寬范圍精密定容氣體溫度計的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種定容氣體溫度計(CVGT)，其包括貯氣筒、壓力測量裝置和毛細管，所述毛細管將貯氣筒連接至壓力測量裝置，用于以非常高的精度在寬的范圍上測量液體或氣體的溫度。
【背景技術(shù)】
[0002]精密溫度計通常覆蓋有限的測量范圍。它們的測量原理大部分基于電阻率隨溫度的變化。對于低溫應(yīng)用，使用半導(dǎo)體的電阻率，然而，對于從環(huán)境到燃燒溫度的溫度，采用金屬的電阻率。兩變體限于它們相應(yīng)的溫度范圍，并且結(jié)合不便。
[0003]然而，許多工業(yè)過程應(yīng)用受益于精密溫度計，所述精密溫度計從凍結(jié)溫度向上跨到燃燒溫度，或者從環(huán)境溫度向下跨到低于超流態(tài)氦溫度。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)狀況
用于過程應(yīng)用的精密溫度計基于選擇的傳感器探頭的電阻的測量。
[0005]在環(huán)境溫度到高溫的情況下，選擇的傳感器探頭典型地由鉑膜制成，并產(chǎn)生電阻隨溫度的高度線性的增長。其操作上限大約為900-950K，高于所述操作上限，鉑膜的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。盡管操作下限為大約70K，但是溫度測量的精度由于遞減的絕對電阻值而變差。
[0006]在低溫到制冷溫度時，傳感器探頭典型地由各種半導(dǎo)體制成。它們的電阻隨著遞減的溫度而指數(shù)地增大，這使測量相對容易。然而，必須非常小心地進行校準，并且電阻相對溫度的強烈非線性特性使得必須采用若干不同的半導(dǎo)體傳感器探頭，以便覆蓋從環(huán)境溫度到大約IK的范圍。另外，電阻傳感器探頭的熱耗散及其銅線的熱傳導(dǎo)在從氦的冷凝和更低的溫度范圍中引起溫度穩(wěn)定性的問題。
[0007]因此，基于單個電阻傳感器探頭的溫度計不能用于覆蓋從IK到環(huán)境溫度或從制冷溫度到燃燒溫度的范圍。
[0008]定容氣體溫度計(CVGT)基于的事實是，在封閉氣體體積內(nèi)的壓力隨溫度成比例地提高。對于氣體體積充滿氦的情況，CVGT盡可能接近理想氣體定律操作，其中，氣體壓力在遠遠超過I ’ 000K的范圍上是絕對溫度的高度線性的函數(shù)。
[0009]CVGT典型地包括三個基本元件:貯氣筒，其經(jīng)受待測量的溫度(目標溫度)，并且其包含恒定的氣體體積;壓力測量裝置;和毛細管，其取決于應(yīng)用可以是幾厘米到幾十米長，并且其將貯氣筒連接至壓力測量裝置。
[0010]CVGT的重大挫折與壓力的測量有關(guān)聯(lián)。通常，壓力通過所謂的波登管(bourdon)測量，并且波登管在變化的溫度和壓力下的移動經(jīng)由機械齒輪轉(zhuǎn)化成顯示器上的手的旋轉(zhuǎn)。波登管由于其低的壓力靈敏度，所以需要高的絕對壓力變化，并且CVGT的典型氣體壓力為5MPa到20MPa(50到200巴)。低于5MPa(50巴)，波登管的靈敏度對于精確的測量不夠，并且在操作范圍內(nèi)，機械齒輪引入滿量程的1-2%的相對大的誤差。
[0011]CVGT的第二個重大挫折的事實是，在毛細管和波登管內(nèi)的氣體體積形成所謂的寄生體積。與貯氣筒的氣體體積相比，寄生體積未在目標溫度下，并且由于兩個體積相連并在相同的壓力下，所以損害目標溫度與氣體壓力之間的線性關(guān)系。該誤差隨著寄生體積與貯氣筒體積的增加的比率、并隨著目標溫度與壓力測量裝置的實際溫度之間增加的溫度差而增大。由于兩個值鮮為人知，所以這樣的CVGT的精度能大大地變差。
[0012]發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種CVGT，其允許用單個溫度計在寬的溫度范圍上以高的精度的溫度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]上述目的通過如權(quán)利要求1所要求保護的本發(fā)明解決。此外，有利特征在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中被要求保護。
[0014]鑒于以上所述，用于在寬的溫度范圍上以高精度測量溫度的CVGT包括第一壓力測量裝置，所述第一壓力測量裝置包括形成薄膜的機械組件。毛細管與薄膜的底側(cè)連通，并且在薄膜上的壓力測量元件依賴于薄膜的變形產(chǎn)生信號。此外，CVGT包括用于讀取所述第一壓力測量元件的信號和使所述第一壓力測量元件的信號與貯氣筒的溫度相關(guān)聯(lián)的電子裝置。通過精心設(shè)計和緊密公差使在第一壓力測量裝置內(nèi)的氣體體積最小化。
[0015]根據(jù)一個實施例，壓力測量元件是沉積到具有限定直徑和厚度的不銹鋼薄膜上的電阻薄膜應(yīng)變計，所述薄膜經(jīng)由毛細管經(jīng)受貯氣筒的氣體壓力。
[0016]根據(jù)另一實施例，壓力測量元件是沉積到所述不銹鋼薄膜上的壓阻薄膜應(yīng)變計。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，電阻溫度計沉積到形成薄膜的機械組件上，所述電阻溫度計測量機械組件的溫度。
[0018]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，薄膜電阻布置到機械組件上，所述薄膜電阻與應(yīng)變計電氣串聯(lián)地操作，并且其隨著溫度的變化用于補償對應(yīng)變計的信號的溫度影響。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，在薄膜的底側(cè)的毛細管連接元件提供毛細管與薄膜的底側(cè)的連通。
[0020]優(yōu)選地，貯氣筒包含純氦或氬。
[0021]在本發(fā)明的另一有利實施例中，貯氣筒包括第二毛細管，用于將氣體填充到由貯氣筒、第一毛細管和機械組件形成的體積中。
[0022]根據(jù)另一實施例，本發(fā)明包括直接或間接地連接至貯氣筒的第二壓力測量裝置和使所述第二壓力測量裝置的信號與貯氣筒的溫度相關(guān)的裝置。
[0023]優(yōu)選地，第二壓力測量裝置被封閉在氣密外殼的體積中，并且該體積通過第三毛細管直接或間接地連接至貯氣筒。
[0024]更優(yōu)選地，第二壓力測量裝置布置在位于薄膜的底側(cè)上的空腔中。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，第二壓力測量裝置是Pirani傳感器。電子裝置在恒定的溫度下測量Pirani傳感器的功率消耗，并使所述功率消耗與貯氣筒的溫度關(guān)聯(lián)。優(yōu)選地，Pirani傳感器的電氣引線經(jīng)由氣密饋通接觸，并且所述Pirani壓力傳感器的功率消耗與貯氣筒的溫度有關(guān)聯(lián)。有利地，Pirani傳感器是微機械加工的硅熱板，并且使圍繞Pirani傳感器的氣體體積最小化。
[0026]本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明基于CVGT，所述CVGT結(jié)合高精度的壓力測量裝置。壓力測量裝置典型地包括沉積到不銹鋼薄膜上的薄膜應(yīng)變計，其中，不銹鋼薄膜經(jīng)受來自下面的氣體壓力。
[0027]這樣的薄膜應(yīng)變計能由薄膜的不銹鋼的選擇并由其幾何尺寸決定的范圍內(nèi)測量氣體壓力。為了維持高精度的測量，薄膜的尺寸設(shè)計成使得在最高的允許氣體壓力下，薄膜的變形仍然是嚴格彈性的。沉積在合適的不銹鋼薄膜上的典型薄膜應(yīng)變計的準確度典型地大約為滿測量量程的0.05-0.1%。測量范圍典型地從最高設(shè)計壓力向下至該值的大約2-3%。
[0028]通過壓力測量裝置的精心設(shè)計以及緊密的制造公差，與壓力測量裝置相關(guān)的寄生體積能限于非常小的值，這減小與寄生體積相關(guān)的測量誤差或者可允許更小的貯氣筒。優(yōu)選地，貯氣筒、毛細管和壓力測量裝置的本體由不銹鋼制成。
[0029]此外，在薄膜應(yīng)變計的沉積的相同處理步驟期間，人們能將薄膜電阻溫度計沉積在不經(jīng)受通過氣體壓力的變形的壓力測量裝置的表面的一部分上。壓力測量裝置的實際溫度的了解于是允許由壓力測量裝置的寄生體積引起的誤差的分析校正。
[0030]CVGT的測量范圍由在室溫下的氦氣的初始填充壓力以及在操作期間的最高容許氣體壓力決定。在300K下的5MPa(50巴)的填充壓力和20MPa(200巴)的最高壓力的情況下，CVGT的測量范圍為25-1’200K，然而，在300K下的15MPa( 150巴)的填充壓力產(chǎn)生5-400K的測量范圍。對于可行的實施例，溫度范圍的上限為大約l’OOOK到I’100K，這是對用于貯氣筒和毛細管的不銹鋼的典型限制。
[0031]為了將測量范圍延伸至更低的溫度，將在300K下的填充壓力調(diào)整至合適的值，使得當(dāng)目標溫度降低至在5.2K下的氦的臨界點時，氦至少稍微超臨界。對于這樣的構(gòu)造的合適的填充壓力是13MPa(130巴)或更高。
[0032]在達到5.2K的目標溫度時，氦開始冷凝，并將CVGT內(nèi)的壓力調(diào)整至氦的平衡蒸汽壓力，其從在5.2K下的27.2KPa(2.272巴)降低至在IK下的15.57Pa(0.1557毫巴)。
[0033]對于低于I巴的范圍內(nèi)的壓力，基于不銹鋼薄膜和薄膜應(yīng)變計的壓力測量裝置不提供準確的讀數(shù)，所述壓力測量裝置設(shè)計成在20MPa(200巴)下的小的最大彎曲。
[0034]為了以足夠的準確度測量CVGT內(nèi)低于0.lMPa(l巴)的壓力，根據(jù)本發(fā)明的CVGT可包括基于Pirani測量原理的第二壓力測量裝置。Pirani測量裝置測量周圍氣體的熱導(dǎo)率。為此，在周圍氣體在環(huán)境溫度下的同時，熱絕緣線或表面被電氣加熱至限定的溫度。如果周圍氣體的熱導(dǎo)率改變，則Pirani元件的溫度改變，或者需要調(diào)整電氣加熱功率以便維持Pirani元件的溫度。
[0035]在沒有氣體流動或氣體的化學(xué)成分變化的情況下，氣體的熱導(dǎo)率的變化僅能由其壓力的變化引起。然而，壓力變化對于其中氣體分子的平均自由路徑長度大約為Pirani元件的外殼的幾何尺寸情況時的壓力范圍僅導(dǎo)致氣體的熱導(dǎo)率的變化。因此，Pirani測量裝置典型地用于測量在0.1Pa(ly巴)與0.1MPa(l巴)之間的壓力范圍。
[0036]在根據(jù)本發(fā)明的CVGT中，Pirani測量裝置的另外的氣密密封的外殼經(jīng)由附加的毛細管連接至CVGT的筒中的氣體體積，或者其位于在主壓力測量裝置的薄膜下面的空腔中，并通過這種方式經(jīng)由毛細管連接至主壓力測量裝置并連接至筒。在Pirani測量裝置外殼中通過合適密封并絕緣的連接器進行到Pirani測量裝置的電氣連接。
[0037]與測量薄膜的兩側(cè)之間的壓差的基于薄膜的壓力測量裝置形成對比，Pirani測量裝置測量絕對壓力。即使其測量范圍限于低的壓力，其也表現(xiàn)出對非常高的壓力的實際上不受限制的機械阻力。因此，其能容易地結(jié)合到產(chǎn)生幾百巴的內(nèi)部壓力的CVGT中。
[0038]由于Pirani測量裝置外殼將添加到CVGT的寄生體積，所以必須使其尺寸最小化。因此，根據(jù)我們的發(fā)明的優(yōu)選Pirani測量裝置是基于薄膜的微機械加工硅熱板。其優(yōu)點是其低于Imm3的小的體積、其用于環(huán)境溫度的集成溫度傳感器、其可容易調(diào)整的測量范圍及其低的成本。
[0039]因此，根據(jù)