温度计的热响应时间对动态测温的影响.docx
温度计的热响应时间对动态测温的影响作者：李靖凌张礼维李海珑来源：视界观上半月2019年第06期摘要：错铁温度计是使用陶瓷材料封装的一种温度计，在真空环境下能够测量固体表面或内部温度的热响应时间，基于以上特质，本文将探究其热响应时间对动态测温的影响，根据理论计算结果分析在动态测温中，温度计的热响应时间与温度计测得温度的关系。关键词：热响应时间;动态测温;镂铁温度计;影响样品架处的温度会受到制冷机的影响，由于制冷机在低温恒温器应用时，冷头温度波动大，在4.2K时波动幅度在30OmK左右，对生产造成一定影响，因此可以通过分析温度计的热响应时间对测量结果的影响来对样品架处的温度进行准确测量。0铸铁温度计是低温时最常用的一种宽温区温度传感器，其结构和封装形式和工业的电阻温度计相似，都是由内部直径为0.05mm的镂铁合金和外部为陶瓷材质的套管加上中间填充材料组成，由于其尺寸大，因此热响应的时间也比较大C在动态测温过程中，热响应时间会对测量结果产生影响，一方面是因为温度计的温度与被测温度达到平衡状态需要时间，另一方面就是被测温度是具有周期波动性的，此时测到的温度波动幅值会小于被测物的温度波动幅值。本文对导热模型下的温度计热响应时间进行理论分析，通过数值计算结果探究温度计的热响应时间对动态测温的影响。一、温度计的理论模型温度计的时间通产是以温度计自身温度和被测温度之间的过余温度达到初始过余温度的36.8%的时间来定义的，用0/00=(T-Tn)/(TO-Tn)=e-lt=36.8%1(1)式中，0为温度计过余温度;T为温度计温度;Tn为温度计初始温度;t为时间。实验中使用的温度计的热响应时间为温度计定义时间的一倍。2测量样品架温度情况时，低温恒温器内真空度约为IXIO-5Pa,铸铁温度计安装在小孔内，残余气体的导热和热辐射对温度影响不计，此时假设温度计初始温度为TO,当AO时，温度计表面温度为T1.铸铁丝的在低温下导热系数大于陶瓷，加上其体积小，因此理论分析时可忽略温度计自身热效应，在铸铁温度计合金丝处温度计传热可以表示为：332T3r2+(13Ta3t)=(13Ta3t),(2)3T3r=0,r=a,(3)T=Tl1r=b,(4)T=TO1t=0,(5)式中，a为温度计外壳材料热扩散系数，b为温度计半径。将(1)(2)(3)(4)(5)联立可得：Jl(ma)YO(mb)JO(mb)Yl(ma)=0,(6)将r=a和000t=36.8%代入(6)可得到数值法求得温度计的热响应时间。当被测物体的温度是周期性波动时，r=b处的边界条件为T=f，f(t)=Tm+Tfsin(wt+),(7)利用微积分方程可以看出，温度稳定后的平均值与被测物质一致，第二项温度随着时间变化而变化，说明稳定和的温度与被测物体是以相同的频率随时间变化的。制冷机的二级冷头在二长时的温度波被动幅值大于？的!波动频率约为1Hz,可假设其温度波动曲线为：f(t)=4.2+0.2sin2t,(8)把温度计热响应时间假设为08s和1.2s,初始温度为4.2K时，根据公式能够得到作出正弦图像，根据正弦图像能够看出，经过IS之后，温度计温度就已经进入稳定状态了，当热响应时间为0.8s或1.2s时，温度计测得温度波动幅值为230mk和19OmKC温度计的热响应时间会使温度计在动态测温过程中，测温波动幅值小于被测物的波动幅值，热响应时间越大，测得值越小。1.动态测温实验在G-M制冷机冷却的低温恒温器中进行实验，制冷机冷却的低温恒温器主要由G-M制冷机、低温恒温器简体，辐射屏、样品架以及真空抽嘴、引线接头等组成。样品架连接制冷机的二级冷头，在靠近冷头的一端缠绕康铜加热丝，另一端安装标定过的镂铁温度计和CemOX温度计。将铸铁温度计安装在填充了阿皮松脂N脂的小孔内，增加导热，然后把CernoX温度计贴在样品架表面，包扎绝热材料，避免热辐射影响温度计测量结果。在制冷机一级冷头和二级冷头上分别安装加热器引线和温度计引线，减小引线漏电对测量的影响。把CernOX温度计作为控温仪的反馈信号，控制样品架温度，将样品架温度设置为4.2K和20K,等到温度稳定后记录镂铁温度计和Cernox温度计数值。2.理论温度与实际温度对比当样品架温度设定为4.2K时，铸铁温度计和Cernox温度计热响应时间分别为0.8s和15ms,把CernOX温度计测量的结果作为标准，分析镂铁温度计的热响应时间。通过研究发现，当样品架温度控制在4.2K时，铸铁温度计实际测得温度为4.28-4.37K,波峰峰值为200mK,CemOX温度计实际测得温度为4.16-4.41K,波峰峰值为350mK,与以上理论上计算结果相似。由于能铁温度计在安装上引起接触热阻，因此会产生一定误差。当样品架温度设定为20k时，铸铁温度计和CenIoX温度计测量温度波动的峰值分别为160mK和47OmK,分析原因是由于温度越高，陶瓷材料的导热系数和比热容均增大，但相较于导热系数，比热容的增加速度更快，因此在20K时，热扩散系数更小，此时镂铁温度计的热响应时间变长，与理论模拟结果对比发现，在此温度下，转铁温度计的平均温度小于Is,同时也小于CernoX温度计测量结果C二、结论在动态测温时，温度计的热响应时间主要是由封装材料的热物性参数和封装尺寸决定的，当温度计测量结果中温度波动幅值小于被测物体的实际温度波动幅值，热响应时间越长，测得的值越小。参考文献：”阎守胜，陆果编著，低温物理实验的原理与方法M1.北京：科学出版社，1985.2杨世铭，陶文铭，传热学，北京：高等教育出版社，1998.3董斌，周刚，刘立强等，温度计的热响应时间对动态测温的影响J低温工程，2012.16(90)：33-35.
