銅-康銅熱電偶的低溫不均勻性實(shí)驗

　　從冰點(diǎn)到液氮溫度的寬低溫區內,對隨機選取的銅－康銅熱電偶進(jìn)行了重復性精度標定.測試結果表明，多次斷偶重復焊接行為將產(chǎn)生約Q272mV的標準差.這意味著(zhù)在液氮條件下，溫度測量過(guò)程的最大誤差將達898℃.所以，對現場(chǎng)、尤其對深冷區的現場(chǎng)進(jìn)行精確測溫實(shí)驗中出現的斷偶故障，重新焊接后必須重新標定才能繼續使用.
1引言
　　作為一種結構簡(jiǎn)單,成本低廉，靈敏度、線(xiàn)性度好，熱慣性小和使用方便的熱電式溫度傳感器銅－康銅熱電偶在工農業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中被廣泛地使用;對低溫微小空間的溫度測量,非鎧裝(裸絲)電偶更是不二選擇".然而，結構上的從簡(jiǎn)容易導致斷偶故障.假如這類(lèi)故障發(fā)生在運載火箭發(fā)射.爆轟或沖擊壓縮等高成本、高風(fēng)險的實(shí)驗現場(chǎng)，當時(shí)間不允許更換元件時(shí)，就只能即時(shí)重焊后立刻投入使用.考慮到沿電偶軸向熱電動(dòng)勢的不均勻性,我們推測電偶的低溫現場(chǎng)重焊可能會(huì )影響測溫的精度.,金屬合金的不均性范圍超過(guò)載流子的自由程時(shí),具有實(shí)際意義的宏觀(guān)熱電不均性可由方程
 
近似.其中δC(X)是缺陷雜質(zhì)原子等散射中心的含量波動(dòng);A是計算常數.
　　目前尚無(wú)關(guān)于低溫區重焊銅－康銅電偶熱電勢不均勻性的研究結果發(fā)表.本文通過(guò)模擬重復斷偶.過(guò)程的實(shí)驗，驗證銅康銅電偶從零攝氏度至液氮溫度范圍內的測量精度，并對誤差的分布區間進(jìn)行了統計分析.
2實(shí)驗方法及結果
　　低溫~下熱電偶的溫差電勢為
 
　　式中AB分別表示電偶的兩種金屬導體;σAσB分別為導體A和B的Thamson系數;T是參考端溫度，堤測量端溫度.考慮康銅合金材料的軸向不均勻性，即使用同一根電偶，只要軸向長(cháng)度不同，式(2)中的Ex(T)和σ都不同.因此,總溫差電勢EAB(T，T0)必然存在差異.
　　實(shí)驗所用的裝置和材料有直徑φO.3mm的銅康銅絲，自制電弧發(fā)生器，電位差計，自耦變壓器，廣口保溫瓶，液氮容器等.然后,用弧焊法制作雙端銅康銅熱電偶.經(jīng)外觀(guān)和通斷檢測后,對照標準T分度表標定電偶.在標定過(guò)程中,取0℃的冰水.混合物作參考端溫度,將測量端緩慢放入裝有1/3~1/2容積液氮的專(zhuān)用容器中，按伸入液氮容器的7個(gè)定長(cháng)讀取不同熱電勢值,直至讀到穩定的液氮對應值(5.5mV0.3mV).為檢驗傳感器的重復--致性,模擬現場(chǎng)斷偶現象并重新焊接.根據相同的條件和步驟,重復上述實(shí)驗12次,獲得如表1所示的實(shí)驗數據.
 
　　選擇表1中極差較顯著(zhù)的兩組數據用最小二乘法進(jìn)行回歸,分別得到擬合函數為
 
進(jìn)行比較，見(jiàn)圖1.
 
　　然后，結合表1數據，以樣本總體的分布為理論基礎,在95%的概率保證下進(jìn)行統計檢驗,結果列于表2;同時(shí)按標準差平均差值法繪制相應的散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2
 
 
3分析與結論
　　由表1可知,在液氮條件下,銅康銅電偶的多次重復測量數據的極差為Q77mV,相應的標準差為Q272mV,對應于898℃,已經(jīng)遠遠超過(guò)了T分度銅康銅熱電偶在.200~40℃范圍內的國標允差值1℃.而圖1表明,在-20~-180的實(shí)驗范圍內測量溫度誤差呈現中間大,兩頭小”的趨;勢,重復焊接銅康銅熱電偶數據組間的一致性不佳;其中最低溫度附近測量數據曲線(xiàn)相交的現象可能是由于低溫下材料熱電子活動(dòng)趨于--致造成的.這是因為盡管在低溫°下材料的晶格聲子及其散射作用會(huì )增強，但相對影響較弱,不至于影響宏觀(guān)測量的結果.從表2的計算結果和圖2的曲線(xiàn)不難看出，取置信度為95%時(shí),本實(shí)驗范圍內重復測量銅康銅熱電偶的離差分布滿(mǎn)足置信區間上、下限寬度為17.72℃的要求.
　　由于合金電偶絲不均勻結構的先天性缺陷,重復焊接時(shí)的局部高溫以及助焊劑化學(xué)成分的混入，使得本來(lái)就難以量化的沿電偶長(cháng)度方向的熱電勢更加難以確定.考慮到目前還沒(méi)有能對金屬合金熱電，材料不均勻度進(jìn)行理論精確預測的模型”,我們的測量結果對低溫工程的現場(chǎng)操作會(huì )有一定的參考價(jià)值.
　　綜上所述，從冰點(diǎn)到液氮溫度的較寬溫區內，重復焊接銅康銅熱電偶測得的結果一-致性很差,測溫精度不能滿(mǎn)足精確測量的要求.所以，一旦在深冷區現場(chǎng)的測溫過(guò)程中出現斷偶故障,重新焊接后必須重新標定才能繼續使用.