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基于G-M制冷机的低温温度计全自动标定系统

李畏;黄永华;杨朴凡

【摘要】基于两级G-M制冷机搭建了低温温度计全自动标定系统.通过PID温控

仪和LabVIEW编程,实现了程序化自动控温、数据处理和报表输出一体化标定流程.

提出了结合基于热阻尼的稳态控温标定和自然升温动态标定相结合的方法,不仅实

现了4.2-290K宽广温区内±0.05K以内的标定精度水平,而且有效降低了等温载

体控温点的标定时长,使标定效率比现有技术提高了2-4倍.%Anautomatic

calibrationsystemforlowtemperaturethermometerswasbuiltbasedona

twostageG-Mcryocooler.Theintegratedcalibrationprocessofautomatic

temperaturecontrol,dataprocessingandreportexportisrealizedthrough

aPIDtemperaturecontrollerandLabVIEWprogramming.Thecombination

ofsteady-statecalibrationanddynamiccalibrationmethodwas

proposed,bywhichnotonlythe±0.05Kcalibrationaccuracyduringlarge

temperaturerangeof4.2-290Kwasachieved,butalsothecalibrationcycle

ofeachtemperaturecontrolpointofisothermalblockwassignificantly

shortened,thusthecalibrationefficiencyis2-4timeshigherthanthe

existingsystem.

【期刊名称】《低温工程》

【年(卷),期】2018(000)002

【总页数】6页(P11-16)

【关键词】低温温度计标定;全自动标定;G-M制冷机;标定精度

【作者】李畏;黄永华;杨朴凡

【作者单位】上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240;上海交通大学制

冷与低温工程研究所上海200240;上海市低温技术与测试应用服务平台上海

200240;上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240

【正文语种】中文

【中图分类】TB663

1引言

在大型低温工程系统或者深低温实验研究项目中，温度测量始终是最基本和最重要

的参数之一。铂电阻、热电偶、硅二极管、铑铁电阻等不同种类的温度传感器在各

类低温系统中广泛应用。与普冷或者常温温区的温度计不同，低温温度计工作温跨

大，被测物理量随温度的线性度差。为了达到较高的测量精度，通常都要在每支低

温温度计生产制造之后，逐一进行标定。从国外商业化产品的报价来看，该标定成

本通常会达到温度计硬件成本的3倍甚至更多，如此高昂的标定价格主要在于标

定过程中较多的物力及人力成本投入。低温流体恒温器和小型低温制冷机是低温温

度计标定系统普遍使用的冷源，两者分别需要耗费低温流体和电能。从人力投入的

角度来讲，较为成熟的标定系统均采用稳态标定方法，该方法要求对每个分度点进

行稳态控温，完成每个分度点的标定少则十几分钟，多则数个小时，因此整个标定

过程需要花费大量的时间成本。

目前国内外对低温标定的研究侧重于优化低温标定系统结构以降低低温流体消耗或

提高标定精度，但在标定系统的自动化方面鲜有报道。Ballico等人[1]研制了一套

低温恒温器标定系统，通过PID调节控制液氮流量和热量输入实现-202—250℃

温区的自动控温过程，在24h之内完成了全温区共16个点的控温标定。Chen等

[2]和蒋博等[3]均采用VisualBasic编程，在低温恒温器上分别实现了20—120K

和-40—150℃温区的电阻温度计自动控温标定，温度波动分别在±5mK和±30

mK以内。Yang等人[4]以液氮为冷源，基于LabVIEW编程对电阻型温度计进行

了自动标定，在15h之内完成了-200—0℃内7个点的控温标定，标定精度为

30mK。由于低温恒温器系统结构复杂，温度稳定周期长，虽然采用自动标定等