一种77~90K温区的低温热电偶标定装置的制作方法

本发明涉及低温制冷工程技术领域，尤其涉及一种77～90k温区的低温热电偶温度计标定装置。

背景技术：

在低温汽蚀、液泛等实验中，实验段温度范围在77～90k之间，温度变化频率非常快，且需要布置较多温度测点。因此，低温热电偶以其优异的动态响应特性和低廉的成本被广泛应用于低温汽蚀、液泛等实验的实验段温度测量。

传统的低温热电偶标定方式是以标准大气压下的液氮沸点、冰水混合物温度点、沸水点为3个标定点，拟合出热电偶在77～373k之间的测温关联式。虽然这种标定方式简单易行，但在面对77～90k温区的低温实验温度测量时，精度很差，难以准确表征真实温度。主要原因是标定点太少且温度跨度太大，导致关联式的精确度不高，应用在低温实验中则更加不准确。

针对上述传统的低温热电偶的标定方式存在的问题，市场上逐渐出现许多新型标定方式，以满足低温制冷工程领域对热电偶精确标定的需求。

中国专利cn104458059a公开了一种热电偶串的标定装置，该装置以自然变化的室温为标定点，可方便、快捷地对多支热电偶进行标定，但不适用于高精度要求的低温热电偶标定。中国专利cn105865658a公开了一种微型铠装热电偶的地面标定方法，该发明利用小型红外灯阵实现恒温铜板平面的均匀加热，可对多支热电偶温度计同时标定，但无法应用于77～90k温区。日本专利jp2000205973a公开了一种低温热电偶标定装置和方法，该装置无需标准温度计，将气氮导入液氮中以不断达到新的饱和平衡点，通过测量饱和蒸汽压，计算出对应饱和液体温度，可对热电偶实现77～94k温区的标定，但该装置为承压容器，结构复杂，拆装不易，当标定数量较多的热电偶时，操作冗杂。日本专利jp2007248277a公开了一种温度计的低温度校正装置，该装置将布置好待标定热电偶的铜块，完全浸入在液氮液氧混合液中，通过改变液氮液氧的比例来获取77～94k之间的温度标定点，该装置安全可靠，但一次性标定热电偶的数量有限，在分组标定数量较多的热电偶时，需要反复将铜块从混合液中取出，且液氮、液氧混合后不可再利用。

文章[1]中描述了一种低温热电偶的标定装置，该装置利用液氮的辐射冷量与恒温箱内的加热器提供的热量对抗，以实现低温热电偶在77～273k温区的标定；文章[2]中描述了一种医用低温温度计标定装置，其原理与文章[1]类似，利用恒温块内电热丝的不同的加热功率与液氮的冷辐射进行平衡，来实现77～300k之间不同的稳定温度点；该类型装置应用广泛，但需将恒温箱完全浸入液氮中，并且恒温箱内部需维持高真空状态，在分组标定数量较多的热电偶时，要反复破坏真空状态，重新布置待标定热电偶，操作繁杂。文章[3]描述了一种简单的低温热电偶标定系统及方法，其发明是在低温敞口容器中混合不同比例的液氮和液氧，以获得77～90k之间多个标定点，并对标定结果给出了详细的不确定度分析，但该装置设计简单，不能同时标定多支低温热电偶，且液氮、液氧混合后不可再利用。文章[4]中描述了一种简易的热电偶标定方法，但不适用于77～90k温区，而该文章验证了冰点槽比线路板内置的温度补偿系统精度高，更适合作为温度参考端。

综上所述，针对低温汽蚀、液泛等实验对热电偶精度高、数量大的需求，有必要设计一种简便的77～90k温区的低温热电偶温度计标定装置。

[1]p.zhang,y.x.xu,r.z.wang,m.murakami,fractalstudyofthefluctuationcharacteristicinthecalibrationofthecryogenicthermocouples,cryogenics.2003(43):53-58.

[2]吕维敏等，医用低温温度标定方法[j].低温技术，2013(11):43-46.

[3]谢黄骏等，液氮汽蚀实验中低温热电偶的标定及误差分析[j].低温工程，2016(04):16-20.

[4]陈良等，铜-康铜热点偶的标定与误差分析[j].低温工程，2008(06):18-23.

技术实现要素：

本发明提供一种77～90k温区的低温热电偶温度计标定装置。该装置能够简便地对应用于低温汽蚀、液泛等实验中温度测量的热电偶温度计进行标定，具有操作简便、精度高、标定数量多的特点。

本发明的技术方案如下：

一种77～90k温区的低温热电偶温度计标定装置，它包括：真空泵、第一阀门、第二阀门、顶盖、注液口、出气口、冰点槽、数据采集仪、待标定热电偶、标准温度计、恒温块、标定平台、热沉、真空腔、液氮槽、锥形容器、连杆、吸热杆、限位件、热电偶插槽和可控电热丝；整个装置由外到内分为3个腔体，依次为真空腔、液氮槽和锥形容器；最外层的真空腔通过第一阀门连接真空泵；中间层的液氮槽上端连接注液口及出气口，下端与恒温块相接，恒温块内置可控电热丝；最内层的锥形容器具有锥形侧面，下端与恒温块相接，通过第二阀门连接真空泵，内部放有标定平台、热沉和连杆，标定平台与连杆底部固定连接；标定平台下表面与恒温块接触导热，上表面布置有多个热电偶插槽；热沉中间开设有与连杆构成间隙配合的圆柱通孔，套在连杆上构成滑动副，外侧为锥形面，能够与锥形容器侧面紧密贴合，圆柱通孔与外侧锥形面之间均匀分布有吸热杆；连杆上固定有限位件，用于限制热沉滑至底部标定平台上；待标定热电偶布置在标定平台上，引线在热沉上缠绕之后，从锥形容器的顶盖引出，穿过内置冰水混合物的冰点槽后，再连接到用于采集温度数据的数据采集仪上；标准温度计内置于恒温块内，直接从真空腔引出后连接数据采集仪。

进一步的，所述的待标定热电偶的引线缠绕在吸热杆上。

进一步的，所述的标定平台和恒温块的材料为高纯无氧铜。

进一步的，所述的锥形容器的顶盖为可拆卸的法兰结构。

进一步的，所述的限位件为圆柱体形状，且圆柱体与连杆同轴固定，外径大于热沉上的圆柱通孔。

进一步的，所述的热电偶插槽为均匀凹槽，待标定热电偶与凹槽之间填充有真空油脂。

本发明具有如下优点及有益技术效果：

1.本发明设计的热沉结构，利用独特的锥形结构，通过重力作用使得热沉锥形侧面与锥形容器冷壁面能够紧密贴合，即使在低温下材料发生应力收缩，也能有效地保证热沉的冷量供应，大大减少了引线漏热导致温度波动对标定过程产生的影响；

2.本发明通过调控恒温块内电热丝的发热功率，与液氮传导的冷量对抗，从而获得多个恒温状态，此方法简便易行，稳定可靠；

3.本发明设计的标定平台标定能力大，一组可标定多支低温热电偶，且该标定平台不依赖于恒温块和最外层真空腔的状态，可单独拆装，若待标定热电偶数量较多时，容易实现多组分批标定；

4.本发明与现有技术相比，很好地弥补了低温热电偶标定技术的短缺，特别是可以简捷地获得77～90k之间的稳定温度点，且能够轻松实现对大量的低温热电偶的高精度标定，为实现低温汽蚀、液氮等实验中实验区温度的精确测量提供了保障。

附图说明

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明的立体图；

图3为本发明的热沉、连杆和标定平台的立体图；

图4为本发明的热沉、连杆、标定平台、恒温块和锥形容器的截面图。

图中：1–真空泵；2–第一阀门；3–待标定热电偶；4–注液口；5–顶盖；6–第二阀门；7–出气口；8–冰点槽；9–数据采集仪；10–标准温度计；11–恒温块；12–标定平台；13–热沉；14–真空腔；15–液氮槽；16–锥形容器；17–连杆；18–吸热杆；19–限位件；20–热电偶插槽；21–可控电热丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，以液氮液泛实验中标定低温热电偶温度计作为一具体实施例。

如图1～4所示，本实施例的热电偶标定装置，它包括：真空泵1、第一阀门2、第二阀门6、顶盖5、注液口4、出气口7、冰点槽8、数据采集仪9、待标定热电偶3、标准温度计10、恒温块11、标定平台12、热沉13、真空腔14、液氮槽15、锥形容器16、连杆17、吸热杆18、限位件19、热电偶插槽20和可控电热丝21。

如图1所示，本实施例的热电偶标定装置，由外到内分为3个腔体，，依次为真空腔14、液氮槽15和锥形容器16。最外层的真空腔14，通过第一阀门2连接真空泵1，打开第一阀门2后可通过真空泵1向外抽吸空气形成真空状态；中层的液氮槽15上端连接注液口4及出气口7，通过注液口4向槽内注入液氮，而液氮蒸发产生的气体从出气口7排出。液氮槽15下端与恒温块11相接，恒温块11的材质为高纯无氧铜，内置可控电热丝21，可控电热丝21能够调控发热功率。最内层的锥形容器16具有锥形侧面，下端与恒温块11相接，顶盖5为法兰结构且伸出真空腔14，法兰结构的顶盖可以拆卸以便于内部操作。锥形容器16内腔通过第二阀门6连接真空泵1，打开第二阀门6后可通过真空泵1向外抽吸空气，锥形容器16内部放有标定平台12、热沉13和连杆17。

如图2～4所示，本实施例的热电偶标定装置中，标定平台12的材质为高纯无氧铜，其与连杆17的底部固定连接；标定平台12下表面与恒温块11接触导热，上表面布置有多个热电偶插槽20；连杆17上装有限位件19，并套有热沉13。

如图2～4所示，本实施例的热电偶标定装置中，热沉13中间为圆柱通孔，热沉13通过该圆柱通孔与连杆17构成间隙配合，可套在连杆17上自由滑动形成滑动副。热沉13的外侧面为锥形面，其倾斜度与锥形容器16的锥形侧面内壁相同，当其套在连杆17上在重力作用下向下滑动时，可以与锥形容器16侧面紧密贴合。即使在低温下材料发生应力收缩，其也能够继续向下滑动保持贴合状态，有效地保证热沉的冷量供应。另外，热沉13中心的圆柱通孔与其外侧面之间周向均匀分布有多条吸热杆18，待标定热电偶3的引线缠绕在吸热杆18上。限位件19固定在热沉13下方的连杆17上，其作用是阻止热沉13滑至底部标定平台12上，压到热电偶插槽20。本实施例中限位件19为圆柱体形状，且圆柱体与连杆17同轴固定，外径大于热沉13上的圆柱通孔。

如图1所示，本实施例的热电偶标定装置中，待标定热电偶3布置在标定平台12上，引线在热沉13的吸热杆18上缠绕之后，从顶盖5引出，放入内置冰水混合物的冰点槽8中，再连接到数据采集仪9上。标准温度计10提前内置于恒温块11内，直接从真空腔14引出再连接到数据采集仪9上。数据采集仪9是能够采集待标定热电偶3和标准温度计10所感应的温度数据的仪器。

如图3～4所示，本实施例的热电偶标定装置中，热电偶插槽20为沿连杆17周向均匀分布的凹槽，将待标定热电偶3放置在凹槽中，并填入真空油脂以增加与标定平台12的热接触。所述的真空油脂，当冷却到77～90k温区时，将变成固态，导热性良好，并可起到固定待标定热电偶3的作用。

在使用所述的热电偶标定装置时，通过调控恒温块11内部的可控电热丝21的功率，与液氮传递的冷量对抗，从而获得77～90k之间多个恒温状态。利用数据采集仪9记录下的待标定热电偶3和标准温度计10的温度数据，来拟合出低温热电偶温度计的温度关联式，完成标定工作。

在实验中，若待标定热电偶3数量较多时，该装置在标定一组热电偶温度计后，无需破坏最外层真空腔14和液氮槽15的状态，通过在标定平台12上布置新的待标定热电偶3，即可完成多组标定工作，方便快捷。

本发明并不局限于上述具体的实施方式，且其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。