常溫下測(cè)定熱電偶穩(wěn)定性方法

摘要:幾何量測(cè)量中溫度是影響測(cè)量精度的重要誤差源。為此,依據(jù)熱電偶的熱電特性,提出一種考查熱電偶在常溫下使用的短期穩(wěn)定性的新方法,銅-康銅熱電偶常溫條件下的短期穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)常溫下銅-康銅熱電偶8小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)材料熱電特性能夠穩(wěn)定在1.5mK的范圍內(nèi),這為常溫下采用銅-康銅熱電偶實(shí)現(xiàn)精度高溫度測(cè)量提供了依據(jù)。
1.引言
　　熱電偶作為熱電測(cè)溫中普遍使用的一-種感溫元件,被廣泛應(yīng)用于溫差大精度不高的溫度測(cè)量。由于熱電偶材料本身的機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)成分等的不穩(wěn)定導(dǎo)致熱電偶個(gè)體差異較大,穩(wěn)定性較差”。目前，在國(guó)內(nèi)外很少在窄溫區(qū)使用熱電偶進(jìn)行精度高溫度測(cè)量。對(duì)熱電偶的主要集中于較大溫區(qū)的穩(wěn)定性以及其它各項(xiàng)性能。熱電偶的感溫性能易受到外界環(huán)境的影響,如高溫氧化玷污腐蝕、形變應(yīng)力等。
熱電偶穩(wěn)定性、特別是短期穩(wěn)定性在不同溫區(qū)、不同環(huán)境差異性很大。
　　隨著科技的飛速發(fā)展,在一些特殊科研和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境的溫度測(cè)量和控制有更精度高的要求。在計(jì)量及其它精度高測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域中,需要實(shí)現(xiàn)極窄溫區(qū)、精度高多點(diǎn)測(cè)溫。由于熱電偶具有測(cè)點(diǎn)小、布線方便、時(shí)間響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),如果能提高它的穩(wěn)定性,它將是首選的測(cè)溫元件。
　　考察熱電偶穩(wěn)定性的基本方法是在鋅、鋁、銀、銅等金屬凝固點(diǎn)上測(cè)量其熱電勢(shì)的變化,即在一定的氣壓下(一般是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)將這些純金屬的沸點(diǎn)或熔點(diǎn)溫度作為已知溫度,測(cè)出熱電偶在這些溫度對(duì)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定性。目前,精度最高的貴金屬熱電偶在測(cè)量溫區(qū)范圍的穩(wěn)定性可以達(dá)到4~17mK。金屬凝固點(diǎn)溫度較高,熱電偶材料純度不夠且高溫電極晶粒變大是熱電不穩(wěn)定的主要原因,因而這類方法測(cè)定的穩(wěn)定性、重復(fù)性不同于常溫幾度范圍的熱電偶的穩(wěn)定性。為滿足幾何量測(cè)量中需在20C土1.5C的環(huán)境溫度下測(cè)量溫度,給出了一種測(cè)定常溫?zé)犭娕挤€(wěn)定性的新方法。
2基本原理
　　由于受到環(huán)境、使用溫度、保護(hù)管玷污等因素的影響,熱電偶在使用一段時(shí)間后它的熱電特性會(huì)發(fā)生變化。在潔凈實(shí)驗(yàn)室、標(biāo)準(zhǔn)溫度20C附近的小溫區(qū)內(nèi),熱電偶的穩(wěn)定性必然與高溫測(cè)量不同。依據(jù)熱電效應(yīng),熱電偶吸收外界熱量轉(zhuǎn)化為塞貝克電勢(shì),它分為湯姆遜溫差電勢(shì)和珀耳帖接觸電勢(shì)2。對(duì)于由均勻?qū)wA,B組成的熱電偶回路,其中湯姆遜溫差電勢(shì)為:
 
　　式(4)表明熱電偶兩極A、B材料相同或者兩極A、B溫度相同,回路的熱電勢(shì)均為零[3]。因此,熱電偶產(chǎn)生電勢(shì)必須具備兩個(gè)條件:熱電偶有兩種不同材料組成;熱電偶兩端必須具有不同溫度。
　　考察熱電偶穩(wěn)定性熱電偶必需存在溫差。在常溫下幾度范圍內(nèi)沒有金屬凝固點(diǎn),用固定點(diǎn)測(cè)定穩(wěn)定性方法不可行。在幾百攝氏度的溫差范圍,熱電偶熱電特性穩(wěn)定在4~70mK范圍內(nèi)。顯而易見，對(duì)于普通熱電偶在20C的環(huán)境溫度下溫差在5℃范圍內(nèi)熱電穩(wěn)定性能更接近其在0.0005℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性,而不會(huì)接近溫差為幾百攝氏度的穩(wěn)定程度。以銅康銅熱電偶為例,1mK溫度產(chǎn)生熱電勢(shì)約40nV,略大于在實(shí)際測(cè)量使用中的精度高納伏表的精度。在目前的實(shí)驗(yàn)條件下,將熱電偶在溫差接近零的穩(wěn)定性代替溫差5℃的穩(wěn)定性是合理可行的。要獲得更高的測(cè)量精度,一方面受到環(huán)境條件和儀表系統(tǒng)的精度制約;另一方面在5℃甚至更大溫差范圍內(nèi)在理論上材料對(duì)穩(wěn)定性的影響基本相同。依據(jù)這兩條理由,可由測(cè)定熱電偶在溫差接近零的穩(wěn)定性,近似得到常溫下小溫差的穩(wěn)定性,為熱電偶在窄小溫差范圍實(shí)現(xiàn)不確定度為3~5mK的溫度測(cè)量提供一種新方法。
3穩(wěn)定性測(cè)量
　　測(cè)量裝置如圖1所示。控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使熱電偶的測(cè)量端和參考端溫度接近相同,使符合熱電偶測(cè)溫條件。
 
　　選取5只長(zhǎng)1m直徑φ0.5mm的銅-康銅材料制成的熱電偶,分別將它們兩端絕緣、靠緊、置于長(zhǎng)30cm甘油浸沒的玻璃細(xì)管中,采用抗干擾導(dǎo)線將兩端分別接人掃描開關(guān)和納伏計(jì),環(huán)境溫度變化控制在17~23℃范圍內(nèi),由計(jì)算機(jī)控制、定時(shí)循環(huán)采集5個(gè)通道的熱電勢(shì)。測(cè)量時(shí)6路中選1路短接,測(cè)量該通道的零位及其漂移,將其它各路輸人信號(hào)減去該短路通道測(cè)得噪聲作為實(shí)際的熱電勢(shì)。
　　確保熱電偶兩端相互絕緣,盡量使兩端靠緊,兩端越近溫度差越小。實(shí)際上房間溫場(chǎng)梯度已經(jīng)很小,在某一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)溫場(chǎng)梯度會(huì)更小。在這小區(qū)域內(nèi)將各試管集中放置,每只試管內(nèi)又裝有液體甘油,這樣實(shí)際上可以認(rèn)為每只熱電偶兩端點(diǎn)的溫差極小。
設(shè)某時(shí)刻某通道的測(cè)量值為:
　　其中,Yi為i通道直接測(cè)量值,Xi為i通道實(shí)際的熱電勢(shì),Ni為i通道噪聲。通道噪聲包括掃描開關(guān)的寄生電勢(shì)Ni1和納伏計(jì)的動(dòng)態(tài)噪聲Ni2。某時(shí)刻各通道動(dòng)態(tài)噪聲ND基本相同,即有Ni2=Ni2=ND,j為不同于i的另一通道;各通道寄生電勢(shì)不同但數(shù)值恒定,短接任意測(cè)量通道有:
Yi=Ni=Ni1+Ni2=Ni1+ND(6)
　　設(shè)短接通道為第6通道,X6=0,即有
Y6=N6=N61+N62=N61+Nd(7)
　　短接的第i通道的測(cè)量值減去短接的第6通道的測(cè)量值:
Yi-Y6=Ni-N6=Ni1-N61(8)
　　得到:Ni=(Ni1-N61)+N6(9)
　　由式(5)和(9)得i通道實(shí)際熱電偶的熱電勢(shì):
Xi=Yi-Ni=Yi-(Ni1-N61)-N6(10)
　　因此,先短接所有通道得到各通道的寄生電勢(shì)N;包括N61,由式(8)得到寄生電勢(shì)差(Ni1-N61);測(cè)量時(shí)加上始終短接的第6通道的噪聲測(cè)量數(shù)據(jù),相當(dāng).于第i通道的系統(tǒng)噪聲。Yi減去系統(tǒng)噪聲得到實(shí)際熱電偶的熱電勢(shì),即為待測(cè)熱電偶穩(wěn)定性的數(shù)值。計(jì)算機(jī)定時(shí)循環(huán)采集測(cè)量數(shù)據(jù),隔2分鐘掃描各通道一次并自動(dòng)記錄,先在8小時(shí)內(nèi)短接所有通道,短接后各通道標(biāo)準(zhǔn)差小于15nV。再進(jìn)行8小時(shí)重復(fù)性和穩(wěn)定性考察,測(cè)量得到熱電勢(shì),熱電偶穩(wěn)定性測(cè)量的原始數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。
 
　　由圖2可知,各只熱電偶熱電勢(shì)起伏波動(dòng)有的較大,有的較為平穩(wěn)。其中實(shí)驗(yàn)開始的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)熱電勢(shì)起伏較大,之后基本平穩(wěn),這與實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度以及人為擾動(dòng)等因素的影響有關(guān)。測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差如下表。
 
　　熱電偶熱電勢(shì)變化40nV相當(dāng)于溫度變化1mK。經(jīng)過8小時(shí),在外界環(huán)境溫度幾度變化的情況下,5只熱電偶穩(wěn)定在1.5mK之內(nèi)。幾個(gè)月后重復(fù)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn),還穩(wěn)定在1.5mK內(nèi)。
4結(jié)論
　　當(dāng)外界環(huán)境溫差不大,依據(jù)上述原理和方法,測(cè)量熱電偶在溫差接近零的穩(wěn)定在1.5mK內(nèi),近似得到熱電偶常溫下的穩(wěn)定在1.5mK范圍內(nèi)的結(jié)論。，為熱電偶能夠在窄小溫差范圍實(shí)現(xiàn)不確定度為3~10mK的溫度測(cè)量提供理論和現(xiàn)實(shí)的依據(jù)。說明常溫下熱電偶具有良好的穩(wěn)定性,采用熱電偶可以實(shí)現(xiàn)mK級(jí)測(cè)溫。