DE2929019A1 - Temp. measuring system for superconductors - converts specified temp. values of magnetic resistance temp. detector with simultaneous change of coil inductance - Google Patents
Temp. measuring system for superconductors - converts specified temp. values of magnetic resistance temp. detector with simultaneous change of coil inductanceInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Einrichtung zum MessenMethod and device for measuring
im Temperaturbereich der Supraleiter liegender Temperaturen Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.Temperatures in the temperature range of superconductors Description: The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a Device for carrying out the method.
Die zunehmende Anwendung der Kryotechnik und der sich ständig ausbreitende technische Einsatz von Supraleitern erfordert auch eine Weiterentwicklung geeiqneter Meßmethoden, die es ermöglichen, sichere und zuverlässige Temperaturmessungen im Tieftemseraturbereich, insbesondere im Temperaturbereich der Supraleiter, also etwa im Bereich von 0 bis 20 K, durchzuführen.The increasing use of cryogenics and the ever expanding The technical use of superconductors also requires further development of suitable ones Measurement methods that enable safe and reliable temperature measurements in the Low temperature range, in particular in the temperature range of superconductors, i.e. about in the range from 0 to 20 K.
Es ist bekannt (VDI-Bildungswerk, BW1944, Seite 7, rechte Spalte), für Temperaturmessungen der genannten Art ein Kohle-Widerstandthermometer zu verwenden, dessen Kohlewiderstand mit der Meßstelle in Kontakt steht und von einem Konstantstrom-Generator mit einem Strom gespeist wird. Der als Meßfühler wirkende Kohlewiderstand wird durch den Strom aufgeheizt und verfälscht dadurch den Meßwert. Um Fehler dieser Art möglichst klein zu halten, wird mit kleinem Strom gearbeitet. Das impliziert jedoch sehr kleine Spannungsänderungen, welche die zu messende Temperatur nur unzureichend abbilden, so daß Meßverstärker notwendig werden.It is known (VDI-Bildungswerk, BW1944, page 7, right column), to use a carbon resistance thermometer for temperature measurements of the type mentioned, whose carbon resistance is in contact with the measuring point and from a constant current generator is fed with a current. The carbon resistance acting as a sensor is through heats up the current and thus falsifies the measured value. To avoid mistakes of this kind if possible To keep it small, a small current is used. However, that implies very small ones Voltage changes that do not adequately represent the temperature to be measured, so that measuring amplifiers are necessary.
Der Kohlewiderstand muß außerdem mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sein, um einen Kurzschluß des Widerstandes beim Kontaktieren mit der metallischen Meßstelle auszuschließen.The carbon resistor must also be electrically insulating Layer to be coated to short-circuit the resistor when contacting with exclude the metallic measuring point.
Diese Isolierschicht zwischen der Oberfläche des Meßobjektes und dem Meßfühler verzögert aber den Wärmetransport, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen im Temperaturbereich der Supraleiter liegender Temperaturen zu entwickeln, das es ermöglicht, schnelle Temperaturmessungen durchzuführen, den Meßfühler von meßwertverfälschenden Einflüssen freizuhalten, ein gegenüber bekannten Einrichtungen um mehrere Größenordnungen größeres Meßsignal zu erzeugen und gleichzeitig die Meßeinrichtung wesentlich zu vereinfachen und in ihrer Betriebssicherheit zu erhöhen.This insulating layer between the surface of the measurement object and the However, the sensor delays the heat transport. The object of the invention is to a method and a device for measuring in the temperature range of superconductors to develop lying temperatures, which enables rapid temperature measurements carry out, to keep the sensor free of influences that would falsify the measured values, a measurement signal which is several orders of magnitude larger than known devices to produce and at the same time to simplify the measuring device significantly and in to increase their operational safety.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen und mit einer zum Durchführen des Verfahrens vorgeschlaaenen Einrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 3 gelöst.This task is achieved with a method according to the preamble of the claim 1 with the features specified in the characterizing part of the main claim and with a to carry out the method proposed device with the features of characterizing part of claim 3 solved.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß schon bei kleinen Temperaturänderungen in der Größenordnung von zehntel Grad Kelvin Meßsignaländerungen, also Stannungsänderungen aus dem Millivolt- in den Voltbereich erreicht werden, daß gegenüber dem Kohlewiderstand mit wesentlich höherem Strom, höherer Spannung und kleinerer Impedanz gearbeitet wird und deshalb auch die i3etriebssicherheit und die Meßgenauigkeit deutlich erhöht wird, und daß ein guter Wärmekontakt mit der Meßstelle möglich ist und dennoch eine Verschmutzung der Oberfläche mit Klebstoff ausgeschlossen wird.The advantages of the invention are in particular that already at small temperature changes in the order of magnitude of tenths of a degree Kelvin changes in the measurement signal, that is, changes in voltage from the millivolt into the volt range can be achieved, that compared to the carbon resistance with a much higher current, higher voltage and lower impedance is used and therefore also the operational reliability and the measurement accuracy is significantly increased, and that a good thermal contact with the measuring point is possible and the surface is still soiled with adhesive is excluded.
Das Verfahren und ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zum Durchfiihren des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 3 ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.The method and an embodiment of the device for performing of the method with the features of claim 1 or 3 is shown in the drawing and is described in more detail below.
Es zeigen, Fig. 1 Schematisches H(T)-Diagramm für Blei und Niob Fig. 2 Schnitt eines Tenperaturfühlers für integrale Messungen Fig. 3 Temperaturfühler fiir punktförmige Messungen, Fig. 4 Schaltbild der Meßeinrichtung Fig. 5 Diagramm einer Temperaturmessung mit Kohlewiderstand-Meßfühler und mit Supraleiter-Meßfühler mit Gleichrichter-Diode.1 shows a schematic H (T) diagram for lead and niobium. 2 Section of a temperature sensor for integral measurements. Fig. 3 Temperature sensor for point measurements, Fig. 4 circuit diagram of the measuring device, Fig. 5 diagram a temperature measurement with a carbon resistance sensor and with a superconductor sensor with rectifier diode.
kritischen Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Verlauf der/magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit von der absoluten Tkriteirsactuhre T in Grad Kelvin für die Supraleiter Blei und Niob. Die/Feldstärke H nimmt mit ansteigender Temperatur T rasch ab (Parabel). In dem von der H(T)-lurve und den Koordinaten begrenzten Bereich liegt Supraleitung, oberhalb der H(T)-Kurve liegt Normalleitung vor. critical Fig. 1 shows the basic course of the / magnetic Field strength H as a function of the absolute Tkriteirsactuhre T in degrees Kelvin for the superconductors lead and niobium. The / field strength H increases with increasing temperature T quickly from (parabola). In the area bounded by the H (T) curve and the coordinates superconductivity is present, normal conduction is present above the H (T) curve.
Der Übergang von dem Supraleitungsbereich 1 in den Normalleitungsbereich 2 des Supraleiters erfolgt bei konstanter Temperatur T durch Erhöhen der Feldstärke H oder bei konstanter Feldstärke H durch Erhöhen der Temperatur T.The transition from the superconducting area 1 to the normal conduction area 2 of the superconductor takes place at a constant temperature T by increasing the field strength H or with constant field strength H by increasing the temperature T.
Dieser Übergang von dem einen in den anderen Bereich erfolgt sprunghaft analog einem Schaltvorgang. Das Umschalten in den Normalleitungsbereich 2 geht nicht nur mit einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes um mehrere Zehnerpotenzen einher, sondern ist auch gleichzeitig mit einer sehr starken Iierabsetzung des magnetischen Widerstandes verknüpft. Diese physikalische Eigenschaft der Supraleiter wird in dem vorgeschlagenen Verfahren genutzt zum sprunghaften Ändern der Induktivität einer Spule mit Eisenkern.This transition from one area to the other occurs suddenly analogous to a switching process. Switching to normal line area 2 does not work only accompanied by an increase in electrical resistance by several powers of ten, but is also simultaneous with a very strong deposition of the magnetic Resistance linked. This physical property of the superconductor is shown in the proposed method used to abruptly change the inductance of a Coil with iron core.
Bei einem Temperaturfühler für integrale Messungen, wie in Fig.With a temperature sensor for integral measurements, as shown in Fig.
2 im Schnitt dargestellt, wird dieser Effekt durch einen veränderbaren magnetischen Widerstand 3 genutzt, der in einem magnetischen Kreis angeordnet ist und aus einem Supraleiter, wie z.B. Blei von 0,1 mm Dicke, besteht.2 shown in section, this effect is changed by a variable magnetic resistance 3 used, which is arranged in a magnetic circuit and made of a superconductor such as lead 0.1 mm thick.
Der magnetische Kreis besteht aus einem ferromagnetischen Kern 4, der als Ferritkern von 11 mm Höhe und 42 mm Durchmesser topfförmig ausgebildet ist und eine Spule 5 mit ca. 800 Windungen aus 0,18 mm Cu-Draht zum Erzeugen eines Magnetfeldes der Feldstärke H aufnimmt. Der ferromagnetische Kern 4 mit der relativen Permeabilität Fre021 bildet mit einem ferromagnetischen Anker 6 von 42 mm Durchmesser und 0,3 mm Dicke den magnetischen Kreis der Spule 5.The magnetic circuit consists of a ferromagnetic core 4, which is a cup-shaped ferrite core 11 mm high and 42 mm in diameter and a coil 5 with approx. 800 turns made of 0.18 mm Cu wire for generating a magnetic field the field strength H picks up. The ferromagnetic core 4 with the relative permeability Fre021 forms with a ferromagnetic armature 6 of 42 mm diameter and 0.3 mm thickness the magnetic circuit of the coil 5.
Der ferromagnetische Anker 6 ist mit seinem Zentrum am Ort 7 der Temperaturmessung des Meßobjektes 8 angeordnet. Meßobjekt 8 und Anker 6 stehen in gut wärmeleitendem Kontakt. Dastgilt auch für den veränderbaren magnetischen Widerstand 3, der zwischen Anker 6 und Kern 4 angeordnet ist, hinsichtlich des Wärmeüberganges zum oder vom Anker 6. Eine Isolierfolie 9 von 0,6 mm Stärke und 42 mm Durchmesser ist als thermische Isolation zwischen dem Kern 4 der Spule 5 einerseits und dem veränderbaren magnetischen Widerstand 3 aus Supraleitermaterial und dem ferromagnetischen Anker 6 andererseits angeordnet. Dadurch wird während des Meßvorganges zwar die Temperatur des Meßobjektes 8 über den Anker 6 auf den veränderbaren magnetischen Widerstand 3 übertragen, dieser bleibt jedoch von dem ferromagnetischen Kern 4 der Spule 5 thermisch isoliert.The center of the ferromagnetic armature 6 is at the location 7 of the temperature measurement of the measured object 8 arranged. DUT 8 and armature 6 are in good thermal conductivity Contact. This also applies to the variable magnetic resistance 3, which is between Armature 6 and core 4 is arranged, in terms of heat transfer to or from Anchor 6. An insulating film 9 of 0.6 mm thickness and 42 mm diameter is as thermal insulation between the core 4 of the coil 5 on the one hand and the variable magnetic resistance 3 made of superconductor material and the ferromagnetic Armature 6 arranged on the other hand. As a result, the Temperature of the measurement object 8 via the armature 6 on the variable magnetic Resistance 3 transferred, but this remains of the ferromagnetic core 4 of the Coil 5 thermally insulated.
Auf der von dem Meßobjekt 3 abgewandten Seite des ferromagnetischein Ankers 6 ist eine Scheibe 10 aneordnet, die in einer Aussparung 11 eine Schraubenfeder 12 zum Anpressen des Ankers 6 an das Meßobjekt 8 aufnimmt und zwei Lötfahnen 13 zum Anschließen der Spule 5 trägt.On the side of the ferromagnetic one facing away from the measurement object 3 Armature 6 is a disk 10 is arranged in a recess 11, a helical spring 12 for pressing the armature 6 against the test object 8 and two soldering lugs 13 to connect the coil 5 carries.
Zum Durchführen punktförmiger Temperaturmessungen hat sich eine in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Temperaturfühlers als vorteilhaft erwiesen. Der ferromagnetische Kern 14 hat naherungsweise die Form eines Dreiecks, dessen eine Spitze 15 das DIeßobjekt 8 auf einer sehr kleinen Fläche kontaktiert, so daß die Temperatur nahezu puntförmig gemessen wird. Der Kern 14 weist an seiner Spitze 15 einen senkrecht zur Oberfläche des Meßobjektes 3 orientierten Luftspalt 16 auf. Der dem Luftspalt 16 gegenüberliegende Schenkel 17 des Kernes 14 trägt eine Spule 18 zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorbestimmter maanetischer Feldstärke H. In dem Luftspalt 16 des Kernes 14 ist ein durch Temperaturänderung sprunghaft veränderbarer magnetischer Widerstand 19 angeordnet. Der magnetische Widerstand 19 besteht aus einem Supraleiter, dessen Querschnitt T-förmig ausgebildet ist und dessen flacher Schenkel 20 mit dem Meßobjekt 8 in gutem thermischem Kontakt steht und dessen Steig 21 durch den Luftspalt 16 bis nahe an die Oberfläche der Spule 18 reicht. Im Supraleitungsbereich 1 des veränderbaren magnetischen Widerstandes 19 ist der magnetische Widerstand sehr groß , im Normalleitungsbereich 2 dagegen sehr klein1 so daß der magnetische Widerstand des aus dem ferromagnetischen Kern 14 und dem veränderbaren magnetischen Widerstand 19 gebildeten magnetischen Kreises im Supraleitungsbereich sehr groß wird. Als Supraleiter wird Blei verwendet, die Dicke des Schenkels 20 und des Steges 21 beträgt jeweils 0,1 mm.An in Fig. 3 shown embodiment of the temperature sensor proved to be advantageous. The ferromagnetic core 14 has approximately the shape of a triangle, the a tip 15 contacts the object 8 over a very small area, so that the temperature is measured almost point-like. The core 14 has at its tip 15 an air gap 16 oriented perpendicular to the surface of the measurement object 3. The leg 17 of the core 14 opposite the air gap 16 carries a coil 18 for generating a magnetic field of predetermined Maanetischer field strength H. In the The air gap 16 of the core 14 can be changed abruptly by a change in temperature magnetic resistance 19 arranged. The magnetic resistance 19 consists of a superconductor whose cross-section is T-shaped and whose cross-section is flatter Leg 20 is in good thermal contact with the test object 8 and its slope 21 extends through the air gap 16 to close to the surface of the coil 18. In the field of superconductivity 1 of the variable reluctance 19 is the reluctance very large, in the normal line area 2, however, very small1 so that the magnetic Resistance of the ferromagnetic core 14 and the changeable magnetic resistance 19 formed magnetic circuit in the superconducting area becomes very large. As a superconductor lead is used, the thickness of the leg 20 and the web 21 is each 0.1 mm.
Bei dieser Anordnung ist wegen des relativ qroßen Abstandes der Spule 18 von der Meßstelle und wegen der kleinen Masse des Kernes 14 eine thermische Isolierschicht nicht erforderlich. Wegen der Form des Kernes 14 und der Anordnung des Luftspaltes 16 ist auch ein ferromagnetischer Anker überflüssig. Der flache Schenkel 20 und der Steg 21 des T-förmigen Supraleiters sind so dimensioniert, daß ein hoher Anteil der Streulinien des Magnetfeldes unterbrochen ist.This arrangement is because of the relatively large spacing of the coil 18 from the measuring point and because of the small mass of the core 14, a thermal insulating layer not mandatory. Because of the shape of the core 14 and the arrangement of the air gap 16, a ferromagnetic armature is also superfluous. The flat leg 20 and the web 21 of the T-shaped superconductor are dimensioned so that a high proportion the scatter lines of the magnetic field is interrupted.
Die Funktion der Temperaturmeßeinrichtung wird durch die in Fig. 4 dargestellte Schaltung verdeutlicht.The function of the temperature measuring device is illustrated in FIG illustrated circuit clarifies.
Die Spule 5, 18 mit dem ferromagnetischen Kern 4, 14 und dem veränderbaren magnetischen Widerstand 3, 19 weist eine vorbestimmte Induktivität L auf, deren Größe sprunghaft mit Hilfe des veränderbaren magnetischen Widerstandes 3, 19 veränderbar ist.The coil 5, 18 with the ferromagnetic core 4, 14 and the changeable magnetic resistance 3, 19 has a predetermined inductance L, whose Size can be changed by leaps and bounds with the help of the variable magnetic resistance 3, 19 is.
Die Stromversorgung der Spule 5, 18 erfolgt über einen Transformator 22, dessen Oberspannungswicklung 23 aus dem Netz mit 220 Volt Wechselspannung und einer Frequenz von 50 Hz gespeist wird und dessen Niederspannungswicklung 24 36 Volt bei 50 Hz abgibt.The coil 5, 18 is supplied with power via a transformer 22, whose high-voltage winding 23 from the mains with 220 volts AC voltage and a frequency of 50 Hz and its low voltage winding 24 36 Volts at 50 Hz.
In die Leitung 25 zwischen Niederspannungswicklung 24 und Spule 5, 18 ist ein den Laststrom J des Transformators 22 im wesentlichen bestimmender einstellbarer Widerstand 26 von 5 k Ohm und 2 Watt geschaltet.In line 25 between low voltage winding 24 and coil 5, 18 is an adjustable variable which essentially determines the load current J of the transformer 22 Resistor 26 of 5 k ohms and 2 watts switched.
Der Transformator 22 und der Widerstand 26 bilden einen Konstantstromgenerator 27, mit dem Lastströme J im Bereich von 20 bis 100 mA und damit an der Spule 5, 18 vorbestimmte magnetische Feldstärken H einstellbar sind.The transformer 22 and the resistor 26 form a constant current generator 27, with the load currents J in the range from 20 to 100 mA and thus at coil 5, 18 predetermined magnetic field strengths H are adjustable.
Parallel zu der Spule 5, 18 ist ein Kondensator 28 geschaltet, der mit dieser für die Frequenz des Meßstromes einen Parallel-Resonanzkreis bildet. Die Resonanzfrequenz kann entweder auf die Induktivität L der Spule 5, 18 eingestellt sein, die sich für den normal leitenden Zustand des veränderbaren magnetischen Widerstandes 3, 19 erqibt, oder auf die im supraleitenden Zustand desselben auftretende Induktivität.In parallel with the coil 5, 18, a capacitor 28 is connected, the with this forms a parallel resonance circuit for the frequency of the measuring current. The resonance frequency can be either on the inductance L of the coil 5, 18 should be set, which is suitable for the normally conductive state of the changeable magnetic resistance 3, 19 erqibt, or on the same in the superconducting state occurring inductance.
Bei konstantem Strom J ändert sich die über der Spule 5, 18 abfallende Spannung beim Erreichen des Umschaltpunktes Pc.With a constant current J, the one falling across the coil 5, 18 changes Voltage when reaching the switchover point Pc.
Diese Spannung wird mit einem Spannungsmesser 29 gemessen, der über einen nichtlinearen Gleichrichter 30 an die Spule 5, 18 angeschlossen ist.This tension is measured with a tension meter 29, which is about a non-linear rectifier 30 is connected to the coil 5, 18.
Fig. 5 zeigt das Diagramm einer Temperaturmessung mit einem Temperaturfühler für integrale Messungen, wie in Fig. 2 dargestellt und erläutert. Als Spannungsmesser 29 wurde ein Zweistrahloszilloskop verwendet, dessen oberer erster Strahl 31 den Meßwert als gleichgerichtete 50 Hz-Spannung und dessen unterer zweiter Strahl 32 eine Vergleichsmessung mit einem Kohlewiderstand als Meßfühler zeigt. Bei dem ersten Strahl 31 ist die Horizontalablenkung 0,1 sec./cm und die Vertikalablenkung 2 Volt/cm bei einem Meßstrom von J = 30 mA.Fig. 5 shows the diagram of a temperature measurement with a temperature sensor for integral measurements as shown and explained in FIG. As a tension meter 29 a two-beam oscilloscope was used, the upper first beam 31 of which den Measured value as a rectified 50 Hz voltage and its lower second beam 32 shows a comparison measurement with a carbon resistor as a sensor. The first Beam 31 is the horizontal deflection 0.1 sec / cm and the vertical deflection 2 volts / cm at a measuring current of J = 30 mA.
32 Bei dem zweiten Strahl/heträgt die Vertikalablenkung 5 mV/cm bei gleicher Horizontalablenkung. Daraus folgt bei dem Kohlewiderstand für einen Temperaturanstieg von 4,2 K auf 4,6 K eine Spannung von ca. 8 mV. Bei dem vorgeschlagenen Temperaturfühler ergibt sich aber für den gleichen Temperaturanstieg eine Spannung von 6 Volt. 32 In the case of the second beam / h, the vertical deflection is 5 mV / cm same horizontal deflection. It follows from this in the case of the carbon resistance for a temperature rise from 4.2 K to 4.6 K a voltage of approx. 8 mV. With the proposed temperature sensor however, a voltage of 6 volts results for the same rise in temperature.
Der Peak im unteren Teil des Diagramms ist das mit dem Kohlewiderstand erzeugte Eichsignal 33.The peak in the lower part of the diagram is the one with the carbon resistance generated calibration signal 33.
Claims (8)
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DE19792929019 DE2929019C2 (en) | 1979-07-18 | 1979-07-18 | Method and device for measuring temperatures in the temperature range of superconductors |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0982574A1 (en) * | 1998-08-28 | 2000-03-01 | Royal Holloway And Bedford New College | Current sensing noise thermometer |
Citations (1)
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DE1075862B (en) * | 1960-02-18 | The Perkm Eimer Corporation Norwalk Conn (V St A) | Measurement arrangement with a bolometer operating in the transition area between superconductivity and normal conductivity |
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1979
- 1979-07-18 DE DE19792929019 patent/DE2929019C2/en not_active Expired
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