銅-康銅熱電偶的標(biāo)定與誤差分析

摘要:基于的溫度測量系統(tǒng)，對銅-康銅熱電偶在-70℃至10℃范圍內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定,并且進(jìn)行了誤差分析。比較了不同焊接工藝和不同參考端補(bǔ)償方式對熱電偶性能的影響,分別對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了線性、二次、三次和四次最小二乘擬合,并且分析了擬合誤差。最后對使用冰點(diǎn)槽、自動補(bǔ)償模塊和自動補(bǔ)償模塊的熱電偶標(biāo)定裝置進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:若焊接質(zhì)量得到保證,錫焊和對焊工藝對熱電偶性能影響不大，可滿足對測量精度的要求;與采用冰點(diǎn)槽作為補(bǔ)償端相比，線路板內(nèi)置的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)使用方便,但精度較差,不宜在熱電偶的標(biāo)定中使用。
1引言
　　熱電偶結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,并且具有時(shí)間常數(shù)小，不存在電流的自加熱問題等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于溫度測量。銅-康銅熱電偶在-200℃至350℃溫度范圍內(nèi)使用廣泛,能抵抗空氣的侵蝕,有較好的抗氧化性和抗還原性,正常情況下性能穩(wěn)定性好、靈敏度高、價(jià)格低。因此,銅-康銅熱電偶在制冷低溫工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但熱電偶的制作工藝多樣,主要包括電弧焊、鹽浴焊、鹽水焊接、水銀焊接、對焊、壓接焊和錫焊,不同的制作工藝使成品的熱電特性有所差異;此外,由于熱電偶的個(gè)體差異(材料內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)成分不穩(wěn)定等)對于新制熱電偶或長期使用的熱電偶,在使用之前必須對其進(jìn)行標(biāo)定。在使用熱電偶測溫時(shí),還須確定參考端溫度,根據(jù)應(yīng)用場合要求和精度要求選用合適的補(bǔ)償方式(參考端恒溫補(bǔ)償方式和使用傳感器測量參考端溫度補(bǔ)償方式)。對使用錫焊工藝和對焊工藝制作的熱電偶分別在冰點(diǎn)槽補(bǔ)償方式和自動補(bǔ)償模塊7014線路板溫度補(bǔ)償方式下進(jìn)行了標(biāo)定,對各組標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對比，分析了焊接工藝和溫度補(bǔ)償方式對熱電偶性能的影響,并且對采用常用自動補(bǔ)償模塊和系列數(shù)字多用表/采集系統(tǒng)下的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。
2實(shí)驗(yàn)裝置
2.1熱電偶的制作工藝
　　熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)焊接的質(zhì)量對測量結(jié)果有直接的影響,這是因?yàn)闊犭娕蓟芈分械臒犭妱觿葜慌c構(gòu)成熱電偶回路的兩個(gè)電極材料和熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)溫度有關(guān)。對于熱電偶制作的一般要求是測量端必須要焊牢,而且要求焊點(diǎn)光滑,不得有砂眼和裂紋。為了減小傳熱誤差和動態(tài)響應(yīng)誤差,焊點(diǎn)的尺寸要盡量小些,通常為熱電偶絲直徑的2至3倍,這對于低溫?zé)犭娕紒碚f尤為重要。此外,如果在焊接接點(diǎn)時(shí)摻入了其他雜質(zhì)，就會產(chǎn)生寄生電勢。
　　熱電偶的焊接工藝有多種,常見的有電弧焊、鹽浴焊、鹽水焊接、水銀焊接、對焊、壓接焊和錫焊。采用錫焊和對焊這兩種較為簡便的焊接工藝各制作了8支熱電偶,對其進(jìn)行了標(biāo)定,并且對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
2.2補(bǔ)償方式
　　由熱電偶的測溫原理可知,一只確定的熱電偶,其熱電動勢的大小與兩端的溫度有關(guān),當(dāng)一端的溫度固定后,那么熱電勢的大小只與另一端的溫度變化有關(guān)了。前者稱為參考端,后者稱為測量端。只有測得參考端的溫度時(shí),測量結(jié)果才是準(zhǔn)確的。通常參考端溫度選作0℃。對于工業(yè)等領(lǐng)域的現(xiàn)場溫度測量,往往不方便采用恒定不變的參考端。因此,可以不采用.恒溫參考端的方法,而使用精確測量參考端溫度的方法。自動補(bǔ)償模塊7014線路板和34921A線路板則采用了后者,內(nèi)有測溫傳感器以進(jìn)行自動補(bǔ)償。
　　此外,參考端溫度的變化或測量不準(zhǔn),往往對測量端實(shí)際測出的溫度影響更大,這是由于兩個(gè)接點(diǎn)處熱電勢率S(或塞貝克系數(shù))大小不--所致。以銅_康銅熱電偶為例,冰點(diǎn)附近S273=39μV/K,而在液氨溫區(qū)S77=16μV/K,即當(dāng)參考溫度測量誤差為±0.01K時(shí),在測量液氮區(qū)溫度時(shí)測量結(jié)果誤差會放大到±0.025K。
 
2.3標(biāo)定系統(tǒng)
　　熱電偶標(biāo)定系統(tǒng)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由2個(gè)回路組成:鉑電阻測溫回路和熱電偶測溫回路。標(biāo)定中使用的鉑電阻是在-205℃至15℃溫度范圍內(nèi)經(jīng)檢定的Pt100鉑電阻,精度為0.1K。使用時(shí),采用四線制連接,電路中的標(biāo)準(zhǔn)電阻R、精度為0.01級。恒溫槽為GRTS-80制冷恒溫槽,它具有溫度穩(wěn)定性好、溫度場均勻、控溫精度高等特點(diǎn),可以提供-80℃至95℃的恒溫環(huán)境,溫度波動度優(yōu)于±0.01℃/30min,溫度均勻度為0.005℃-0.01℃。所標(biāo)定的熱電偶按焊接方式和參考端補(bǔ)償方式分成四組:對焊冰點(diǎn)槽補(bǔ)償、錫焊冰點(diǎn)槽補(bǔ)償、對焊自動補(bǔ)償模塊7014線路板補(bǔ)償、錫焊自動補(bǔ)償模塊7014線路板補(bǔ)償。
2.4測量儀器與系統(tǒng)
　　熱電偶測試系統(tǒng)中,較為常用的測量儀器為自動補(bǔ)償模塊7001+7014和34980A+34921A數(shù)據(jù)采集儀器。自動補(bǔ)償模塊7014線路板和34921A線路板均有內(nèi)置溫度傳感器,自動補(bǔ)償模塊7014線路板內(nèi)置溫度傳感器測溫范圍為0至50℃,精度為±0.45C(18C至28C)和±0.7℃(0℃至18℃以及28℃至50℃),34921A線路板內(nèi)置溫度傳感器測溫精度為0.5℃。
7014線路板是和7001多路轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)合在一起使用。溫度測量時(shí),將熱電偶冷端接至7014線路板的螺絲釘接線端。7014熱電偶板共有39路熱電偶冷端連接通道,雙極連接。7014線路板是一塊等溫板,內(nèi)置的熱電阻溫度傳感器標(biāo)定關(guān)系已知,通過它輸出電壓的測量可以準(zhǔn)確測出板卡溫度,作為熱電偶冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。7014線路板最高輸人電壓為110V,適合測量各種高低壓信號。7001是可編程多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，它共有80路通道,兩個(gè)測試板插槽,可以通過編程定時(shí)控制通道的選擇、組合、掃描等。熱電勢信號的測量通過自動補(bǔ)償模塊2000可編程數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)。自動補(bǔ)償模塊2000可編程數(shù)字萬用表的直流電壓測量范圍是0.1μV-1000V,具有61/2(22bit)分辨率。如果使用的是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,自動補(bǔ)償模塊2000可編程數(shù)字萬用表可以直接測得溫度。此功能亦可采用自動補(bǔ)償模塊2700數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元+7700線路板實(shí)現(xiàn)。和自動補(bǔ)償模塊7014線路板的使用類似，34921A線路板是和34980A數(shù)據(jù)采集/開關(guān)單元結(jié)合使用的。34921A線路板共有40個(gè)通道,內(nèi)置溫度傳感器,測量板卡溫度以進(jìn)行溫度補(bǔ)償。34980A為多功能測量儀表,把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和數(shù)據(jù)記錄儀的簡易性組合在一-起,因此測量時(shí)無須使用萬用表等測量儀器。測量電壓時(shí),最小量程為100mV,最大量程為300V,61/2(22bit)分辨率。
　　使用開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它的核心是通過快捷的語言進(jìn)行個(gè)性化的軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的采集、分析、計(jì)算、顯示及存儲功能。通過對萬用表和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制(選擇和掃描等)進(jìn)行電壓信號(包括熱電偶的熱電勢和參考端輸出電壓)采集。使用編程控制通道進(jìn)行快速掃描,以減小恒溫槽內(nèi)溫度波動對標(biāo)定精度的影響。
3標(biāo)定結(jié)果.
　　針對使用對焊和錫焊兩種焊接工藝的熱電偶進(jìn)行了標(biāo)定，并且使用了冰點(diǎn)槽和自動補(bǔ)償模塊7014兩種補(bǔ)償方式。標(biāo)定溫度范圍針對制冷領(lǐng)域,在-70℃至10℃溫度范圍內(nèi)選取了9個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了最小二乘擬合,得到了4次擬合公式,其一般形式如下:
 
　　其中熱電勢e單位為μV,溫度t單位為℃。對標(biāo)定結(jié)果使用最小二乘法分別進(jìn)行了線性擬合二次擬合、三次擬合和四次擬合,熱電勢誤差和在-70℃下溫度誤差如表1所示。由表中擬合誤差可以看出，線性擬合誤差較大,但采用二次擬合時(shí),擬合誤差會大幅減小,隨后再增大擬合次數(shù)對于擬合誤差影響不大。因此,對于銅-康銅熱電偶,在常用制冷溫區(qū)使用時(shí),對標(biāo)定結(jié)果采用二次擬合即可滿足要求。
 
　　如表1所示，使用自動補(bǔ)償模塊7014線路板溫度補(bǔ)償標(biāo)定的熱電偶擬合誤差均偏大,而且非常不均勻(擬合誤差由2.7-11.3不等),這是由自動補(bǔ)償模塊7014線路板內(nèi)置溫度傳感器測溫精度以及板卡內(nèi)溫度均勻性所致。如前所述,該板卡內(nèi)置溫度傳感器測溫范圍為0℃-50℃,精度為+0.45℃(18℃-28℃)和±0.7℃(0℃-18℃以及28℃-50℃)。卡內(nèi)溫度均勻性和溫度波動也使其測溫精度下降。雖然自動補(bǔ)償模塊7014線路板安裝在7001多路轉(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)，但由于電子器件發(fā)熱和殼體內(nèi)空氣對流，卡內(nèi)溫度分布不均勻且存在波動,其影響在工作環(huán)境惡劣的現(xiàn)場將尤為突出。
　　理論上,對于使用冰點(diǎn)作為參考端的熱電偶,當(dāng).測量端溫度為零時(shí),熱電勢也應(yīng)該等于零,即標(biāo)定曲線的擬合公式中常數(shù)項(xiàng)a0為零,然而由于熱電偶材料的均勻性和寄生熱電勢等因素,實(shí)際熱電偶在0℃時(shí)的輸出往往不為零。如圖2所示，對于使用自動補(bǔ)償模塊7014線路板作為參考端的標(biāo)定數(shù)據(jù),擬合公式中的常數(shù)項(xiàng)a0以及其余各項(xiàng)均明顯偏大,這從.某種程度_上也說明了7014采集卡對于參考端溫度測量的誤差偏大。由此可見,對于熱電偶的標(biāo)定，自動補(bǔ)償模塊7014采集卡不適合作為參考端,但由于使用方便,仍可在對精度要求不高的測溫場合使用。
　　從表1中的擬合誤差和圖2中的擬合曲線還可以看出，焊接工藝對熱電偶的影響不大。對于使用對焊和錫焊的熱電偶,擬合誤差和擬合公式中各項(xiàng)系數(shù)均相近,但最好根據(jù)擬合結(jié)果剔除掉誤差較大的個(gè)別有缺陷的熱電偶。
4誤差分析
　　為了使所標(biāo)定熱電偶達(dá)到較高的精度,要對標(biāo)定過程中各種因素所引人的誤差進(jìn)行在可能的條件內(nèi)做出合理的要求。影響熱電偶標(biāo)定誤差的主要因素包括:偶絲本身的固有因素、標(biāo)定裝置的影響和標(biāo)定方法的影響。
　　就偶絲本身的固有性質(zhì)而言,影響因素有偶絲的材料特性、偶絲的均勻性、偶絲的穩(wěn)定性和熱電偶制作工藝。要提高標(biāo)定精度,就要根據(jù)使用溫度和環(huán)境合理選擇偶絲材料,對偶絲的均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行檢定,淘汰不合格的偶絲,還要根據(jù)實(shí)際情況選用合理的焊接工藝,確保焊接質(zhì)量。
　　標(biāo)定方法引入的誤差主要包括擬合誤差、計(jì)算誤差和操作者在測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差。其中計(jì)算誤差主要是由運(yùn)算中的四舍五入造成的,其影響可忽略，操作者的測量誤差反映在系列測量中,屬于A類不確定度。擬合誤差主要取決于標(biāo)定點(diǎn)的數(shù)量和分布以及曲線擬合方法,一般而言,標(biāo)定點(diǎn)應(yīng)該多一些,位置要分布合理。在-70℃至10℃溫度范圍內(nèi)每個(gè)10℃取一個(gè)標(biāo)定點(diǎn),共取9個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。
標(biāo)定裝置的誤差主要包括:標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度D1、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的測量誤差D2、熱電動勢的測量誤差D3、由恒溫槽溫場的均勻性引入的誤差.D4、由恒溫槽溫度的波動性引人的誤差D5參考端溫度的影響D6和多點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)的影響D7。由于上述各分項(xiàng)誤差彼此獨(dú)立,故總的不確定度可以按式
(1)合成:
 
　　采用的精度為0.1K低溫鉑電阻作為標(biāo)準(zhǔn)器,因此標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度D、=0.1℃。
　　標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻采用四線制接法,使用比較法測量其電阻,電路圖如圖1所示。所使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻精度為0.01級,自動補(bǔ)償模塊2000數(shù)字萬用表在100mV量程內(nèi)測量誤差為0.005%xU+0.0035%x100mV則:
 
　　其中dUpt和dUN為鉑電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓降的相對誤差,dR、為標(biāo)準(zhǔn)電阻的相對誤差,dRN=0.01%
　　因此,對于自動補(bǔ)償模塊2000數(shù)字萬用表，鉑電阻測量誤差DRp=8RpxRp<0.018Ω,對于34980A，鉑電阻測量誤差DRp=δRpxRp<0.019Ω。取鉑電阻的電阻變化率dW/dt=0.385Ω/℃，則D2==0.047℃或0.049℃對于制冷低溫用銅-康銅熱電偶來說,當(dāng)參考端溫度為0℃時(shí)，溫度越高,熱電勢值越小,測量誤差D越小，于是最大的測量誤差是在最低溫度處，最低的標(biāo)定溫度為-69.83℃,其熱電勢為e-7o=2475μV,則對于自動補(bǔ)償模塊2000數(shù)字萬用表:
 
　　標(biāo)定所使用的恒溫槽為，該恒溫槽可以在-80℃至95℃溫度范圍內(nèi)提供恒溫環(huán)境,恒溫槽內(nèi)溫度溫度均勻性誤差D4=0.01℃,波動度誤差D,=0.01℃。
　　如采用冰水混合物作為參考端,參考端溫度誤差D6<0.015℃。然而對于采用自動補(bǔ)償模塊7014和34921A線路板內(nèi)置溫度傳感器測量參考端溫度時(shí),參考端溫度誤差包括傳感器不確定度和板卡:內(nèi)溫度不均勻性誤差。對于自動補(bǔ)償模塊y7014線路板D6。
 
　　由此可見,采用采用自動補(bǔ)償模塊7014和34921A線路板測量參考端溫度的標(biāo)定系統(tǒng)誤差偏大，不宜在標(biāo)定熱電偶時(shí)使用,但可作為精度要求不高的溫度測量系統(tǒng),該誤差分析與標(biāo)定結(jié)果相吻合。此外,熱電勢的測量誤差D3也不容忽視，分別為0.11℃和0.13℃,這是由于熱電勢絕對值比很小,本文中最大為3.6mV,而自動補(bǔ)償模塊2000和34980A最小量程為100mV,因此若要進(jìn)一步提高標(biāo)定精度應(yīng)選用精度高電測設(shè)備。
5結(jié)論
　　分別采用了冰點(diǎn)槽和自動補(bǔ)償模塊7014自動溫度補(bǔ)償線路板作為參考端,對使用對焊和錫焊工藝制作的.銅-康銅熱電偶在-70℃至10℃范圍內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定,并且對采用冰點(diǎn)槽、自動補(bǔ)償模塊數(shù)字多用表/采集系統(tǒng)和數(shù)字多用表/采集系統(tǒng)的標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。綜合標(biāo)定結(jié)果和誤差分析,在常用制冷溫區(qū),可獲得以下結(jié)論:
(1)對于銅-康銅熱電偶,線性擬合誤差較大,但采用二次擬合時(shí)誤差將大幅較小,隨后再增大擬合次數(shù)擬合誤差變化不大,并且標(biāo)定曲線的擬合誤差對總不確定度貢獻(xiàn)較小;
(2)常用的自動補(bǔ)償模塊和系列數(shù)字多用表/采集系統(tǒng)所獲得的標(biāo)定結(jié)果和精度差別不大;
(3)采用0.1K精度的溫度基準(zhǔn),使用自動補(bǔ)償模塊7014和34921A線路板測量參考端溫度時(shí)，熱電偶標(biāo)定裝置所能獲得的最高精度等級為0.6K,可用于精度要求不高的溫度測量系統(tǒng);
(4)采用0.1K精度的溫度基準(zhǔn),采用冰點(diǎn)槽作為參考端時(shí)所能獲得的最高精度等級為0.2K,可滿足常用制冷低溫工程的測試要求,若要進(jìn)一步提高熱電偶標(biāo)定系統(tǒng)的精度則需提高熱電勢測量精度以及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的精度;
(5)若焊接質(zhì)量得到保證，采用錫焊和對焊工藝焊接的熱電偶精度相近。