銅-康銅熱電偶的低溫不均勻性實驗

　　從冰點到液氮溫度的寬低溫區內,對隨機選取的銅－康銅熱電偶進行了重復性精度標定.測試結果表明，多次斷偶重復焊接行為將產生約Q272mV的標準差.這意味著在液氮條件下，溫度測量過程的最大誤差將達898℃.所以，對現場、尤其對深冷區的現場進行精確測溫實驗中出現的斷偶故障，重新焊接后必須重新標定才能繼續使用.
1引言
　　作為一種結構簡單,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－康銅熱電偶在工農業生產和科學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，結構上的從簡容易導致斷偶故障.假如這類故障發生在運載火箭發射.爆轟或沖擊壓縮等高成本、高風險的實驗現場，當時間不允許更換元件時，就只能即時重焊后立刻投入使用.考慮到沿電偶軸向熱電動勢的不均勻性,我們推測電偶的低溫現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,具有實際意義的宏觀熱電不均性可由方程
 
近似.其中δC(X)是缺陷雜質原子等散射中心的含量波動;A是計算常數.
　　目前尚無關于低溫區重焊銅－康銅電偶熱電勢不均勻性的研究結果發表.本文通過模擬重復斷偶.過程的實驗，驗證銅康銅電偶從零攝氏度至液氮溫度范圍內的測量精度，并對誤差的分布區間進行了統計分析.
2實驗方法及結果
　　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體;σAσB分別為導體A和B的Thamson系數;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.
　　實驗所用的裝置和材料有直徑φO.3mm的銅康銅絲，自制電弧發生器，電位差計，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.經外觀和通斷檢測后,對照標準T分度表標定電偶.在標定過程中,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個定長讀取不同熱電勢值,直至讀到穩定的液氮對應值(5.5mV0.3mV).為檢驗傳感器的重復--致性,模擬現場斷偶現象并重新焊接.根據相同的條件和步驟,重復上述實驗12次,獲得如表1所示的實驗數據.
 
　　選擇表1中極差較顯著的兩組數據用最小二乘法進行回歸,分別得到擬合函數為
 
進行比較，見圖1.
 
　　然后，結合表1數據，以樣本總體的分布為理論基礎,在95%的概率保證下進行統計檢驗,結果列于表2;同時按標準差平均差值法繪制相應的散點圖，見圖2
 
 
3分析與結論
　　由表1可知,在液氮條件下,銅康銅電偶的多次重復測量數據的極差為Q77mV,相應的標準差為Q272mV,對應于898℃,已經遠遠超過了T分度銅康銅熱電偶在.200~40℃范圍內的國標允差值1℃.而圖1表明,在-20~-180的實驗范圍內測量溫度誤差呈現中間大,兩頭小”的趨;勢,重復焊接銅康銅熱電偶數據組間的一致性不佳;其中最低溫度附近測量數據曲線相交的現象可能是由于低溫下材料熱電子活動趨于--致造成的.這是因為盡管在低溫°下材料的晶格聲子及其散射作用會增強，但相對影響較弱,不至于影響宏觀測量的結果.從表2的計算結果和圖2的曲線不難看出，取置信度為95%時,本實驗范圍內重復測量銅康銅熱電偶的離差分布滿足置信區間上、下限寬度為17.72℃的要求.
　　由于合金電偶絲不均勻結構的先天性缺陷,重復焊接時的局部高溫以及助焊劑化學成分的混入，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，材料不均勻度進行理論精確預測的模型”,我們的測量結果對低溫工程的現場操作會有一定的參考價值.
　　綜上所述，從冰點到液氮溫度的較寬溫區內，重復焊接銅康銅熱電偶測得的結果一-致性很差,測溫精度不能滿足精確測量的要求.所以，一旦在深冷區現場的測溫過程中出現斷偶故障,重新焊接后必須重新標定才能繼續使用.