Kalibracja termometrów w ekstremalnie niskich temperaturach (od -80 °C do -180 °C)

Precyzyjne pomiary temperatury mają kluczowe znaczenie w wielu gałęziach przemysłu, szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, kriotechnice i badaniach naukowych.

Kalibracja termometrów w ekstremalnie niskich temperaturach, w zakresie od -80 °C do -180 °C, stanowi poważne wyzwanie techniczne. W niniejszym artykule opisano możliwości techniczne kalibracji termometrów w tych ekstremalnie niskich temperaturach.

Procedury kalibracyjne w niskich temperaturach

Łaźnie kalibracyjne

Klasyczna metoda kalibracji termometrów w niskich temperaturach wykorzystuje łaźnie kalibracyjne. Zazwyczaj składają się one z dwóch komór roboczych:

1. Komora medium kalibracyjnego: W tej komorze medium kalibracyjne jest temperowane i cyrkulowane.
2. Komora kalibracyjna: W tej komorze termometr jest kalibrowany.

Najczęściej stosowanym medium kalibracyjnym jest olej silikonowy, który jest używany do temperatur do 250 °C. Do niższych temperatur, do około -80 °C, stosuje się etanol. Niektóre łaźnie kalibracyjne mogą osiągać jeszcze niższe temperatury, ale nakład pracy często nie jest proporcjonalny do korzyści. Łaźnie kalibracyjne są chłodzone za pomocą kompresora. Kompresor ten zawsze pracuje z mocą 100%, a grzałka elektryczna temperuje wbrew tej pełnej mocy chłodniczej. Temperatura kalibracji jest więc osiągana nie przez chłodzenie, lecz przez ogrzewanie wbrew chłodzeniu. Zaletą tej techniki jest możliwość osiągnięcia znacznie wyższej dokładności regulacji, a właściwie stabilności. Wadą tej techniki jest duży nakład pracy, jaki trzeba włożyć, aby osiągnąć stabilną temperaturę.

Osiągalna niepewność pomiaru tych łaźni kalibracyjnych wynosi zazwyczaj od 10 mK do 15 mK.

Blokowe kalibratory temperatury

Blokowe kalibratory temperatury są szeroko stosowane w przemyśle ze względu na łatwość obsługi. Działają one z elementami Peltiera i mogą osiągać temperatury do około -70 °C poniżej temperatury otoczenia. W rezultacie zakres temperatur w obszarze ujemnym jest ograniczony do około -45 °C, gdy są używane w środowiskach laboratoryjnych. Ich niepewność pomiaru wynosi od około 50 mK do 100 mK, co jest wystarczające dla wielu zastosowań przemysłowych. Do użytku w laboratorium kalibracyjnym ta niepewność pomiaru nie jest wystarczająco dokładna.

Kalibratory niskotemperaturowe

Kalibratory niskotemperaturowe są podobne w budowie do zwykłych blokowych kalibratorów temperatury. Nie działają one jednak z elementami Peltiera, lecz wykorzystują silniki Stirlinga do chłodzenia objętości kalibracyjnej. Mogą one osiągać temperatury do -100 °C. Urządzenia te mają tę zaletę, że nie używają cieczy jako medium kalibracyjnego. Są one jednak stosunkowo drogie i mają wysoką niepewność pomiaru wynoszącą około 150 mK.

Kalibracja na sekundarnym punkcie stałym temperatury – azot

Oprócz klasycznych metod kalibracji istnieje możliwość kalibracji termometrów na sekundarnym punkcie stałym temperatury – azocie. Temperatura wrzenia azotu wynosi -196 °C i stanowi dobrze zdefiniowany punkt stały, który można wykorzystać technicznie do kalibracji. Metoda ta ma jednak również pewne wady.

Chociaż kalibracja w temperaturze wrzenia azotu jest technicznie wykonalna i bardzo opłacalna, punkt ten nie jest zdefiniowany w Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 roku (ITS-90). Oznacza to, że kalibracja nie osiąga takiej samej dokładności i międzynarodowego uznania jak kalibracja punktu stałego temperatury zgodnie z ITS-90.

Kolejnym problemem jest ograniczona liczba punktów kalibracyjnych. W przypadku stosowania temperatury wrzenia azotu dostępnych jest zbyt mało punktów kalibracyjnych. Odstęp temperatur od około -80 °C lub -100 °C np. w łaźni kalibracyjnej do temperatury wrzenia azotu do -196 °C jest zbyt duży, aby móc obliczyć precyzyjną charakterystykę termometru. Dokładna i ciągła kalibracja w całym zakresie temperatur nie jest zatem możliwa.

Kalibracja w temperaturze wrzenia azotu nie jest zatem zalecana, chociaż jest technicznie wykonalna.

Kalibracja punktu stałego temperatury zgodnie z ITS-90

Najdokładniejszą metodą kalibracji termometrów jest kalibracja punktu stałego zgodnie z Międzynarodową Skalą Temperatur z 1990 roku (ITS-90). Metoda ta obejmuje następujące punkty stałe temperatury w ujemnym zakresie temperatur:

• Punkt potrójny wody: 0,01 °C
• Punkt potrójny rtęci: -38,8344 °C
• Punkt potrójny argonu: -189,3442 °C

Dodatkowo, temperatura wrzenia azotu przy -196 °C może być używana jako sekundarny punkt stały temperatury. Zgodnie z wytycznymi EURAMET TG 01:2017 można następnie ekstrapolować charakterystykę termometru ITS-90 (funkcję odchylenia) do -196 °C.

Głównym problemem przy kalibracji w ekstremalnie niskich temperaturach w punktach stałych temperatury jest obsługa termometrów. Specjalne gazoszczelne uchwyty i wypełnienia gazem ochronnym są niezbędne do zapewnienia precyzyjnych pomiarów.

Metoda ta obejmuje cały zakres temperatur, ale ma tę wadę, że nie wszystkie termometry nadają się do kalibracji punktu stałego. Prowadzi to do luki w możliwości kalibracji dla określonych zakresów temperatur i typów termometrów. Termometry muszą być konstrukcyjnie przystosowane do kalibracji w punktach stałych temperatury, tzn. muszą mieć minimalną długość i odpowiednią średnicę rury ochronnej.

Ponadto, dużym ograniczeniem jest to, że termometry muszą być wystawione na ekstremalnie niską temperaturę około -189 °C w punkcie potrójnym argonu. Aby było to możliwe, konieczne są pewne konstrukcyjne wymagania dotyczące termometru. Na przykład, w kanale pomiarowym termometru nie może znajdować się powietrze, ponieważ przemiana fazowa tlenu uniemożliwiłaby kalibrację. Fakt ten ogranicza wiele termometrów. Termometr, który może być używany np. tylko do -150 °C, nie może być zatem kalibrowany w punktach stałych temperatury w obszarze ujemnym.

Wyzwanie: Przemiana fazowa powietrza

Centralnym problemem przy kalibracji w ekstremalnie niskich temperaturach jest przemiana fazowa powietrza. W temperaturach poniżej -180 °C składniki powietrza (głównie azot i tlen) zaczynają się skraplać i ostatecznie upłynniać. Prowadzi to do znacznych problemów z pomiarami, ponieważ mieszanina gazów znajduje się w różnych fazach.

Przemiana fazowa powietrza:

1. Punkt rosy: Podczas chłodzenia powietrza najpierw tworzą się kropelki ciekłego tlenu i azotu, przy czym punkt rosy nie jest jednolity, ponieważ jest to mieszanina gazów.
2. Temperatura wrzenia: Dalsze chłodzenie prowadzi do całkowitego upłynnienia składników powietrza, ale o różnym składzie.
3. Kondensacja: Ostatecznie powietrze całkowicie kondensuje się w ciekłą mieszaninę składającą się z 80% azotu i 20% tlenu.

Ta przemiana fazowa może powodować, że termometry, które są przeprowadzane przez ten obszar, dostarczają niewiarygodnych pomiarów, ponieważ podlegają różnym przemianom fazowym.

Rozwiązanie: Gaz ochronny i gazoszczelne uchwyty

Należy zapobiec przemianie fazowej powietrza w termometrze, ponieważ termometr wypełniony powietrzem nie działa w ekstremalnie niskich temperaturach. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest napełnienie termometrów gazem ochronnym:

1. Wypełnienie gazem ochronnym: Używamy gazu ochronnego (np. helu lub argonu) w termometrze, aby zapobiec przemianie fazowej. Hel i argon mają bardzo niskie temperatury wrzenia i pozostają w stanie gazowym w temperaturach kalibracji, co zapewnia stabilność pomiarów.
2. Gazoszczelne uchwyty: Nasze termometry są wyposażone w gazoszczelne uchwyty. Uchwyty te są zaprojektowane tak, aby były całkowicie uszczelnione i utrzymywały gaz ochronny wewnątrz. Zapobiega to przedostawaniu się wilgoci z otoczenia lub powietrza do termometru i wywoływaniu przemiany fazowej.

Kriostat azotowy

Aby wypełnić lukę między klasycznymi metodami kalibracji termometrów a kalibracją punktu stałego temperatury, można zastosować kriostaty azotowe.

System ten wykorzystuje ciekły azot i grzałkę elektryczną do osiągnięcia stabilnych temperatur kalibracji, oferując w ten sposób elastyczne i precyzyjne rozwiązanie do kalibracji w ekstremalnie niskich temperaturach.

Budowa i zasada działania

Kriostat azotowy składa się z następujących elementów:

• Naczynie ze stali nierdzewnej: Spawane gazoszczelnie i umieszczone na cokole, aby mogło być opłukiwane ciekłym azotem.
• Wkładka kalibracyjna z miedzi: Zawiera dwie tuleje termometrowe ze stali nierdzewnej, które są spawane gazoszczelnie.
• Grzałka elektryczna: Do celowego podgrzewania azotu i osiągania stabilnych temperatur kalibracji.
• System próżniowy lub gazu ochronnego: Aby zapobiec przemianie fazowej powietrza i zapewnić stabilną temperaturę kalibracji.

Wytwarzanie próżni lub wypełnianie gazem ochronnym, takim jak argon lub hel, zapobiega wpływowi przemiany fazowej powietrza na kalibrację. Kriostat może osiągać temperatury od -80 °C do -180 °C z niepewnością pomiaru 30 mK.

Ewakuacja kriostatu:

Przemianie fazowej powietrza należy zapobiegać nie tylko w termometrach, ale także w kriostatach. Dlatego kriostat również musi być wypełniony gazem ochronnym.

1. Ewakuacja: Naczynie ze stali nierdzewnej kriostatu jest najpierw ewakuowane w celu usunięcia powietrza.
2. Napełnianie gazem ochronnym: Następnie naczynie jest napełniane gazem ochronnym (np. helem).
3. Uszczelnienie: Termometry są wprowadzane do gazoszczelnych tulei i uszczelniane specjalnymi uszczelkami teflonowymi, aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci.
4. Kalibracja: Termometr jest doprowadzany do żądanej temperatury kalibracji w kriostacie azotowym i kalibrowany.

Praktyczne zastosowanie i integracja

Kriostaty azotowe można zintegrować z istniejącymi urządzeniami kalibracyjnymi. W ten sposób, w połączeniu z kriostatami i łaźniami kalibracyjnymi, termometr, który nie spełnia wymagań kalibracji w punktach stałych temperatury, może być w pełni kalibrowany w ujemnym zakresie temperatur.

Zużycie azotu na pełną kalibrację wynosi około 60 litrów, co wystarcza na tydzień pracy. Początkowy czas chłodzenia kriostatu wynosi około sześciu godzin, a zmiany temperatury trwają do czterech godzin, w zależności od różnicy temperatur.

Przykład kalibracji

Typowy proces kalibracji obejmuje kilka etapów:

1. Początkowe chłodzenie: Kriostat jest napełniany ciekłym azotem i chłodzony do -196 °C.
2. Stabilizacja temperatury: Żądana temperatura kalibracji jest osiągana przez celowe ogrzewanie wbrew temperaturze wrzenia azotu.
3. Kalibracja: Kalibrowany termometr jest wprowadzany do tulei termometrowych, a temperatura jest mierzona i porównywana. Określane są różnice temperatur lub pary wartości, a testowany termometr jest kalibrowany.