什么是低温测量?第1部分

低温似乎只是有限的兴趣，但它们实际上是许多仪器和其他系统的关键。测量这些超低温度既容易又困难，这取决于温度、材料和质量。

温度是最常用的物理变量，无论是如何评估当地的天气，以管理电子系统的性能。虽然我们日常经验的大部分以0°C（32°F）和+ 100°C（212°F）为中心，但电效应的电子范围-40°C（巧合，也-40°F）至+ 125°C或甚至+ 150°C（257°F / 302°F）。尽管如此，有巨大的兴趣，需要测量核心范围之外的温度，高低方向(图1)。

图1:1990年国际温度表(ITS-90)温度表，显示了固定点、插值温度计类型和使用不同插值方程的范围。（图像：新西兰测量标准实验室）

本文将介绍用于测量低于-40°C的超低温度的传感器，甚至低温温度接近0 k（-273.15°C或-459.67°F），通常称为“绝对零”。它会看看这些超自然甚至低温范围的温度如何。注意，将大量的物质或材料加热到高甚至更高的温度比为凉爽或过脱机更加温和或微小的样品更容易。

问：低温温度是什么意思？

答:虽然没有“官方”定义，但美国国家标准与技术研究所(NIST)认为低温学是指温度低于-180°C (93 K;-292°F)。许多研究人员认为，如果一种气体能在-150°C或以下液化(123 K;-238°F)。度数是温度的增量，指定为温标上两个定义参考点之间距离的固定分数。

问：为什么这个温度？

答：它是一种逻辑分界线，因为所谓的永磁气体的正常沸点（包括氦气，氢气，氖气，氮气，氧气，甚至“正常”空气）低于-180°C，而氟利昂制冷剂，碳氢化合物和其他普通制冷剂的沸点高于-180°C（即其有用的特点之一）。

问:除了在高度专业化或研发应用领域，当大多数传统活动处于-40°C至+125°C的中范围时，我们为什么还要关注这些低温?

答:首先，液化气如氧、氢和氦被用于冷却超导磁体、降低深空天线的低噪声前端放大器(LNAs)的内部噪声、许多专门的科学仪器或液体燃料火箭的动力。其次，在这些温度下进行的研究数量惊人，既有基础物理研究，也有与材料相关的应用(只要去材料研究协会的年会上，你就会看到引人注目的证据)。

问：这仍然仍然从日常工程活动中删除 - 是吗？

答:尽管这似乎仍然是深奥的研究——诚然，它的大部分是——因此与大多数工程无关，科学和工程进步的历史表明，不可能预见这些理论发现将导致什么。毕竟，除了少数原子物理学家，“谁在乎”原子核磁矩的发现呢?然而，这一发现最终成为广泛应用的核磁共振成像系统的基础，尽管物理研究并没有做任何与成像终端应用相关的工作(参考文献1及2)。

问:那么，你如何开始测量这些温度呢?

答:从比较容易的中档开始。大多数一般的应用温度测量都是在水结冰和沸腾(0°C到100°C)之间的相当有限的范围内进行的，尽管肯定有许多情况超出了这两个水平。幸运的是，低成本，易于使用的固态传感器，如可提供的各种范围指定（图2），特别是更广泛的范围。此外，长用过的传感器，例如热电偶，电阻温度检测器（RTD），甚至热敏电阻可以处理更宽的范围，比固态传感器降至约-200°C。

图2：AD593是一种易于使用的精确三端温度传感器IC，其具有高线性度为0.15˚C的最大误差（0˚C至+70˚C），其可提供与-25˚C相当好的性能到+105˚C。（图像：Analog Devices，Inc。）

问：这是否意味着测量到-200°C是“常规？”

A:是的，我也知道。例如，TE Connectivity Measurement Specialties R-10318-69 Type-T热电偶覆盖更宽的-200°C (73 K)到+350°C (623 K)范围。一般来说，为这些测量找到一个传感器不是问题。相反，挑战在于如何准确地应用传感器;不影响被测物品或材料;而探头、其绝缘和连接可以在极端范围内工作(图3)。