上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第14讲低温测试技术 2018年春季 黄永华博士、教授 及层是品风是 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室
低温原理及应用 第14讲 低温测试技术 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室
1温度测量 必须通过对其他性质的测量才能确定温度 1.毛细管中的水银柱的长度；2.铂电阻丝的电阻；3.理想或近似理想气体的 压力；4.两块不同金属的热电势等。。。。 温度计： 测量的范围： 精确度一指示温度偏离热力温度的程度； 灵敏度一指示特性随温度变化的变化率（例如电阻或长度随温度的变化率）： 复现性一多次对同一温度的测量所指示的温度范围； 稳定性一使用一段时间后指示值的变化情况
1 温度测量 必须通过对其他性质的测量才能确定温度 1.毛细管中的水银柱的长度;2.铂电阻丝的电阻;3.理想或近似理想气体的 压力;4.两块不同金属的热电势等。。。。 温度计： 测量的范围； 精确度—指示温度偏离热力温度的程度; 灵敏度—指示特性随温度变化的变化率(例如电阻或长度随温度的变化率); 复现性—多次对同一温度的测量所指示的温度范围; 稳定性—使用一段时间后指示值的变化情况
热力学温标 1.1温标与固定点 热力学温标随热力学第二定律的提出而产生 在两固定温度的热源间，卡诺热机的效率为： 0。-9,Th-T。 T方 Th 实用中我们必须使用其他的标定装置去度量温度 在1927年第七届国际度量衡大会上，即提出了一个国际 温标(ITS-27)。 Wnet 这个温标的建立并不是取代热力学温标，而是定义了一 个与绝对温标接近的实用温标，并且可方便地复现。 TS-27是基于用最好的测量手段测出的六个固定点的温 度值，TS-27仅定义到氧的沸点一(-190℃)。 从1954年起，绝对温标就由水的三相点(273.16K)定义，这就给了 T 我们一个固定点的数值，使其他温度可用测出工作于水的三相 点与被测温度的卡诺热机放出和吸收的热量而决定
热力学温标 Th Tc Qa Qr Wnet a r h c h h c a a r a Q Q T T T T T Q Q Q Q W net 1.1 温标与固定点 热力学温标随热力学第二定律的提出而产生 在两固定温度的热源间,卡诺热机的效率为: 从1954年起,绝对温标就由水的三相点(273.16K)定义,这就给了 我们一个固定点的数值,使其他温度可用测出工作于水的三相 点与被测温度的卡诺热机放出和吸收的热量而决定。 实用中我们必须使用其他的标定装置去度量温度 在1927年第七届国际度量衡大会上,即提出了一个国际 温标(ITS-27)。 这个温标的建立并不是取代热力学温标,而是定义了一 个与绝对温标接近的实用温标,并且可方便地复现。 ITS-27是基于用最好的测量手段测出的六个固定点的温 度值，ITS-27仅定义到氧的沸点—(-190℃)
1968年国际实用温标(ITPS-68)。这就把温标的范围扩大到H2的三相点(13.8K, 并且确定了更精确的固定点的数值。 表1： IPTS-68的基本固定点 温度 13.84K以上，铂电阻温 固定点 度计 ℃ K 金的熔点或凝固点（金点） 1064.43 1337.58 在4.24K到13.84K温度范 银的熔点或凝固点（银点） 961.93 1235.08 围，可用锗电阻温度计 锌的熔点或凝固点（锌点） 419.58 692.73 在 水的正常沸点（蒸汽点） 373.15 1.5K-4.24K温度范围，可用 100.00 He4蒸汽压温标 水的三相点 0.01 273.16 氧的正常沸点 -182.962 90.188 在0.8K一1.5K的温度范围， 氧的三相点 -218.789 54.361 可用He3蒸汽压温标 氖的正常沸点 -246.048 27.102 氢的正常沸点 -252.87 20.28 在0.006K一0.8K之间，可用 25torr下氢的沸点 基于铈镁硝酸盐的磁化率 -256.108 17.042 测量的磁温标确定 氢的三相点 -259.34 13.81
1968年国际实用温标(ITPS-68)。这就把温标的范围扩大到H2的三相点(13.8K)， 并且确定了更精确的固定点的数值。 13.84K 以上， 铂电阻温 度计 在4.24K到13.84K温度范 围,可用锗电阻温度计 在 1.5K-4.24K温度范围,可用 He4蒸汽压温标 在0.8K—1.5K的温度范围, 可用He3蒸汽压温标 在0.006K—0.8K之间,可用 基于铈镁硝酸盐的磁化率 测量的磁温标确定
表2：He3、He4的蒸汽压 压力 温度，K 压力 温 度，K (tom) He4 He (torr) He4 He3 800 4.2700 3.2395 90 2.5781 1.7387 750 4.2009 3.1779 80 2.5163 1.6856 700 4.1287 3.1134 70 2.4489 1.6279 650 4.0529 3.0455 60 2.3745 15646 600 3.9731 2.9739 50 2.2911 14939 550 3.8886 2.8981 40 2.1952 14131 500 3.7987 2.8175 30 2.0827 13176 450 3.7026 2.7313 20 1.9427 1.1978 400 3.5990 2.6285 18 1.9092 1.1692 350 3.4863 2.5376 16 1.8729 1.1384 300 3.3622 2.4260 14 1.8333 1.1049 250 3.2231 2.3033 12 1.7893 1.0679 200 3.0637 2.1623 10 1.7396 1.0266 180 2.9924 2.0994 9 1.7120 1.0038 160 2.9153 2.0318 8 1.6820 0.9791 150 2.874H 1.9959 7 1.6490 0.9523 140 2.8315 1.9585 6 1.6123 0.9227 130 2.7865 1.912 5 1.5707 0.8894 120 2.7390 1.8779 4 1.5221 0.8512 110 2.6888 1.8343 100 2.6354 1.7881
1990年国际温标(TS一90)简介 国际计量委员会(CPM)审批，于1990年1月1日起在全世界执行。 TS一90的热力学温度仍记作T,为了区别以前的温标，现用T9o代表新温标的热力学温 度，其单位仍是K。 与此并用的摄氏温度记作t0,单位仍是℃。T90和t0的关系仍是 t0=Tg0-273.15 任何一个国际温标都由3部分组成，即固定点、内插仪器和内插公式。 1.固定点 1TS一90的固定点共有17个，如表3所列 2.内插仪器 (1)0.65一5.0K,He3和He4蒸汽压温度计； (2)3.0一24.5561K,He3和He4定容气体温度计； (3)13.8033K一961.78°℃，铂电阻温度计； (4)961.78℃以上，光学高温计
1990年国际温标(ITS—90)简介 国际计量委员会(CIPM)审批,于1990年1月1日起在全世界执行。 ITS—90的热力学温度仍记作T,为了区别以前的温标,现用T90代表新温标的热力学温 度,其单位仍是K。 与此并用的摄氏温度记作t90,单位仍是℃。T90和t90的关系仍是 t T 90 90 273 .15 任何一个国际温标都由3部分组成,即固定点、内插仪器和内插公式。 1.固定点 ITS—90的固定点共有17个,如表3所列 2.内插仪器 (1) 0.65—5.0K, He3和He4蒸汽压温度计; (2) 3.0 —24.5561K, He3和He4定容气体温度计; (3) 13.8033K—961.78℃，铂电阻温度计; (4) 961.78℃以上, 光学高温计
表3：TS一90定义的固定点 序号 温度(T90,K) 温度(t90,℃) 物质(a) 状态b) 1 3-5 -270.15-268.15 He V 2 13.8033 -259.3467 e-H2 T 3 17 -256.15 e-H2 v 4 20.3 -252.85 e-H2 5 24.5561 -248.5939 Ne T 6 54.3584 -218.7916 02 T 1 83.8058 -189.3442 Ar T 8 234.3156 -38.8344 Hg T 9 273.16 0.01 H20 T 10 302.9146 29.7646 Ga M 11 429.7485 156.5985 In F 12 505.078 231.928 Sn F 13 692.677 419.527 Zn F 14 933.473 660.323 Al F 15 1234.93 961.78 Ag F 16 1337.33 1064.18 Au F 17 1357.77 1084.62 Cu F :V蒸汽压：T-三相点：M-熔点：F-凝固点
1.3 金属电阻温度计 在961.78°℃以下，国际温标采用了铂电阻温度计。Pt-25,Pt-100,Pt-1000 对一个电阻温度计，希望找到一种电阻随温度或多或少线性变化的材料。典型 的工业上的金属电阻温度计可用下式标定： R。/R。=1+At+Bt2+Ct3(t-100) (6.22) 其中温度t的单位为℃，常量A、B、C可由三个基准温度标定而得，R,为0℃ 时的电阻。典型的铂电阻的参数为：R=250;℃1；B=-1.108×106℃2； C=3.33×10-12C4
1.3 金属电阻温度计 在961.78℃以下，国际温标采用了铂电阻温度计。 Pt-25,Pt-100, Pt-1000 对一个电阻温度计,希望找到一种电阻随温度或多或少线性变化的材料。典型 的工业上的金属电阻温度计可用下式标定: R R At Bt Ct t e / ( ) 0 2 3 1 100 (6.22) 其中温度t的单位为℃,常量A、B、C可由三个基准温度标定而得,R0为0℃ 时的电阻。典型的铂电阻的参数为:R0=25Ω;℃-1 ;B=-1.108×10-6℃-2 ; C=3.33×10-12℃-4
1.2 1.0 0.8 0.6 标准铂电阻温度计是传递13.8033K- 0.4 960.78度范围内国际温标的插补仪器， 在检定各种标准温度计和精密温度计量 0.2 仪器时作标准使用，在上述温区也可以 直接用于高准确度测量。 0 0 50 100 150 200 250 300 •标准铂电阻温度计是根据全金属铂的 TK 电阻随温度变化而对应变化的规律来测 图 1铂电阻的相对电阻比R./R。 量温度的。 (其中Ro为0℃时的电阻)
•标准铂电阻温度计是传递13.8033K- 960.78度范围内国际温标的插补仪器， 在检定各种标准温度计和精密温度计量 仪器时作标准使用，在上述温区也可以 直接用于高准确度测量。 •标准铂电阻温度计是根据全金属铂的 电阻随温度变化而对应变化的规律来测 量温度的
引线 安装电阻温度计时很重要的一环是消除热与机 械应力，一种安装方法是将铂丝（直径约0.1mm) 缠绕成一螺旋体（外径约0.5mm),然后将螺旋体 缠绕在一个约5mm宽的开口云母支撑物上，如图 铂丝 6.2所示。感温单元经退火去应力后被包在一个 铂管中，管中充满了室温下30一 铂壳 40mmHg(4kPa一5kPa)的He气，然后管子密封。 带凹槽的云母支撑物 图2 铂电阻温度计的结构
安装电阻温度计时很重要的一环是消除热与机 械应力,一种安装方法是将铂丝(直径约0.1mm) 缠绕成一螺旋体(外径约0.5mm),然后将螺旋体 缠绕在一个约5mm宽的开口云母支撑物上,如图 6.2所示。感温单元经退火去应力后被包在一个 铂管中,管中充满了室温下30— 40mmHg(4kPa—5kPa)的He气,然后管子密封