宽范围精密定容气体温度计的制作方法

文档序号:9769075阅读:662来源:国知局
宽范围精密定容气体温度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种定容气体温度计(CVGT),其包括贮气筒、压力测量装置和毛细管,所述毛细管将贮气筒连接至压力测量装置,用于以非常高的精度在宽的范围上测量液体或气体的温度。
【背景技术】
[0002]精密温度计通常覆盖有限的测量范围。它们的测量原理大部分基于电阻率随温度的变化。对于低温应用,使用半导体的电阻率,然而,对于从环境到燃烧温度的温度,采用金属的电阻率。两变体限于它们相应的温度范围,并且结合不便。
[0003]然而,许多工业过程应用受益于精密温度计,所述精密温度计从冻结温度向上跨到燃烧温度,或者从环境温度向下跨到低于超流态氦温度。
[0004]现有技术状况
用于过程应用的精密温度计基于选择的传感器探头的电阻的测量。
[0005]在环境温度到高温的情况下,选择的传感器探头典型地由铂膜制成,并产生电阻随温度的高度线性的增长。其操作上限大约为900-950K,高于所述操作上限,铂膜的结构变得不稳定。尽管操作下限为大约70K,但是温度测量的精度由于递减的绝对电阻值而变差。
[0006]在低温到制冷温度时,传感器探头典型地由各种半导体制成。它们的电阻随着递减的温度而指数地增大,这使测量相对容易。然而,必须非常小心地进行校准,并且电阻相对温度的强烈非线性特性使得必须采用若干不同的半导体传感器探头,以便覆盖从环境温度到大约IK的范围。另外,电阻传感器探头的热耗散及其铜线的热传导在从氦的冷凝和更低的温度范围中引起温度稳定性的问题。
[0007]因此,基于单个电阻传感器探头的温度计不能用于覆盖从IK到环境温度或从制冷温度到燃烧温度的范围。
[0008]定容气体温度计(CVGT)基于的事实是,在封闭气体体积内的压力随温度成比例地提高。对于气体体积充满氦的情况,CVGT尽可能接近理想气体定律操作,其中,气体压力在远远超过I ’ 000K的范围上是绝对温度的高度线性的函数。
[0009]CVGT典型地包括三个基本元件:贮气筒,其经受待测量的温度(目标温度),并且其包含恒定的气体体积;压力测量装置;和毛细管,其取决于应用可以是几厘米到几十米长,并且其将贮气筒连接至压力测量装置。
[0010]CVGT的重大挫折与压力的测量有关联。通常,压力通过所谓的波登管(bourdon)测量,并且波登管在变化的温度和压力下的移动经由机械齿轮转化成显示器上的手的旋转。波登管由于其低的压力灵敏度,所以需要高的绝对压力变化,并且CVGT的典型气体压力为5MPa到20MPa(50到200巴)。低于5MPa(50巴),波登管的灵敏度对于精确的测量不够,并且在操作范围内,机械齿轮引入满量程的1-2%的相对大的误差。
[0011]CVGT的第二个重大挫折的事实是,在毛细管和波登管内的气体体积形成所谓的寄生体积。与贮气筒的气体体积相比,寄生体积未在目标温度下,并且由于两个体积相连并在相同的压力下,所以损害目标温度与气体压力之间的线性关系。该误差随着寄生体积与贮气筒体积的增加的比率、并随着目标温度与压力测量装置的实际温度之间增加的温度差而增大。由于两个值鲜为人知,所以这样的CVGT的精度能大大地变差。
[0012]发明目的本发明的目的是提供一种CVGT,其允许用单个温度计在宽的温度范围上以高的精度的温度测量。

【发明内容】

[0013]上述目的通过如权利要求1所要求保护的本发明解决。此外,有利特征在相应的从属权利要求中被要求保护。
[0014]鉴于以上所述,用于在宽的温度范围上以高精度测量温度的CVGT包括第一压力测量装置,所述第一压力测量装置包括形成薄膜的机械组件。毛细管与薄膜的底侧连通,并且在薄膜上的压力测量元件依赖于薄膜的变形产生信号。此外,CVGT包括用于读取所述第一压力测量元件的信号和使所述第一压力测量元件的信号与贮气筒的温度相关联的电子装置。通过精心设计和紧密公差使在第一压力测量装置内的气体体积最小化。
[0015]根据一个实施例,压力测量元件是沉积到具有限定直径和厚度的不锈钢薄膜上的电阻薄膜应变计,所述薄膜经由毛细管经受贮气筒的气体压力。
[0016]根据另一实施例,压力测量元件是沉积到所述不锈钢薄膜上的压阻薄膜应变计。
[0017]根据本发明的另一实施例,电阻温度计沉积到形成薄膜的机械组件上,所述电阻温度计测量机械组件的温度。
[0018]在本发明的另一优选实施例中,薄膜电阻布置到机械组件上,所述薄膜电阻与应变计电气串联地操作,并且其随着温度的变化用于补偿对应变计的信号的温度影响。
[0019]根据本发明的另一实施例,在薄膜的底侧的毛细管连接元件提供毛细管与薄膜的底侧的连通。
[0020]优选地,贮气筒包含纯氦或氩。
[0021]在本发明的另一有利实施例中,贮气筒包括第二毛细管,用于将气体填充到由贮气筒、第一毛细管和机械组件形成的体积中。
[0022]根据另一实施例,本发明包括直接或间接地连接至贮气筒的第二压力测量装置和使所述第二压力测量装置的信号与贮气筒的温度相关的装置。
[0023]优选地,第二压力测量装置被封闭在气密外壳的体积中,并且该体积通过第三毛细管直接或间接地连接至贮气筒。
[0024]更优选地,第二压力测量装置布置在位于薄膜的底侧上的空腔中。
[0025]根据本发明的另一实施例,第二压力测量装置是Pirani传感器。电子装置在恒定的温度下测量Pirani传感器的功率消耗,并使所述功率消耗与贮气筒的温度关联。优选地,Pirani传感器的电气引线经由气密馈通接触,并且所述Pirani压力传感器的功率消耗与贮气筒的温度有关联。有利地,Pirani传感器是微机械加工的硅热板,并且使围绕Pirani传感器的气体体积最小化。
[0026]本发明的详细说明本发明基于CVGT,所述CVGT结合高精度的压力测量装置。压力测量装置典型地包括沉积到不锈钢薄膜上的薄膜应变计,其中,不锈钢薄膜经受来自下面的气体压力。
[0027]这样的薄膜应变计能由薄膜的不锈钢的选择并由其几何尺寸决定的范围内测量气体压力。为了维持高精度的测量,薄膜的尺寸设计成使得在最高的允许气体压力下,薄膜的变形仍然是严格弹性的。沉积在合适的不锈钢薄膜上的典型薄膜应变计的准确度典型地大约为满测量量程的0.05-0.1%。测量范围典型地从最高设计压力向下至该值的大约2-3%。
[0028]通过压力测量装置的精心设计以及紧密的制造公差,与压力测量装置相关的寄生体积能限于非常小的值,这减小与寄生体积相关的测量误差或者可允许更小的贮气筒。优选地,贮气筒、毛细管和压力测量装置的本体由不锈钢制成。
[0029]此外,在薄膜应变计的沉积的相同处理步骤期间,人们能将薄膜电阻温度计沉积在不经受通过气体压力的变形的压力测量装置的表面的一部分上。压力测量装置的实际温度的了解于是允许由压力测量装置的寄生体积引起的误差的分析校正。
[0030]CVGT的测量范围由在室温下的氦气的初始填充压力以及在操作期间的最高容许气体压力决定。在300K下的5MPa(50巴)的填充压力和20MPa(200巴)的最高压力的情况下,CVGT的测量范围为25-1’200K,然而,在300K下的15MPa( 150巴)的填充压力产生5-400K的测量范围。对于可行的实施例,温度范围的上限为大约l’OOOK到I’100K,这是对用于贮气筒和毛细管的不锈钢的典型限制。
[0031]为了将测量范围延伸至更低的温度,将在300K下的填充压力调整至合适的值,使得当目标温度降低至在5.2K下的氦的临界点时,氦至少稍微超临界。对于这样的构造的合适的填充压力是13MPa(130巴)或更高。
[0032]在达到5.2K的目标温度时,氦开始冷凝,并将CVGT内的压力调整至氦的平衡蒸汽压力,其从在5.2K下的27.2KPa(2.272巴)降低至在IK下的15.57Pa(0.1557毫巴)。
[0033]对于低于I巴的范围内的压力,基于不锈钢薄膜和薄膜应变计的压力测量装置不提供准确的读数,所述压力测量装置设计成在20MPa(200巴)下的小的最大弯曲。
[0034]为了以足够的准确度测量CVGT内低于0.lMPa(l巴)的压力,根据本发明的CVGT可包括基于Pirani测量原理的第二压力测量装置。Pirani测量装置测量周围气体的热导率。为此,在周围气体在环境温度下的同时,热绝缘线或表面被电气加热至限定的温度。如果周围气体的热导率改变,则Pirani元件的温度改变,或者需要调整电气加热功率以便维持Pirani元件的温度。
[0035]在没有气体流动或气体的化学成分变化的情况下,气体的热导率的变化仅能由其压力的变化引起。然而,压力变化对于其中气体分子的平均自由路径长度大约为Pirani元件的外壳的几何尺寸情况时的压力范围仅导致气体的热导率的变化。因此,Pirani测量装置典型地用于测量在0.1Pa(ly巴)与0.1MPa(l巴)之间的压力范围。
[0036]在根据本发明的CVGT中,Pirani测量装置的另外的气密密封的外壳经由附加的毛细管连接至CVGT的筒中的气体体积,或者其位于在主压力测量装置的薄膜下面的空腔中,并通过这种方式经由毛细管连接至主压力测量装置并连接至筒。在Pirani测量装置外壳中通过合适密封并绝缘的连接器进行到Pirani测量装置的电气连接。
[0037]与测量薄膜的两侧之间的压差的基于薄膜的压力测量装置形成对比,Pirani测量装置测量绝对压力。即使其测量范围限于低的压力,其也表现出对非常高的压力的实际上不受限制的机械阻力。因此,其能容易地结合到产生几百巴的内部压力的CVGT中。
[0038]由于Pirani测量装置外壳将添加到CVGT的寄生体积,所以必须使其尺寸最小化。因此,根据我们的发明的优选Pirani测量装置是基于薄膜的微机械加工硅热板。其优点是其低于Imm3的小的体积、其用于环境温度的集成温度传感器、其可容易调整的测量范围及其低的成本。
[0039]因此,根据
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