Грубое измерение криогенных температур (~77K) Опции

[neptune-1]

Уважаемые коллеги!

Для контроля температуры жидкого азота нужен криогенный термометр на диапазон 60...90 К.

То что есть в продаже - лабораторные термометры. Очень точные, но и очень дорогие. Поскольку точность 1К вполне устроила бы, не очень хочется платить 1000$.

Не подскажите ли идею, как можно сделать такой термометр?

[asdf]

А почему обычная термопара не подходит?

[vvs157]

Уважаемые коллеги!

Для контроля температуры жидкого азота нужен криогенный термометр на диапазон 60...90 К.

То что есть в продаже - лабораторные термометры. Очень точные, но и очень дорогие. Поскольку точность 1К вполне устроила бы, не очень хочется платить 1000$.

Не подскажите ли идею, как можно сделать такой термометр?

1)Термопара медь-константан. 2)Платиновый термометр сопротивления.

[Black Pahan]

Пользуем холодильные машины у которых в холодной зоне стоит обычный кремниевый диод типа КД522-1N4148. Схема - источник тока на 100 мкА и напряжометр. Диод поверяется опусканием в жидкий азот и замером падения на нём. Типичное значение 1.022В при 100мкА и 77К. Зависимость 2мВ/К.

[Tanya]

Уважаемые коллеги!

Для контроля температуры жидкого азота нужен криогенный термометр на диапазон 60...90 К.

То что есть в продаже - лабораторные термометры. Очень точные, но и очень дорогие. Поскольку точность 1К вполне устроила бы, не очень хочется платить 1000$.

Не подскажите ли идею, как можно сделать такой термометр?

Сначала вопрос - если у Вас жидкий азот, а Вы пишите про температуру 60-90, то это странно...
Может Вы имели в виду так наз. азотные температуры?
Все те способы, что предложили уже коллеги-форумчане, нуждаются в калибровки. Это можно выполнить, если у Вас есть возможность откачивать азот (для точек ниже 77 К). Металлические термометры сопротивления можно калибровать (проверять) по соотношению сопротивлений при "комнате" и "гелии".
Однако, те, что на подложке хуже проволочных. И неизвестно, как они к циклированию устойчивы...
Все это плывет со временем, даже термопары, хотя медь-константан для этого диапазона самая удобная.
Только надо делать реальный опорный спай в тающем льде (или льду?), так как чувствительность ниже азота начинает круто падать...
Есть и абсолютные способы - газовый термометр, например. Не так сложно, как кажется....

Пользуем холодильные машины у которых в холодной зоне стоит обычный кремниевый диод типа КД522-1N4148. Схема - источник тока на 100 мкА и напряжометр. Диод поверяется опусканием в жидкий азот и замером падения на нём. Типичное значение 1.022В при 100мкА и 77К. Зависимость 2мВ/К.

Лучше бескорпусные диоды.

[vvs157]

Все те способы, что предложили уже коллеги-форумчане, нуждаются в калибровки. Это можно выполнить, если у Вас есть возможность откачивать азот (для точек ниже 77 К)

С требуемой точностью в градус вполне можно калиброваться по жидкому азоту, главное, чтобы азот был "свежезалитый", то есть не нахватавшийся кислорода из воздуха.

[Tanya]

С требуемой точностью в градус вполне можно калиброваться по жидкому азоту, главное, чтобы азот был "свежезалитый", то есть не нахватавшийся кислорода из воздуха.

Это да, а вот ниже придется азот откачивать....? А выше? Ведь по одной точке трудно калиброваться....

[vvs157]

Это да, а вот ниже придется азот откачивать....? А выше? Ведь по одной точке трудно калиброваться....

Под откачкой температура по давлению определяется с хорошей точностью. Выше - температура замерзания спирта, или "сухой" лед. Для данной задачи, мне кажется, жидкий неон не понадобится

[anton]

Пользуем холодильные машины у которых в холодной зоне стоит обычный кремниевый диод типа КД522-1N4148. Схема - источник тока на 100 мкА и напряжометр. Диод поверяется опусканием в жидкий азот и замером падения на нём. Типичное значение 1.022В при 100мкА и 77К. Зависимость 2мВ/К.

Сейчас формулу не вспомню, но если езмерять падение при двух токах то можно вычислять температуру без калибровки.

[Tanya]

Под откачкой температура по давлению определяется с хорошей точностью. Выше - температура замерзания спирта, или "сухой" лед. Для данной задачи, мне кажется, жидкий неон не понадобится

Скорее всего автор не может откачивать, а то бы не спрашивал про грубое измерение - было бы у него и не грубое... Сухой лед высоко... А кривая EMF vs. Temperature становится очень кривой вблизи 77 K.

[rezident]

Сейчас формулу не вспомню, но если езмерять падение при двух токах то можно вычислять температуру без калибровки.

T=(T2-T1)/(I2-I1)*(I-I1)+T1 - эта? Формула прямой линии

[neptune-1]

Большое спасибо откликнувшимся!

Устройство нужно для школьного кабинета физики (друзья попросили).

Пока больше всего нравится идея с кремниевым диодом.

Пользуем холодильные машины у которых в холодной зоне стоит обычный кремниевый диод типа КД522-1N4148. Схема - источник тока на 100 мкА и напряжометр. Диод поверяется опусканием в жидкий азот и замером падения на нём. Типичное значение 1.022В при 100мкА и 77К. Зависимость 2мВ/К.

А не подскажите, на чём делали источник тока и марку того операционника, который напряжометр?

Лучше бескорпусные диоды.

КД102А подойдёт? У него вроде ленточные выводы, поэтому теплопередача должна быть хорошей.

Скорее всего автор не может откачивать, а то бы не спрашивал про грубое измерение - было бы у него и не грубое... Сухой лед высоко... А кривая EMF vs. Temptrature становится очень кривой вблизи 77 K.

Нет, не могу откачивать . Ну, жидкий азот и 77К у нас есть, а вот что если взять в качестве второй точки калибровки уличную температуру и спиртовой термометр (когда будет -25°С)? Насколько велика будет погрешность вблизи 77 К?

[Tanya]

Большое спасибо откликнувшимся!

Устройство нужно для школьного кабинета физики (друзья попросили).

Пока больше всего нравится идея с кремниевым диодом.
А не подскажите, на чём делали источник тока и марку того операционника, который напряжометр?
КД102А подойдёт? У него вроде ленточные выводы, поэтому теплопередача должна быть хорошей.
Нет, не могу откачивать . Ну, жидкий азот и 77К у нас есть, а вот что если взять в качестве второй точки калибровки уличную температуру и спиртовой термометр (когда будет -25°С)? Насколько велика будет погрешность вблизи 77 К?

Диод лучше бескорпусный для того, чтобы циклирование выдерживал лучше. А зачем Вам тогда более низкие температуры, если их нет у Вас? Термопара проще и лучше. До азота по таблице - никакой калибровки не нужно. Только хороший тестер... и второй спай во льду с водой.
Это дело в пенопласт. Воду брать дистиллированную. Еще не забудьте, что на дне вода будет не при нуле, а выше... 4 С. Лед надо до дна заталкивать, а термопару выше.

[neptune-1]

А зачем Вам тогда более низкие температуры, если их нет у Вас?

Чтобы как-то продемонстрировать, что термометр не липовый... а в общем, не знаю. Может даже и не нужно.

Термопара проще и лучше.

А какое она выдаёт ЭДС при 77К? Не потонет ли сигнал на фоне шумов?
Есть ли ограничения на входное сопротивление и коэффициент шума того операционника, к которому её подключать?

До азота по таблице - никакой калибровки не нужно. Только хороший тестер... и второй спай во льду с водой. Это дело в пенопласт. Воду брать дистиллированную. Еще не забудьте, что на дне вода будет не при нуле, а выше... 4 С. Лед надо до дна заталкивать, а термопару выше.

Спасибо!

[vvs157]

А какое она выдаёт ЭДС при 77К? Не потонет ли сигнал на фоне шумов?
Есть ли ограничения на входное сопротивление и коэффициент шума того операционника, к которому её подключать?

Табличное значение ЭДС при азоте для термопары медь-константан 5354 мкВ (теплый спай при 0 С). Зависимость термо-ЭДС от азота до комнаты не совсем линейна, так что надо использовать таблицы или полином для аппроксимации. По азотной точке при необходимости вводится линейная поправка к эталонной градуировке.
Особых ограничений по шумам ОУ нет. Основное требование - низкое напряжение смещения нуля и низкой температруный дрейф смещения нуля. Термопара - низкоомный источник сигнала, поэтому входное сопротивление ОУ значения не имеет. Для термопар такого типа с запасом подойдет ICL7650.

[neptune-1]

Табличное значение ЭДС при азоте для термопары медь-константан 5354 мкВ (теплый спай при 0 С). Зависимость термо-ЭДС от азота до комнаты не совсем линейна, так что надо использовать таблицы или полином для аппроксимации. По азотной точке при необходимости вводится линейная поправка к эталонной градуировке.
Особых ограничений по шумам ОУ нет. Основное требование - низкое напряжение смещения нуля и низкой температруный дрейф смещения нуля. Термопара - низкоомный источник сигнала, поэтому входное сопротивление ОУ значения не имеет. Для термопар такого типа с запасом подойдет ICL7650.

Спасибо, это уже кое-что.
А нельзя ли обойтись без второго, "теплого" спая при 0С? То есть, снимать напряжение непосредственно с измерительной термопары?

[vvs157]

А нельзя ли обойтись без второго, "теплого" спая при 0С? То есть, снимать напряжение непосредственно с измерительной термопары?

Для данной термопары категорически нет! Термопара всегда дает ЭДС от разности температур ее спаев. У вас всегда будет теплый спай - это место контакта константана хотя бы с клеммой прибора. Причем если это не медь, то могут быть дополнительные источники погрешности. Теплый спай можно и не помещать в лед, но тогда необходимо точно знать его температуру и вводить поправку.

[Tanya]

Спасибо, это уже кое-что.
А нельзя ли обойтись без второго, "теплого" спая при 0С? То есть, снимать напряжение непосредственно с измерительной термопары?

Можно, но для школьников лучше иметь возможность иметь второй спай для наглядности.
Его, например, можно поместить в жидкий азот... Или один в азот, а другой будет комнатную температуру измерять... Лучше классическим методом измерять, чем объяснять школьникам методы компенсации температуры (в данном случае - теплого) спая.

[neptune-1]

Или один в азот, а другой будет комнатную температуру измерять... Лучше классическим методом измерять, чем объяснять школьникам методы компенсации температуры (в данном случае - теплого) спая.

Второй спай, наверное, действительно буду держать при комнатной температуре. У меня на плате контроллера будет обычный термометр на терморезисторе. Полагаю, что в этом случае при калибровке удастся разом устранить и смещение нуля ОУ, и смещение нуля АЦП - ведь они находятся примерно при той же комнатной температуре.

А школьникам можно и ничего не объяснять - термометр он и в Африке термометр. Ну подумаешь, цифровой...

[Tanya]

Второй спай, наверное, действительно буду держать при комнатной температуре. У меня на плате контроллера будет обычный термометр на терморезисторе. Полагаю, что в этом случае при калибровке удастся разом устранить и смещение нуля ОУ, и смещение нуля АЦП - ведь они находятся примерно при той же комнатной температуре.

А школьникам можно и ничего не объяснять - термометр он и в Африке термометр. Ну подумаешь, цифровой...

А зачем делать намеренно хуже, чем можно..... за те же деньги?
А смещение нуля... Возьмите усилитель с автокоррекцией или малым дрейфом...

[Guest_orthodox_*]

Диодом проще. И воспроизводимость неплохая. Примерно в 1975-1977 году в ПТЭ(приборы и техника эксперимента) была статья на эту тему. Именно диодом и именно при азотных температурах. К сожалению, по памяти я уже не процитирую... Но делать пробовал, только еще в прошлом веке....
Несколько лет потом отработало, хотя диод был корпусной, КД 105, кажется...Не трескал, потому что в азот его напрямую не макали, возможно. С термопарами хлопот было больше, но, возможно, сейчас будет проще.

[vvs157]

Диодом проще. И воспроизводимость неплохая.

Диод в отличие от термопары требует более трудоемкой калибровки. Стандартную термопару достаточно привязать в одной точке, диод же надо калибровать по полной программе.

[Guest_orthodox_*]

Вроде как там тоже чистая физика работает, выше упоминалось - что-то вроде 2 не то 2.2 мв/К . Но они хоть линейные, а азотные температуры для них - практически родные с точки зрения линейности... Ну в паре точек для страховки, конечно, снимали - только не помню, чем вторую точку. А! вспомнил. Из головного института пару калиброванных терморезисторов ребята подарили.Вместе с таблицей. Только те не слишком любили многократное охлаждение-нагрев, потому по ним только калибровались... Я же и говорю, дрейфа особого не было.

Тогда в ходу была тема высокотемпературных сверхпроводников, в связи с этим все и делалось...

[neptune-1]

Сообщаю чем кончилось дело.

Как это ни банально, но всё уже, оказывается, придумано до нас . Заказал в ОВЕНЕ прибор ТРМ-200 и термосопротивление Pt100. Термосопротивление сертифицировано до -50°С, но как утверждают специалисты, до -200°С работать будет. (Кстати, в мануале ТРМ-200 для Pt100 именно такая нижняя температура и приводится). Всё это хозяйство стоит не более 3000 руб, что вполне приемлемо.

Выражаю искреннюю благодарность всем участникам треда!