制冷与低温测试原理要点2017.6（个人理解，仅供参考）1、300K-常温、120K-低温上限、90K-氧液化点、77K-氮液化点、20K-氢液化点、4.2K-氦液化点、2.17K-超流氦转化点<1937年卡皮查发现，特点为：无流动阻力和超强导热性>。

2、制冷技术发展两个阶段：天然冷源应用（到十八世纪中期），主动的机械制冷阶段（十八世纪中期至今）。

3、常用的低温工质：空气、氧、氮、氩、氖、氢、氦（对应1中液化温度）。

4、测量：利用某种测量工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地得到所需要的量值的过程。

5、数据处理：利用统计学的方法，从理论上估计随机误差对测量结果的影响，也就是首先从测量序列中得一个最优概值，然后对最优概值的测量误差做出估计，得到测量值的过程。

6、测量条件：人、仪表和外界条件。

7、仪表系统：传感器、调理传输器和数据显示器。

传感器：将感受到的被测量信号转换成相应信号输出（影响单一、单值函数关系、反应快延迟小、少干扰）。

调理传输器：根据数据获取与相应部件的要求调理与传送感受件输出的信号（要求：信号稳定、精确度高、信息损失小）。

数据显示：实验者观察被测参量的数值和变化（模拟式、数字式、屏幕式）。

8、测量仪表的质量指标绝对误差、相对误差、基本误差（规定工作条件下，仪表的最大误差与量程之比）。

量程：仪表能够测量的最大输入量与最小输入量间的范围。

（最好使测量值落在仪表量程的三分之二左右）精度：仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差，表征指示值与真值接近的程度。

灵敏度：稳态条件下输出变化对输入变化的比值。

表征仪表对被测参数变化的敏感程度。

分辨率：仪表响应或分辨输入量微小变化的能力。

表征引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。

不灵敏区称为死区。

线性度：传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差对满量程输出的百分比。

表征校准曲线接近规定直线的吻合程度。

重复性：在全量程范围内对应于同一输入值，输出的最大值与最小值之差对量程的百分比。

表征同一条件下，对同一输入值，仪表输出值的一致程度。

9、测量误差：测量所得数据同其真值之差绝对误差、相对误差真值：被测量的真实值（无限次测量时，测量值的平均值机位真值）测量误差的来源：测量装置误差、测量环境误差、测量方法误差、测量人员误差。

测量误差分类：系统误差（测量仪表和方法造成，有规律。

采用一定技术措施可以削弱或消除）、粗大误差（过失误差，操作不当引起误差。

利用来伊特准则剔除，3σ）、随机误差（随机分布，有界性、对称性、抵偿性。

多次测量求平均值可以削弱）。

算数平均值标准误差：有限次测量的算数平均值与实际真值的偏差（μδ=，无限次测量时趋向于0）。

<有限次测量和无限次测量标准差不同的根源> 标准差：无限次σ==σ== 一般函数的误差传递：1212f f dy dx dx x x ∂∂=+∂∂，y σ=（多元函数泰勒展开得到）误差综合：代数合成、绝对值合成、均方根合成。

作业：1、 简述误差分析对指导获得准确数据的作用。

正确认识误差的本质，分析误差产生的原因（从根本上减小和消除误差）、正确组织实验过程，合理设计、选用仪器和测量方法（根据测试目标确定最佳测试系统）、正确处理测量和试验数据，获得有效试验结果（通过计算得到更接近真值的数据）。

2、 推导出商的函数误差传递式。

11122112121211222222222()x x x x x x x x x x x x x x x y y x x x x x x +∆+∆+∆+∆∆∆+∆+∆===++∆+∆3、 谈谈你对无限次测量和有限次测量标准误差公式的理解。

无限次：222221111()2n n n n i i i i i i i i x M x M x nM δ=====-=-+∑∑∑∑ 有限次： 222221111()2n n n n i i i i i i i i x x x n δμμμ=====-=-+∑∑∑∑两者的差距为算数平均值标准误差，无限次测量时，算数平均值误差为0. 动态测量：10、测量系统静态特性指标：基本指标：灵敏度（单位输入的系统响应量大小）、分辨率（单位响应对应的系统输入量）、测量范围（测试系统具备覆盖被测输入量的区间）。

质量指标：线性度（特性曲线或称校准曲线与拟合直线的接近程度）、准确度（线性度、迟滞和重复性之和）、稳定性（不受时间变化影响的能力）。

动态特性：测量系统扥输出对随时间快速变化的输入量的响应特性。

动态测量和数据采集的特点：特别关注时间变量对测量过程及试验数据的影响。

采样定理：根据采样信号复现原有连续信号所必须的最小采样频率应当是2fmax ，其中fmax 是被采集信号频率范围的最高频率。

温度测量1、温度：衡量冷热程度的一种参数（对于平衡系统，温度是描述系统不同自由度之间能量分布的基本物理量）2、温度测量基本依据（热力学第零定律）：如果两个热力系统同时与第三个热力系统达到热平衡，则这两个系统也将彼此热平衡。

3、温标：温度数值的定义和表示方法。

（三要素：固定点、内插仪器、内插方法）4、理想气体温标：在压力一定时，温度每升高一度，一定量气体的体积的增加值是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。

（PV nRT=）（只用一个固定点确定温标，与测温介质无关）<绝对温标>5、热力学温标：在两个温度的热源间工作的可逆热机与热源所交换的热量的比值等于温度之比（1122Q TQ T=）。

6、三种温标换算：T（K）=T（℃）-273.15，T（F）=1.8T（℃）+32。

7、现行国际温标ITS-90内插仪器：0.65K-5.0K（3He和4He蒸气压温度计）、3.0K-24.5561K（3He和4He定容气体温度计）、13.8033K-961.78K（标准铂电阻温度计）、961.78K以上（普朗克辐射定律）。

思考题：1、什么是温标？什么是热力学温标？（见3、5）2、什么时候需要测量热力学温度？8、温度计选择主要考虑因素：覆盖温区（准确度，稳定性）；元件尺寸、保护管；灵敏度、对测量仪表的要求；热响应时间；经济型；可靠性；耐久性。

9、常用温度计：膨胀式温度计（玻璃液体温度计、双金属温度计、气体温度计、蒸气压温度计）、电阻性温度计（铂电阻、铜电阻、热敏电阻）、热电偶、辐射温度计。

10、水银温度计：针对水银受热膨胀的特性利用温泡与毛细管容积之差异，直接观测液柱顶端为止测定温度（化学性能稳定、容易提纯，温区-60℃-500℃，环境污染，有毒）。

（酒精温度计-114-78）11、双金属温度计：两个膨胀系数不同的金属压在一起，制成环形弯曲状或螺旋卷状，一段固定，温度变化时自由端受热膨胀，带动指针旋转。

（与双金属压力计原理基本相同）（简单，方便，便宜，可靠性高，温区-80℃-500℃）12、蒸气压温度计：利用物质液态与气态两相平衡。

13、铂电阻温度计：利用铂丝电阻随温度变化特性，测量电阻计算温度（线性度好，温区宽-260℃-960℃，灵敏度高，机械性能好，容易加工）14、热电偶温度计：两种成分不同的导体或半导体组成闭合回路，当两个节点温度不同时，电路中将产生电流。

（接触电势和温差电势，热电偶主要利用不同种导体的温差电势差异）中间温度定律：热电势只产生于有温度梯度的区间，若同一种材料两端温度相同，不会有电势差。

中间材料定律：如果插入第三种材料，若这种材料两端温度相同，不会产生电势差。

参考温度定律（名字有待商榷）：若将自由端设置与某个恒定的温度下，从自由端用第三种材料链接热电偶，只要测量端处于相同温度，则热电偶所产生的热电势将保持不变。

（测温依据）R型：铂铑-铂（-50-1768）；K型：镍铬-镍硅（-270-1372）；T型：铜-康铜（-270-400）。

15、辐射温度计：依据物体辐射的能量来测定温度（非接触测温、被动测量、快速）。

16、低温正温度系数温度计：标准铂电阻温度计（40K以下灵敏度明显下降，20K 以下电阻很小，温度分辨率低），标准铑铁电阻温度计（铑铁合金的低温电阻反常效应，低温下灵敏度高，稳定性好，液氦到液氢温区。

温度越低，灵敏度越高，25K时灵敏度最低）、T型热电偶。

17、负温度系数电阻温度计：碳电阻温度计（温度分辨率高，易测量；低温段电阻急剧增大，无法测量）、锗电阻温度计（灵敏度高、掺杂浓度决定温区，有效使用温区窄，磁阻影响大）、热敏电阻温度计（金属氧化物，灵敏度高，掺杂参数决定使用温区，有效使用温区窄）、碳玻璃电阻温度计（多空材料渗碳，电导参数可控，温区宽，灵敏度高，稳定性好，磁阻小）、Cernox电阻温度计（金属氧化物薄膜，温区宽，稳定性1mK，灵敏度高、磁阻小）、二极管温度计（正向导通电压与温度有关。

信号大，元件小，互换性好。

10K以下功耗大，自热大）。

思考题：1、选择温度计的主要因素有哪些？（8）2、低温温度测量的特点。

低温条件苛刻（真空的相容性、防热辐射、直读困难）；热容小，传热影响大（要求元件尺寸小，测量功耗小）；温度绝对值小（误差影响大）；常规的电阻、热电偶灵敏度明显下降；缺标准化的产品。

18、常用温度计的温区：标准铂电阻（温区13.8—室温，准确度3mK-10mK）、工业铂电阻（20K-室温，1mK-3mK）、标准铑铁电阻（0.5K-27K，0.1K-1K）、实验室用铑铁电阻（1.5K-室温，0.1K）、二极管（2K-室温0.1K-1K）、Cernox（1K-室温，单支有效温区有限,3mK-10mK）、锗电阻（0.05K-100K，单支温区窄1mK-10mK）、热敏电阻（15K-室温，单支温区窄0.05K-0.2K）、金铁热电偶（2K-室温0.2K-1K）。

19、温度计的安装：打孔埋入式，涂导热油脂，改善传热；表面粘贴；保护管插入式。

（从导热、对流、热辐射三方面考虑，尽量减小温度传感器与待测物体之间的热传递）20、温度计的标定：用已知的标准温度计，在温度均匀的环境中，与被测温度计做比较法测量，给被测温度计赋值。

21、温度测量不确定度来源：温度计分度的不确定度、电测仪表的分辨率准确度、温度计灵敏度与信号电压、读数的发散度、自热影响、其他影响量。

22、磁场中温度测量：影响大的：锗电阻温度计、二极管温度计；居中：铂电阻、铑铁电阻；影响小的：碳玻璃电阻温度计、Cernox电阻温度计；基本没影响：电容温度计、气体温度计。

思考题：1、温度计测量不确定度的来源。

（21）2、低温温度计的选择因素排队（2）3、影响测量准确度的四大影响因素。

数字电压表、恒流源稳定度、恒流源准确度、控温波动。

流量测量1、低温流体测量的特点：测量本身造成的阻力损失需要考虑；低温流体过冷度小，容易产生气蚀；低温流体汽化潜热小，需要注意管道和测量过程中的漏热；低温流体很多时候用于强磁场，注意仪器与磁场的相容性；速度式流量计容易受上游流场扰动的影响，需要导流段。