂移问题，并通过采用耦合装置增大谐振腔的热容进而精准实现固定点的原位回归，可实现温度分度和温度测量同时进行，进而实现热力参数的实时对比，同时具有效率高、时间成本低等优点；固定点部件同时包含多个单一固定点复现单元，可以实现宽温区(5K-300K)不同固定点(氢、氖、氧、氩等)复现，进而实现整个测温装置的高准确度测量。
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 (10)
1.一种以制冷机为冷源耦合固定点的温度标定系统，其包括：制冷机，其具有至少两个冷头；至少一密闭空间，起到热开关的作用；其特征在于：在所述密闭空间中设置有微波谐振腔，微流量补偿环路为所述微波谐振腔提供稳定的压力环境，在所述微波谐振腔内设置有固定点部件。
2.如权利要求1所述的温度标定系统，其特征在于：所述固定点部件通过耦合连接件与微波谐振腔相连接。
3.如权利要求2所述的温度标定系统，其特征在于：所述耦合连接件采用圆柱体、长方体、或多面体等结构。
4.如权利要求2所述的温度标定系统，其特征在于：所述固定点部件包含多个固定点复现单元。
5.如权利要求2所述的温度标定系统，其特征在于：所述热开关的工作介质为氦气、氖气、氩气、或氮气等气体。
6.如权利要求1所述的温度标定系统，其特征在于：所述至少一密闭空间包括第一密闭空间和第二密闭空间。
7.如权利要求6所述的温度标定系统，其特征在于：零级法兰、中空复合真空罩的内表面、二级法兰和独立真空筒的外表面组成所述第一密闭空间。
8.如权利要求6所述的温度标定系统，其特征在于：独立真空筒与二级法兰构成所述第二密闭空间。
9.如权利要求8所述的温度标定系统，其特征在于：在所述第二密闭空间内包括压力腔，所述微波谐振腔位于所述压力腔内。
10.如权利要求9所述的温度标定系统，其特征在于：所述微波谐振腔采用准球形、圆柱形、或多面体等几何结构；所述微波谐振腔的腔体材料为高导无氧铜等金属材料、或蓝宝石等非金属材料、或超导材料等固体材料；或者上述材料组成的复合材料。
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|---|---|---|---|---|
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