Lämpötilamittausten tarkkuusanalyysi kylmissä olosuhteissa

Abstract

Kylmät olosuhteet, eli tässä tapauksessa alle 10 K lämpötilat, saavutetaan kryostaateiksi kutsuttujen laitteiden avulla. Niiden pääsovelluskohteita ovat fysiikan ja biologian tutkimus sekä teollisuus, ja joka tapauksessa lämpötilamittauksen tarkkuus on ensisijaisen tärkeää. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan lämpötilamittausta 0–10 K lämpötiloissa ja Bluefors Oy:n uuden tuotteen, lämpötilasäätäjän, tarkkuutta. Tavoitteena on selvittää, miten resistanssikompensaatioksi kutsuttu menetelmä vaikuttaa lämpötilasäätäjän mittaustuloksiin, sekä tutustua kryotekniikan nykytilanteeseen kirjallisuuskatsauksen keinoin. Työ voidaan jakaa kahteen osaan. Kirjallisuuskatsausosiossa perehdytään kryostaatteihin, erityisesti jatkuvaa jäähdytystehoa antaviin laimennusjäähdyttimiin, joita Bluefors valmistaa. Lisäksi käydään läpi laajasti erilaisia kylmien olosuhteiden lämpömittareita, joista keskeisimpiä ovat resistanssilämpömittarit. Ne perustuvat resistiivisyyden lämpötilariippuvuuteen, jonka voimakkuutta kuvaa resistiivisyyden lämpötilakerroin. Sen yksikkö on ppm/K (engl. parts per million/Kelvin). Kylmien olosuhteiden lämpötilanmittauksen virhelähteistä merkittävin on se, että lämpömittari ja mitattava kohde eivät ole samassa lämpötilassa. Toinen osio liittyy Blueforsin lämpötilasäätäjään ja sen tarkkuuden parantamiseen resistanssikompensaatioksi kutsutulla menetelmällä, jota ei ollut aiemmin testattu kyseisellä laitteella. Lämpötilasäätäjä on useiden lämpötila-anturien hallitsemiseen tarkoitettu laite, joka toimii kryostaatin yhteydessä. Resistanssikompensaation ideana on käyttää vertailuvastuksia minimoimaan ympäristön lämpötilanmuutosten vaikutus lämpötilasäätäjän mittaustuloksiin. Resistanssikompensaation tutkimiseksi tehtiin kvantitatiivisia mittauksia, joissa lämpötilasäätäjiä altistettiin 10–40 ◦C lämpötilanmuutoksille. Tutkimuskysymykset olivat, kuinka paljon ja millä mittausasetuksilla lämpötilasäätäjän lämpötilakertoimeen voidaan vaikuttaa ja miten tämä vaikutus suhtautuu varsinaisten lämpömittarien virheprosenttiin. Kolmesta lämpötilasäätäjästä ja eristetystä lämpökaapista kerätystä datasta laskettiin resistiivisyyden lämpötilakertoimia. Ilman resistanssikompensaatiota resistiivisyyden lämpötilakertoimet olivat keskimäärin -60,2 ppm/K. Resistanssikompensaatiolla lämpötilakertoimet olivat yli -25 ppm/K, mikä oli hyvä tulos. Kuitenkin erillisten lämpötila-anturien, joita lämpötilasäätäjään voidaan kytkeä, virhe peittää resistanssikompensaation aiheuttaman parannuksen. Tulosten perusteella on mahdollista kehittää algoritmi, joka toteuttaa resistanssikompensaatiota automaattisesti, vain resistanssia mittaaville käyttäjille. Mittaukset tuottivat paljon uutta tietoa lämpötilasäätäjän käytöksestä muuttuvissa lämpötilaolosuhteissa sekä mittausasetusten vaikutuksesta resistanssikompensaatioon.