銅-康銅熱電偶的錫膜焊接及熱電特性

[摘要]提出一種制作銅-康銅熱電偶的新方法:錫膜焊接法。既保證了焊接設(shè)備價(jià)格低廉又避免了熱電偶出現(xiàn)沾污、脆斷等缺陷、利用此法制作的熱電偶,各熱電偶的一致性好,在-40~100℃溫度范圍內(nèi),與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性吻合得很好。其精度達(dá)到±0.1℃.可作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。
1概述
　　銅-康銅熱電偶在-200~400℃的溫度范圍內(nèi),具有熱電勢(shì)和溫度關(guān)系近似線性,而且熱電勢(shì)大、靈敏度高、復(fù)制性好等優(yōu)點(diǎn),是一種精度高的廉金屬熱電偶,廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)設(shè)備的測(cè)試研究中。銅-康銅熱電偶分度號(hào)為T,在測(cè)量溫度時(shí)，紅色電極(Cu;100%)為正極,銀白色電極(Cu:55%,Ni:45%)為負(fù)極。
　　熱電偶的制作常采用以下幾種方法:電弧焊接法(包括直流電弧焊接和交流電弧焊接)、氬弧焊接、氣焊、碳粉焊接、鹽水焊接和水銀焊接。這些焊接方法,有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一定的缺陷和局限性。
在超小型熱電偶(電偶金屬絲直徑為0.01~0.1mm之間)制作方面,文獻(xiàn)[2]提出了將兩根電偶金屬絲絞成麻花樣,40~60V電壓下在含有草酸的氯化鈉水榕液中焊接的制造方法,利用此法可制取快響應(yīng)、精度高的微型熱電偶。這種方法,實(shí)質(zhì)上仍屬于鹽水焊接范疇,加入適量草酸可改善鹽水焊接對(duì)電極材料的選擇性。
　　針對(duì)銅-康銅等廉金屬熱電偶采用上述方法進(jìn)行焊接所存在的不足,提出一種適合于電偶金屬絲直徑為0.03~0.5mm的熱電偶制作新方法一錫膜焊接法,該法既保證了焊接設(shè)備價(jià)格低廉,又避免了熱電偶出現(xiàn)沾污、脆斷等缺陷。經(jīng)標(biāo)定可知，各熱電偶的一致性好,在-40~100℃溫度范圍內(nèi),與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性吻合得很好,其精度達(dá)到±0.1℃,可作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。
2用錫膜焊接法制作熱電偶
　　采用外被有絕緣膠皮的銅絲(外徑φ0.2mm)、康銅絲(外徑D0.2mm)作為熱電偶的兩電極,將兩種導(dǎo)線截成2~3m左右的線段,一端擰成麻花狀,鉸接長(zhǎng)度約為5mm以待焊接。
　　熱電偶錫膜焊接裝置如圖1所示，在燒杯中盛入非易燃油,油內(nèi)放入外被錫紙薄膜(稱為錫膜)的導(dǎo)電金屬環(huán)作為一個(gè)電極,熱電偶為另一電極,調(diào)節(jié)調(diào)壓器向兩電極之間提供約80V左右的交流電壓。焊接時(shí),使熱電偶的鉸接部位接觸錫膜,起弧后迅速離開。熱電偶交接端部在接觸錫膜的瞬間造成短路現(xiàn)象,強(qiáng)大的短路電流使鉸接端部?jī)山饘傺杆偃刍?在油的冷卻和防氧化作用下，形成晶亮的小球。這種方法適合于導(dǎo)線直徑在φ0.3~0.5mm的熱電偶制作。
 
　　熱電偶制作質(zhì)量的好壞直接影響熱電測(cè)溫的正確性，為減少傳熱誤差和動(dòng)態(tài)誤差,焊點(diǎn)應(yīng)盡量小,通常為二電極直徑和的兩倍左右。利用放大鏡對(duì)熱電偶逐個(gè)進(jìn)行檢查可知,采用錫膜焊接法制作的熱電偶,其焊點(diǎn)為球形.且表面光滑，具有金屬光澤,對(duì)于直徑均為φ0.2mm的銅康銅絲制作的熱電偶,其焊點(diǎn)直徑具有良好的均一性(φ0.7~0.8mm)。
3熱電偶的標(biāo)定.
3.1熱電偶標(biāo)定裝置
　　制作好的熱電偶儒經(jīng)過準(zhǔn)確標(biāo)定才能在測(cè)試中使用。對(duì)所制作的100對(duì)銅一康銅熱電偶在-40~100℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了標(biāo)定,其標(biāo)定裝置的原理如圖2所示。在常溫以上采用CF503標(biāo)準(zhǔn)水槽,在常溫以下采用TRL-080低溫浴槽(載冷劑為乙二醇溶液)作為標(biāo)準(zhǔn)熱源和標(biāo)準(zhǔn)冷源,標(biāo)定基準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)溫度計(jì)。
 
　　標(biāo)定時(shí),將5對(duì)熱電偶作為1個(gè)標(biāo)定單元(共20個(gè)單元),將5對(duì)熱電偶的感溫接點(diǎn)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)綁扎在一起，放置在恒溫浴槽的中央，待標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定后,利用琴鍵開關(guān)順序接通各熱電偶回路,從電位差計(jì)讀取熱電勢(shì)值,即通過標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀數(shù)來(lái)標(biāo)定熱電偶的精度和等級(jí)。
3.2熱電偶的精度檢驗(yàn)及熱電特性
　　在-40~100℃溫度范圍內(nèi)的15個(gè)溫度點(diǎn),對(duì)采用錫膜焊接法制作的100對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定,讀取在不同溫度點(diǎn)的熱電勢(shì)值,即在同一溫度條件下，測(cè)出第j(1≤j≤100)對(duì)熱電偶熱電勢(shì)值ij在相同儀器、儀表,相同的情況下，對(duì)同一溫度ti,所測(cè)得的100個(gè)熱電勢(shì)值應(yīng)符合正態(tài)分布,否則,即說明制作出的熱電偶性能不均-，存在有不合格品。是否符合正態(tài)分布,必須經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)。將ti時(shí)的100個(gè)測(cè)量值按規(guī)則分為m(m=10)組,進(jìn)行x2檢驗(yàn),結(jié)果證實(shí),制作的熱電偶在置信度為0.01水平下,都滿足x2<x20.01,7條件,說明熱電偶的均一性非常好,參見表2的檢驗(yàn)結(jié)果。
 
　　進(jìn)行比較,得到很好的吻臺(tái),參見圖3。并且根據(jù)正態(tài)分布的“法則"和表2中所示的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù),可以斷定，這批熱電偶在-40~100℃溫度范圍內(nèi),其精度達(dá)到±0.1℃。
 
4結(jié)論
　　錫膜焊接法熱電偶制作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、操作方便,不僅適合于實(shí)驗(yàn)室小批量的熱電偶制作,同時(shí)也可根據(jù)制造原理,開發(fā)相應(yīng)的制造設(shè)備,實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。
　　運(yùn)用錫膜焊接法制作的銅-康銅熱電偶一致性好,在-40~100℃溫度范圍內(nèi).與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電特性吻合得很好,其精度可達(dá)到±0.1℃,可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用。
　　對(duì)于金屬絲直徑為0.03~0.5mm之間的廉價(jià)金屬熱電偶而言.錫膜焊接法是一種具有推廣價(jià)值的制作新方法。