铜-康铜热电偶的标定与误差分析

　　1　引　言

　　热电偶结构简单,使用方便,并且具有时间常数小,不存在电流的自加热问题等优点,被广泛应用于温度测量。铜-康铜热电偶在-200℃-350℃温度范围内使用较广,能抵抗空气的侵蚀,有较好的抗氧化性和抗还原性,正常情况下性能稳定性好、灵敏度高、价格低廉。因此,铜-康铜热电偶在制冷低温工程领域有着广泛的应用。但热电偶的制作工艺多样,主要包括电弧焊、盐浴焊、盐水焊接、水银焊接、对焊、压接焊和锡焊,不同的制作工艺使成品的热电特性有所差异;此外,由于热电偶的个体差异(材料内部的机械应力、化学成分不稳定等)对于新制热电偶或长期使用的热电偶,在使用之前必须对其进行标定。在使用热电偶测温时,还须确定参考端温度,根据应用场合要求和精度要求选用合适的补偿方式(参考端恒温补偿方式和使用传感器测量参考端温度补偿方式)。本文对使用锡焊工艺和对焊工艺制作的热电偶分别在冰点槽补偿方式和Keithley 7014线路板温度补偿方式下进行了标定,对各组标定结果进行了对比,分析了焊接工艺和温度补偿方式对热电偶性能的影响,并且对采用常用Keithley和Aglient系列数字多用表/采集系统下的标定结果进行了误差分析。

　　2　实验装置

　　2. 1　热电偶的制作工艺

　　热电偶两个接点焊接的质量对测量结果有直接的影响,这是因为热电偶回路中的热电动势只与构成热电偶回路的两个电极材料和热电偶的两个接点温度有关。对于热电偶制作的一般要求是测量端必须要焊牢,而且要求焊点光滑,不得有砂眼和裂纹。为了减小传热误差和动态响应误差,焊点的尺寸要尽量小些,通常为热电偶丝直径的2至3倍,这对于低温热电偶来说尤为重要。此外,如果在焊接接点时掺入了其他杂质,就会产生寄生电势。

　　热电偶的焊接工艺有多种,常见的有电弧焊、盐浴焊、盐水焊接、水银焊接、对焊、压接焊和锡焊。本文采用锡焊和对焊这两种较为简便的焊接工艺各制作了8支热电偶,对其进行了标定,并且对标定结果进行了对比分析。

　　2. 2　补偿方式

　　由热电偶的测温原理可知,一只确定的热电偶,其热电动势的大小与两端的温度有关,当一端的温度固定后,那么热电势的大小只与另一端的温度变化有关了。前者称为参考端,后者称为测量端。只有测得参考端的温度时,测量结果才是准确的。通常参考端温度选作0℃。对于工业等领域的现场温度测量,往往不方便采用恒定不变的参考端。因此,可以不采用恒温参考端的方法,而使用精确测量参考端温度的方法。Keithley7014线路板和Aglient34921A线路板则采用了后者,内有测温传感器以进行自动补偿。