接觸長(cháng)度對鎳鉻一金鐵熱電偶測溫精度影響

摘要:為了提高熱電偶在低溫下的測量精度,基于傅里葉導熱定律建立了測溫誤差的分析模型,分析了影響測溫精度的主要因素,對熱電偶與被測對象不同接觸情況下鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢進(jìn)行了測量和研究。研究結果表明:溫度越低,測量誤差越大;增加接觸長(cháng)度,可減小誤差。
1引言
　　在低溫工程的應用中,常常會(huì )涉及到對溫度的精確測量，熱電偶由于時(shí)間常數小，不存在電流的自加熱等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應用于低溫測量中。在使用熱電偶測溫的低溫實(shí)驗中,產(chǎn)生溫度測量誤差的因素主要有接觸誤差、引線(xiàn)導熱引起的誤差、參考端溫度誤差、補償導線(xiàn)誤差和干擾誤差等。實(shí)驗中經(jīng)常會(huì )遇到以下情況:采用同一對熱電偶在常壓下測溫誤差相對較小，但是在低溫高真空環(huán)境中,尤其在使用GM制冷.機直接冷卻實(shí)驗中,有時(shí)熱電偶測溫誤差會(huì )達到6%以上,嚴重影響測量結果的準確性。
　　熱電偶的測溫誤差進(jìn)行了分析,但是對于高真空低溫環(huán)境下,接觸問(wèn)題造成的誤差報道較少。為此,建立了一套溫度測量系統,對鎳鉻-金鐵熱電偶在真空和
　　低溫下的熱電勢進(jìn)行了測量,對不同接觸條件下熱電偶測溫的準確性進(jìn)行了分析,探討了高真空低溫條件下提高熱電偶測溫精度的方法和措施。
2理論分析
2.1理論模型的建立與求解
　　在使用低溫熱電偶測溫實(shí)驗中,為了改善熱接觸,一般在測量端涂.上粘接物真空脂或低溫膠),如圖1所示。圖中所示的熱電偶，由電極1和2組成，在x=0處相接。假設熱電極與溫度為T(mén)的物體有2M(-M-+M)長(cháng)-段線(xiàn)接觸,在點(diǎn)x=0處,y方向.的溫差為△T0,即熱電偶測得溫度與被測物體實(shí)際溫度差值為△T0;在x=±M處,y方向溫差分別為△T1、△T2。在低溫情況下,假設所有的條件都是均等的，則有△T1=△T2,在電極點(diǎn)接觸情況下,溫差△T與線(xiàn)接觸時(shí)x=±M處差值相同,即△T=△T1=△T2。
 
　　在低溫:測量時(shí),因為被測物的溫度T低于參考端冰水混合物的溫度T0,即T<Tn,所以,在接點(diǎn)x處,溫度為T(mén)(x)的熱電極與被測物之間的溫差將是:
△T(x)=T0-T(x)(1)
　　而電極中的熱流,在-M<x<+M區間,由式2)給出:
 
　　式中:T為溫度,K;Qw(x)為電極中的熱流,W;Kw為電極的熱導率,W/(m·K);A為電極的橫截面積cm²。
　　熱流流經(jīng)粘接物處會(huì )有一部分熱流損失,這部分熱流通過(guò)粘結物沿y方向傳導至被測物體。如圖2,取微元x--x+dx,此時(shí),y方向溫差為△T(x),x方向熱流為Qw(x),y方向損失的熱流為dQ.(x)。因此，在x-x+dx處,熱量損失隨x的的變化率為:
 
2.2鎳鉻-金鐵熱電偶測溫誤差的數值計算
　　設鎳鉻-金鐵熱電偶電極直徑φ=0.1mm,則橫截面積A=7.85x10^-3mm²。在20--77K時(shí),金鐵和鎳鉻兩個(gè)電極的熱導率幾乎-樣,Kw=0.2T(W/cm·K),如果粘結物為低溫脂,其熱導率為KB=1.8x10^-4T(W/cm·K)。若低溫脂的厚度t=0.1mm,寬度n=0.2mm,則根據特征長(cháng)度的定義得L=2mm。。由式(9)可知當0<M<10mm時(shí),△T0/△T1值如圖3所示。
 
　　由圖中差值可以得出,當M=4mm時(shí)，△T0/△T1=0.266;而當M=8mm時(shí)，△T0/△T1=0.036。
　　由此表明,隨著(zhù)M的增加，線(xiàn)接觸情況下的測溫誤差與點(diǎn)接觸時(shí)誤差之比迅速減小,當M為8mm時(shí),線(xiàn)接觸只有點(diǎn)接觸時(shí)的3.6%。
3實(shí)驗驗證
3.1實(shí)驗裝置
　　采用鎳鉻-金鐵熱電偶在不同接觸情況下對樣品超導磁餅)的溫度進(jìn)行測量,以經(jīng)過(guò)標定的二極管測溫數據作為標準,觀(guān)測熱電偶測溫的熱電勢隨溫度和接觸長(cháng)度變化的規律。實(shí)驗儀器設備如圖4、5所示,主要包括真空系統、低溫系統,控溫系統以及數據采集系統。真空和低溫系統提供測試所需要的真空和低溫環(huán)境,主要包括GM制冷機、真空泵、杜瓦,防輻射屏等;冷頭和樣品的溫度由Lakeshore溫控儀進(jìn)行調節;數據采集系統主要包括KEITHLEY2700數據采集儀等。
一、二級防輻射屏分別與-一、二級冷頭相連,以減少輻射漏熱對測溫的影響。用低溫導熱膠將直徑0.1mm的鎳鉻-金鐵熱電偶粘在二級冷頭表面,樣品.上覆蓋錫箔紙減少輻射漏熱。通過(guò)航空插座導出熱電偶引線(xiàn),與KEITHLEY2700數據采集儀相連以采集測得的電勢值。
 
3.2實(shí)驗過(guò)程
3.2.1電極點(diǎn)接觸測溫
(1)首先在制冷機二級冷頭上安裝熱電偶,在電.極點(diǎn)涂抹低溫膠粘接于被測樣品上,覆蓋錫箔紙,安裝硅二極管溫度計,隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)開(kāi)啟真空泵抽真空至真空度達到10-'Pa以上;
(3)開(kāi)啟制冷機降溫,經(jīng)過(guò)2小時(shí),二級冷頭溫度從室溫下降至15K左右,開(kāi)始控溫并保持溫度場(chǎng)穩定,溫度達到穩定后,記錄鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢值;
(4)改變控溫儀的控溫參數,測量不同溫度下熱.電偶的熱電勢值。
3.2.2電極線(xiàn)接觸測溫
4)改變熱電偶接觸方式,將低溫導熱膠沿引線(xiàn)與樣品粘貼8mm左右,緊密固定，覆蓋錫箔紙，安裝二極管溫度計,隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)重復3.2.1中步驟(2)(3)(4),測得接觸長(cháng)度為8mm時(shí)鎳鉻金鐵熱電偶在不同溫度下的熱電勢值。
3.3實(shí)驗結果及分析
　　鎳鉻金鐵熱電偶不同接觸情況下熱電勢測量結果見(jiàn)圖6.7。
 
將圖6測量結果結合參考文獻1041]分析:
(1)77K以上時(shí),熱電勢測量誤差不大,且線(xiàn)性.度都比較好。.
(2)77K以下時(shí),電極點(diǎn)接觸情況下,熱電勢測量誤差相對較大;有8mm線(xiàn)接觸情況,誤差相對較小。
(3)在20K時(shí),電極點(diǎn)接觸情況下,熱電勢測量誤差達到6.8%,線(xiàn)性度較差;接觸長(cháng)度為8mm時(shí)，誤差只有0.96%,且保持較好的線(xiàn)性度。
由圖7可以看出:
(1)77K以上時(shí),靈敏度較好,在18μV/K)以上。
(2)77K以下時(shí),電極點(diǎn)接觸的情況下,靈敏度低;在8mm線(xiàn)接觸情況下,靈敏度較好。
(3)20K時(shí)，電極點(diǎn)接觸情況下，只有13μV/K)左右;在8mm線(xiàn)接觸情況下,靈敏度在16μV/K)以上。
　　由以上結果可以看出,溫度在77K以上時(shí),電極熱導率較大,熱傳導效果較好,測溫誤差相對較小,靈敏度也較高;在77K以下時(shí),測溫誤差相對較大,靈敏度下降很快,但在有8mm線(xiàn)接觸情況下,測溫誤差相對較小，靈敏度也較高;在20K時(shí),熱電勢測量誤差比只有電極點(diǎn)接觸時(shí)減小了85.3%。
4結論
　　通過(guò)對熱電偶測溫誤差模型的數值計算,分析了低溫下熱電偶測溫誤差的影響因素,并在此基礎上。對不同接觸情況下的鎳鉻金鐵熱電偶熱電勢與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了測量與分析。理論和實(shí)驗研究表明:熱電偶測溫線(xiàn)接觸比點(diǎn)接觸誤差相對較小,靈敏度高。因此，在低溫測量中,要使測得的溫度真實(shí)反映出被測物體的溫度,提高測溫精度,關(guān)鍵是使熱電偶與被測物體有良好的熱接觸,并且接觸長(cháng)度應有一一定值,該分析結論也可用于其它類(lèi)型的低溫熱電偶測溫系統中。