仪器信息网APP
选仪器、听讲座、看资讯

超越常规的电阻测量:一老旧氦液面计修复心得

物性测试综合讨论

  • 上周同事在维护PPMS时发现仪器自带的氦液面计可能不准,找一台旧的氦液面计发现不能用,只有电源指示灯亮,而液面指示灯始终不亮,让我帮忙处理一下。

    氦液面计是指示盛放液氦的容器内液氦容量的仪器,氦液面计对于超低温试验之所以非常重要,一是因为低温液体的深低温特性与高膨胀率带来的潜在危险性,我曾听说因液氦罐倾倒导致严重事故;二是因为测量不准有可能殃及其他低温设备如导致超导磁体失超损坏;三是因为氦气属于我国稀缺的战略资源非常昂贵,需要尽可能多的回收利用。

    我见过的氦液面计有三种:一是振动膜型,几年前我留德时用的最频繁,其原理是靠近液面时用因微细室温气流导致的氦液面失稳而产生剧烈的振动,但只有在液面附近才有反应,而液面以上及以下无明显响应,对使用者经验要求甚高;第二种是精密电阻式,使用超导线在液面以上与液面以下的电阻比例不同对总电阻的影响而设计,直接显示液面位置,需要精密的低电阻测量仪表;第三种是粗略电阻式,只在探头底部缠绕超导电阻线圈,通过探头底部在液面上下的超导电阻存在与否判断探头底部在液面以上或液面以下,它相对第一种判断更简单,但又不像第二种对硬件要求那么高,就是本文讨论的这种,图片如下。



    话说回来,待修复的氦液面计的问题是液面指示灯不亮,一方面是可能因为探头有毛病,另一个就是指示器故障,由于知道其原理,我就拿万用表试试其电阻,但是万用表显示从探头从底部一直提出来均没有明显变化,而拿另一个从外单位借来的好用的指示器显示正常,反复交替实验结果均相同,即万用表读数没有明显变化,始终在9欧附近,而指示器能探测到变化,为什么呢??

    这个问题姑且不表,因为现在可确定探头没有问题,而指示器肯定有毛病,好在有一台好用的指示器在手,对照着打开指示器,分析其电路结构,只是一个简单的电阻测量和比较显示电路,如下图:



    通过不长时间的对照排查,最终将问题锁定在电位器上,正常指示器的电位器的工作电阻为40欧,而故障指示器为90欧!于是将故障电位器电阻调节到40欧附近,如下图所示,然后装机调试,修复完成。



    指示器可以正常工作了,当天就向同事交了差。

    但我心中的问题并没有O,即:为什么万用表读数在氦液面探头离开液面时没有明显变化,而指示器能探测到变化,二者之间的差异是什么?

    带着这个问题,我使用一个电位器作为负载对万用表和指示器的输入输出特性进行了对照测试,得到的结果让我一下子豁然开朗:在氦液面探头工作范围内,9欧-40欧,万用表的输出电流约为0.4 mA,而指示器的输出电流则为40 mA,为万用表的100倍!

    测量电流是万用表不能成为氦液面指示器的关键因素,因为其电流太小,几乎不加热电阻,从而不能让探头在离开液面时迅速从超导态回复到正常态,而指示器专用表可以让其迅速升温至超导电阻以上而带来电阻的明显差异,而此时换成万用表测量,电阻丝在低温氦气环境下由于失去热源又迅速降温成为超导体,所以交替测量也不能看到电阻的明显差异。

    因此,对于特殊电阻如超导体的电阻测量,测量电流的选择是非常有学问和讲究的,既不能太小而使其对温度的灵敏度下降,又不能太高而让其超过临界电流而失去其灵敏度。本帖的主要目的是作为几年前的一个原创帖“【原创】电阻测量的光与影::Resistance measurement--light and shadow”的补充,兼谈电流参数的调节与选择是电阻测量中超越常规万用表电阻测量的又一关要素。
  • 该帖子已被管理者-设置为精华,下面是奖励记录:
    +关注 私聊
  • tutm

    第1楼2013/03/31

    呵呵,好聪明的大陆先生。妙就妙在搞清了它的基本设计原理。

    有个进一步的问题:算下来那探头的热功率有0.0144W,算他100秒1.5J,1小时54J,长时间插在里面好像也会消耗宝贵的液氦,是不是平时不要放在里面啊?

0
    +关注 私聊
  • 祥子

    第2楼2013/03/31

    根据大陆说的 在 吉时利的低电平测量手册上 找到的





0
  • 该帖子已被版主-秋月芙蓉加3积分,加2经验;加分理由:资料
    +关注 私聊
  • 大陆

    第3楼2013/03/31

    第一、第三类指示器就测量的时候放进去一会(常规测量一般就几十秒的时间),不测的时候拿出来盖上容器。

    第二类指示器我猜测是使用脉冲电流测量(占空比在百分之一以下)以尽可能减少发热。

    tutm(tutm) 发表:呵呵,好聪明的大陆先生。妙就妙在搞清了它的基本设计原理。

    有个进一步的问题:算下来那探头的热功率有0.0144W,算他100秒1.5J,1小时54J,长时间插在里面好像也会消耗宝贵的液氦,是不是平时不要放在里面啊?

0
    +关注 私聊
  • 大陆

    第4楼2013/03/31

    嗯,温度、磁场、电流都有可能将超导态Kill掉,不过失超还分可恢复与不可恢复两种,只有特别极端条件下才是不可恢复的损伤。

    祥子(nemoium) 发表:根据大陆说的 在 吉时利的低电平测量手册上 找到的



0
  • 该帖子已被管理者-设置为精华,下面是奖励记录:加15积分,加5声望
    +关注 私聊
  • tutm

    第5楼2013/03/31

    有道理,明白了

    大陆(handsomeland) 发表:第一、第三类指示器就测量的时候放进去一会(常规测量一般就几十秒的时间),不测的时候拿出来盖上容器。

    第二类指示器我猜测是使用脉冲电流测量(占空比在百分之一以下)以尽可能减少发热。

0
    +关注 私聊
  • 夕阳

    第6楼2013/03/31

    应助达人

    【带着这个问题,我使用一个电位器作为负载对万用表和指示器的输入输出特性进行了对照测试,得到的结果让我一下子豁然开朗:在氦液面探头工作范围内,9欧-40欧,万用表的输出电流约为0.4 mA,而指示器的输出电流则为40 mA,为万用表的100倍!

    测量电流是万用表不能成为氦液面指示器的关键因素,因为其电流太小,几乎不加热电阻,从而不能让探头在离开液面时迅速从超导态回复到正常态,而指示器专用表可以让其迅速升温至超导电阻以上而带来电阻的明显差异,而此时换成万用表测量,电阻丝在低温氦气环境下由于失去热源又迅速降温成为超导体,所以交替测量也不能看到电阻的明显差异。】

    首先祝贺大陆由去年的修复万用表到今年的修复温度指示器,不愧为多面手的博士。不过上述两段描述我反复看了几遍,没太看懂。不知能否详述一下可否?

0
    +关注 私聊
  • 大陆

    第7楼2013/03/31

    电阻测量归根结底是电压与电流的测量,通常欧姆定律保证电压与电流是理想的线性关系,电流增加时电压会线性增加,所以改变测量电流的大小或方向不会影响电阻测量结果,但对于非线性电阻,比如PN结、超导电阻,测量电压与测量电流之间的关系很大程度上偏离线性,测量电流的大小或方向的改变会彻底偏离”欧姆电压“而带来电阻的明显差异。

    在万用表测量电阻时,您用另一个万用表量其两端电压可以获得测电阻万用表此时的加载电压及加载电流,其电流一般非常微弱,而且大小不可调节,所以只能定性测量线性欧姆电阻,而不能用来测量非线性电阻。

    夕阳(anping) 发表:首先祝贺大陆由去年的修复万用表到今年的修复温度指示器,不愧为多面手的博士。不过上述两段描述我反复看了几遍,没太看懂。不知能否详述一下可否?

0
    +关注 私聊
  • 祥子

    第8楼2013/03/31

    呵呵 ,这是大陆的业余爱好呀。

    夕阳(anping) 发表:【带着这个问题,我使用一个电位器作为负载对万用表和指示器的输入输出特性进行了对照测试,得到的结果让我一下子豁然开朗:在氦液面探头工作范围内,9欧-40欧,万用表的输出电流约为0.4 mA,而指示器的输出电流则为40 mA,为万用表的100倍!

    测量电流是万用表不能成为氦液面指示器的关键因素,因为其电流太小,几乎不加热电阻,从而不能让探头在离开液面时迅速从超导态回复到正常态,而指示器专用表可以让其迅速升温至超导电阻以上而带来电阻的明显差异,而此时换成万用表测量,电阻丝在低温氦气环境下由于失去热源又迅速降温成为超导体,所以交替测量也不能看到电阻的明显差异。】

    首先祝贺大陆由去年的修复万用表到今年的修复温度指示器,不愧为多面手的博士。不过上述两段描述我反复看了几遍,没太看懂。不知能否详述一下可否?

0
    +关注 私聊
  • 祥子

    第9楼2013/03/31

    小东西 蕴含 大道理啊。

0
    +关注 私聊
  • tutm

    第10楼2013/04/01

    安老师这一疑问,我估计大陆7楼的解释不一定对上路子。

    其实,我理解这个要点是:

    这个探测器是靠浸入液氦后会冷却到-270度,这时电阻变小为9欧;露出液氦表面后,依赖那个40mA电流加热,温度会立刻上升(具体多少不清楚),其电阻会马上变为40欧。这样,通过电阻的变化就能探测到液面了。大陆开始用万用表,电流只有0.4mA,当探测器提出液面后,这点电流不足以马上加热探测器里的电阻元件,其电阻值仍然很低,因此仪器就没反应了。我这样的解释不知是否完全符合大陆的原意。

    夕阳(anping) 发表:【带着这个问题,我使用一个电位器作为负载对万用表和指示器的输入输出特性进行了对照测试,得到的结果让我一下子豁然开朗:在氦液面探头工作范围内,9欧-40欧,万用表的输出电流约为0.4 mA,而指示器的输出电流则为40 mA,为万用表的100倍!

    测量电流是万用表不能成为氦液面指示器的关键因素,因为其电流太小,几乎不加热电阻,从而不能让探头在离开液面时迅速从超导态回复到正常态,而指示器专用表可以让其迅速升温至超导电阻以上而带来电阻的明显差异,而此时换成万用表测量,电阻丝在低温氦气环境下由于失去热源又迅速降温成为超导体,所以交替测量也不能看到电阻的明显差异。】

    首先祝贺大陆由去年的修复万用表到今年的修复温度指示器,不愧为多面手的博士。不过上述两段描述我反复看了几遍,没太看懂。不知能否详述一下可否?

0
查看更多
猜你喜欢最新推荐热门推荐更多推荐
举报帖子

执行举报

点赞用户
好友列表
加载中...
正在为您切换请稍后...