Измерение сверхнизких криогенных температур.
Криогенными называются температуры ниже 90 К. Измерение криогенных температур имеет свои специфические особенности и трудности, которые возрастают по мере приближения к абсолютному нулю. Наибольшее распространение для измерения низких температур получили термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические. Термопреобразователи сопротивления применяют для измерения температур от 0,01...0,02 К и выше. Особенностью использования термопреобразователей сопротивления из металла является то, что их сопротивление при низких температурах становится настолько малым, что затрудняет их измерение. При этом уменьшается коэффициент преобразования термопреобразователя, что влияет на точность измерения. Возрастает влияние дефектов кристаллической решетки материала термопреобразователя на его сопротивление при низких температурах.
Уменьшение теплоемкости материалов при низких температурах может привести к существенному отличию собственной температуры чувствительного элемента термопреобразователя от температуры измеряемой среды за счет самонагрева и подвода теплоты по проводам и защитной арматуре.
Из металлических в области от 10 К и выше широко применяются платиновые термопреобразователи сопротивления. В отдельных работах они применялись до 2 К. Для измерения низких температур разработана специальная конструкция миниатюрного платинового термопреобразователя сопротивления. Длина чувствительного эле-мента (R0 = 100 Ом) преобразователя составляет 8 мм, диаметр 1,6 мм, диаметр защитного чехла 2...3 мм. Термопреобразователи сопротивления из других металлов в РФ практически не применяются. За рубежом некоторое распространение получили никелевые термопреобразователи сопротивления (в интервале 77...300 К) и из манганина (в интервале 4,2...300 К).
Все термопреобразователи из металлов изменяют свое сопротивление под влиянием магнитного поля, причем чем ниже температура, тем больше это влияние. Для платинового термопреобразователя это влияние наибольшее: при температуре 13 К магнитная индукция до 2 Тл вызывает увеличение сопротивления до 40 %, при 50 К прирост сопротивления при той же магнитной индукции составляет доли процента. У других преобразователей из металла магниторезистивный эффект почти на порядок меньше, но он имеет место.
Для измерения температур ниже 13 К в РФ в основном применяются германиевые термопреобразователи сопротивления. Они предназначены для измерения температур в интервале от 0,1 до 300 К. Изготавливаются они из кристаллического германия с многокомпонентным легированием. Сопротивление германия увеличивается с понижением температуры и при гелиевых температурах исчисляется сотнями и тысячами Ом. Коэффициент преобразования при этих температурах составляет 102...103 Ом/К. Серийные германиевые термопреобразователи сопротивления имеют предел допускаемых погрешностей 0,05...0,1 К. Эталонные германиевые термопреобразователи обладают стабильностью градуировочной характеристики до 0,001 К. Хотя их конструктивное выполнение различно, но в общем случае кристалл германия, к которому приварены выводы, помещается в защитную гильзу (корпус), заполненную гелием, улучшающим теплообмен с измеряемой средой. Германиевые термопреобразователи сопротивления также подвержены влиянию магнитных полей. Это влияние меньше, чем для платиновых термометров, но при поле в 10... 15 Тл погрешность из-за его влияния может составить при 4,2 К около 0,15...0,2 К и более.
При наличии магнитных полей для измерения низких температур целесообразно применять угольные термопреобразователи. У них влияние магнитных полей в 15 Тл изменяет их показания не более, чем на 4—7 % для температур от 0,01 до 1,5 К. Угольные термопреобразователи сопротивления, так же, как и германиевые, имеют отрицательный температурный коэффициент и изготавливаются из каменного угля в результате специальной термообработки.
Одним из главных достоинств угольных термопреобразователей является то, что их коэффициент преобразования практически обратно пропорционален температуре. Для малых объектов применяют пленочные угольные термопреобразователи, изготавливаемые нанесением слоя коллоидного раствора графита на подложку или непосредственно на поверхность объекта. К числу недостатков угольных термопреобразователей следует отнести нестабильность их градуировочной характеристики. Из термоэлектрических преобразователей наибольшее распространение для измерения температур от 20 до 300 К получил медь-константановый. Однако его коэффициент преобразования существенно уменьшается с понижением температуры. Термоэлектрические преобразователи уступают термопреобразователям сопротивления в точности и стабильности градуировочной характеристики.
Манометрические термометры (газовые и конденсационные) довольно широко используются для лабораторных и технических измерений криогенных температур. Главным преимуществом газовых термометров является возможность их применения без предварительной градуировки в широкой области температур. Например, гелиевый термометр может перекрыть всю область температур от 90 до 1 К. Для точных измерений необходимо учитывать отличие свойств реального газа, заполняющего термометр, от идеального газа. Размеры термобаллона значительны и возможно влияние температуры окружающей среды, поэтому область применения газовых термометров ограничена.
Диапазоны измерения конденсационных термометров в криогенной области достаточно узки, например для гелиевых термометров 1...5 К, для водородных 15...35 К. Точность измерения температуры зависит от точности определения градуировочной характеристики термометра.
Термометры магнитной восприимчивости применяются для измерения температур ниже 1 К. Необходимость проведения магнитных измерений практически исключает использование термометров магнитной восприимчивости в промышленных установках. А необходимые размеры также ограничивают область их применения.
При измерении криогенных температур большое внимание следует уделять методическим погрешностям измерения, которые определяются особенностями теплообмена чувствительного элемента термопреобразователя не только с измеряемой средой, но и с окружающей и элементами конструкции установки.