銅-康銅熱電偶的低溫不均勻性實(shí)驗(yàn)

　　從冰點(diǎn)到液氮溫度的寬低溫區(qū)內(nèi),對隨機(jī)選取的銅－康銅熱電偶進(jìn)行了重復(fù)性精度標(biāo)定.測試結(jié)果表明，多次斷偶重復(fù)焊接行為將產(chǎn)生約Q272mV的標(biāo)準(zhǔn)差.這意味著在液氮條件下，溫度測量過程的最大誤差將達(dá)898℃.所以，對現(xiàn)場、尤其對深冷區(qū)的現(xiàn)場進(jìn)行精確測溫實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的斷偶故障，重新焊接后必須重新標(biāo)定才能繼續(xù)使用.
1引言
　　作為一種結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉，靈敏度、線性度好，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(nóng)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(jié)構(gòu)上的從簡容易導(dǎo)致斷偶故障.假如這類故障發(fā)生在運(yùn)載火箭發(fā)射.爆轟或沖擊壓縮等高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，當(dāng)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(xiàn)場重焊可能會影響測溫的精度.,金屬合金的不均性范圍超過載流子的自由程時(shí),具有實(shí)際意義的宏觀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(jì)算常數(shù).
　　目前尚無關(guān)于低溫區(qū)重焊銅－康銅電偶熱電勢不均勻性的研究結(jié)果發(fā)表.本文通過模擬重復(fù)斷偶.過程的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證銅康銅電偶從零攝氏度至液氮溫度范圍內(nèi)的測量精度，并對誤差的分布區(qū)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.
2實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)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(dǎo)體;σAσB分別為導(dǎo)體A和B的Thamson系數(shù);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(yàn)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(jì)，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)外觀和通斷檢測后,對照標(biāo)準(zhǔn)T分度表標(biāo)定電偶.在標(biāo)定過程中,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容積液氮的專用容器中，按伸入液氮容器的7個(gè)定長讀取不同熱電勢值,直至讀到穩(wěn)定的液氮對應(yīng)值(5.5mV0.3mV).為檢驗(yàn)傳感器的重復(fù)--致性,模擬現(xiàn)場斷偶現(xiàn)象并重新焊接.根據(jù)相同的條件和步驟,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)12次,獲得如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).
 
　　選擇表1中極差較顯著的兩組數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行回歸,分別得到擬合函數(shù)為
 
進(jìn)行比較，見圖1.
 
　　然后，結(jié)合表1數(shù)據(jù)，以樣本總體的分布為理論基礎(chǔ),在95%的概率保證下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),結(jié)果列于表2;同時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)差平均差值法繪制相應(yīng)的散點(diǎn)圖，見圖2
 
 
3分析與結(jié)論
　　由表1可知,在液氮條件下,銅康銅電偶的多次重復(fù)測量數(shù)據(jù)的極差為Q77mV,相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為Q272mV,對應(yīng)于898℃,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了T分度銅康銅熱電偶在.200~40℃范圍內(nèi)的國標(biāo)允差值1℃.而圖1表明,在-20~-180的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)測量溫度誤差呈現(xiàn)中間大,兩頭小”的趨;勢,重復(fù)焊接銅康銅熱電偶數(shù)據(jù)組間的一致性不佳;其中最低溫度附近測量數(shù)據(jù)曲線相交的現(xiàn)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?yàn)楸M管在低溫°下材料的晶格聲子及其散射作用會增強(qiáng)，但相對影響較弱,不至于影響宏觀測量的結(jié)果.從表2的計(jì)算結(jié)果和圖2的曲線不難看出，取置信度為95%時(shí),本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)重復(fù)測量銅康銅熱電偶的離差分布滿足置信區(qū)間上、下限寬度為17.72℃的要求.
　　由于合金電偶絲不均勻結(jié)構(gòu)的先天性缺陷,重復(fù)焊接時(shí)的局部高溫以及助焊劑化學(xué)成分的混入，使得本來就難以量化的沿電偶長度方向的熱電勢更加難以確定.考慮到目前還沒有能對金屬合金熱電，材料不均勻度進(jìn)行理論精確預(yù)測的模型”,我們的測量結(jié)果對低溫工程的現(xiàn)場操作會有一定的參考價(jià)值.
　　綜上所述，從冰點(diǎn)到液氮溫度的較寬溫區(qū)內(nèi)，重復(fù)焊接銅康銅熱電偶測得的結(jié)果一-致性很差,測溫精度不能滿足精確測量的要求.所以，一旦在深冷區(qū)現(xiàn)場的測溫過程中出現(xiàn)斷偶故障,重新焊接后必須重新標(biāo)定才能繼續(xù)使用.