焊錫對熱電偶測溫誤差影響分析

摘要:航天器真空熱試驗中為了消除焊錫可能帶來(lái)的溫差熱電勢，文章采用Keithley2750數據測量系統，通過(guò)比較法對焊錫與銅、焊錫與康銅之間的溫差熱電勢進(jìn)行了測試分析。標準熱電偶選擇銅-康銅熱電偶，測試溫度范圍為-195-+75℃.測試時(shí)，熱電偶冷端為冰水混合物，熱端為液氮浸泡過(guò)的不銹鋼圓柱體或熱水瓶。為了確?；芈分械暮更c(diǎn)處于相同的熱環(huán)境條件，可采用多層隔熱組件進(jìn)行包覆，避免接插件直接接觸熱沉。
1引言
       航天器真空熱試驗中大量使用熱電偶進(jìn)行溫度測量，在測量回路中有多處焊點(diǎn)采用焊錫焊接。根據熱電偶中間導體定律，如果焊錫點(diǎn)溫度不--致，就會(huì )帶來(lái)附加熱電勢。本文的目的是研究焊錫_銅和焊錫-康銅在不同溫差下的熱電勢，分析該熱電勢對銅-康銅熱電偶熱電勢的影響程度。
2熱電偶測溫原理及測試
2.1熱電偶基本原理
       如果用A.B兩種不同的金屬構成一閉合電路，并使兩接點(diǎn)處于不同溫度，如圖1所示，則電路中將產(chǎn)生溫差熱電勢(U)，并且有溫差電流流過(guò)，這種現象稱(chēng)為溫差電效應。

       熱電偶的中間導體定律證明，在A(yíng)、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度,這個(gè)閉合電路中的溫差熱電勢總是和只由A、B兩種金屬組成的溫差電偶中的溫差熱電勢-一樣。如果第三種金屬兩端溫度不同，則將產(chǎn)生附加熱電勢,帶來(lái)熱電偶測量誤差。
2.2熱電偶測溫系統原理.
       熱電偶測溫系統原理如圖2所示。測試過(guò)程中通過(guò)測量?jì)x器分別測量通道中1至49針與第50針之間的熱電勢，參考點(diǎn)的溫度通過(guò)鉑電阻測量，經(jīng)過(guò)計算可以得到測點(diǎn)1至49的溫度值。在測量回路中，測量電纜與容器內插頭插針之間、測量電纜與容器穿墻插頭插針之間、熱電偶線(xiàn)與星上插頭插針之間由于材料不同，如果存在溫差都有可能產(chǎn)生溫差熱電勢。本文主要研究熱電偶銅線(xiàn)與焊錫之間、熱電偶康銅線(xiàn)與焊錫之間的溫差熱電勢，即在圖中A、C、D三點(diǎn)可能形成的康銅-焊錫熱電偶及E、F兩點(diǎn)可能形成的銅-焊錫熱電偶溫差熱電勢叼。

2.3熱電偶的定標
       熱電偶定標的方法主要有兩種。
(1)比較法:即用標準熱電偶與被校熱電偶測同-溫度，得到--組數據，由標準熱電偶所測熱電勢對被校熱電偶測得熱電勢進(jìn)行校準。在被校熱電偶的使用范圍內改變不同的溫度、進(jìn)行逐點(diǎn)校準，即可得到被校熱電偶的校準曲線(xiàn)。
(2)固定點(diǎn)法:利用幾種合適的純物質(zhì)在一-定氣壓下(--般是標準大氣壓)，將這些純物質(zhì)的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)溫度作為已知溫度，測出熱電偶在這些溫度下對應的電動(dòng)勢,從而得到熱電勢以及熱電勢與溫度關(guān)系曲線(xiàn)，即校準曲線(xiàn)。
3焊錫附加熱電勢測量方法
       焊錫為錫與其他金屬的合金,熱電偶回路焊接中經(jīng)常用到的焊錫是由錫和鉛兩種金屬按一定比例融合而成的。
       當錫和鉛按比例融合后構成錫鉛合金焊料,此時(shí)其熔點(diǎn)變低,使用方便，并能與大多數金屬結合。焊錫的熔點(diǎn)會(huì )隨著(zhù)錫鉛比例的不同而變化，錫鉛合金的熔點(diǎn)低于任何其他合金的熔點(diǎn)。優(yōu)質(zhì)焊錫的錫鉛比例是按63%的錫和37%的鉛配比的，其熔點(diǎn)為183℃。
       本文采用比較法進(jìn)行銅-焊錫、康銅-焊錫之間熱電勢的測量。選用的標準熱電偶為銅-康銅熱電偶，牌號為06-06-15。焊錫材料為錫鉛合金，直徑為1.05mm,材料的配比為Sn占63%,Pb占37%。
共制作3種熱電偶，分別為銅-康銅、焊錫-康銅、焊錫~銅，每種熱電偶分別制作2支，共6支。銅-康銅熱電偶通過(guò)熔焊制作，未引入焊錫材料;焊錫-康銅熱電偶、焊錫-銅熱電偶直接通過(guò)焊錫焊接。6支熱電偶信號測量端通過(guò)壓接方式接入7702接線(xiàn)盒。
       定標時(shí)把恒溫端浸入冰水共存的保溫杯中，熱端插入變溫體中。高溫端(0℃以上)變溫體為裝有熱水的瓶子，熱水瓶在空氣中自然降溫，得到0℃以上的溫度變化環(huán)境。低溫端(0℃以下)變溫體為采用不銹鋼加工的圓柱體,直徑為100mm,高度為100mm。在圓柱體表面直徑為60mm的圓周上加工6個(gè)直徑6mm、深30mm的沉孔，將6支熱電偶分別放入6個(gè)沉孔中，用導熱硅脂填充。測試時(shí)采用液氮將圓柱體冷透，放在空”(環(huán)境下回溫，從而得到變溫環(huán)境。
       測溫采用Keithley2750數據測量系統凹,系統由2750數字多用表、7702接線(xiàn)盒、E5810網(wǎng)關(guān)、計算機組成，使用專(zhuān)用測量軟件進(jìn)行測量。測量系統精度為士3.5μV,分辨率為士0.1μV,采樣周期為60s。數采系統通過(guò)E5810網(wǎng)關(guān)將GPIB接口轉成LAN接口接入數據采集計算機。測試原理見(jiàn)圖3。

        測試過(guò)程中，始終保持恒溫端處于冰水混合狀態(tài)，則變溫體溫度即為熱電偶的溫差。本文首先進(jìn)行高溫端熱電勢的測試，溫度范圍為7~75℃范圍;其次進(jìn)行低溫端熱電勢的測試，溫度范圍為-195~+10℃。
4結果分析
4.1溫差計算
       熱電偶正負端的溫差是通過(guò)銅-康銅熱電偶測得的。首先，根據牌號為06-06-15銅-康銅熱電偶分度表對溫差-熱電勢進(jìn)行擬合，擬合分3段完成回。擬合公式為

4.2焊錫材料與銅、康銅之間熱電勢分析
       根據公式(1)擬合結果及實(shí)際測量的銅-康銅熱電勢計算得出變溫體溫度，根據此溫度及測得的銅-焊錫、康銅-焊錫熱電勢即可得到銅-焊錫溫差與熱電勢、康銅~焊錫溫差與熱電勢之間的關(guān)系。
       圖4為2支銅-焊錫熱電偶溫差與熱電勢關(guān)系圖，圖5為2支康銅-焊錫、2支銅-康銅共4支熱電偶溫差與熱電勢關(guān)系圖。3種熱電偶熱電勢的算術(shù)平均值與3種熱電偶熱電勢與溫差之間的關(guān)系見(jiàn)圖6。從圖4、圖5可以看出，3種熱電偶測試數據具有較高的一-致性。

       擬合銅-焊錫、康銅-焊錫溫差與熱電勢之間的關(guān)系，得出


內，相同溫差下，?在85%~95%之間，平均值為92%;?在6.2%~7.4%之間，平均值為7.1%。即相同的溫差下，康銅-焊錫之間產(chǎn)生的熱電勢比銅-焊錫之間產(chǎn)生的熱電勢大得多。
5結論
       相同的溫差下，焊錫-康銅之間的熱電勢平均為銅-康銅之間熱電勢的92%，焊錫.銅之間的熱電勢平均為銅-康銅之間的溫差熱電勢的7.1%。
       在熱電偶回路中,應該確保被焊接兩種材料直接接觸，避免虛接或斷開(kāi)而靠焊錫連接。對于焊點(diǎn)處，應避免其周?chē)鸁徇吔绮町惡艽?，如將插頭直接放置在熱沉上等，因為插頭內焊點(diǎn)處于不同的溫度場(chǎng)中會(huì )產(chǎn)生溫差，給測量系統帶來(lái)附加熱電勢。在試驗過(guò)程中，需要將焊點(diǎn)等處用多層隔熱組件包裹，將其懸掛起來(lái)避免直接和熱沉接觸。
       目前正在研究新的熱電偶制作工藝,熱電偶焊點(diǎn)采用壓接技術(shù)而不引入焊錫,這樣就可以徹底避免焊錫所帶來(lái)的附加熱電勢，提高熱電偶的測溫精度。