常溫下測定熱電偶穩定性方法

摘要:幾何量測量中溫度是影響測量精度的重要誤差源。為此,依據熱電偶的熱電特性,提出一種考查熱電偶在常溫下使用的短期穩定性的新方法,銅-康銅熱電偶常溫條件下的短期穩定性。發現常溫下銅-康銅熱電偶8小時甚至更長時間內材料熱電特性能夠穩定在1.5mK的范圍內,這為常溫下采用銅-康銅熱電偶實現精度高溫度測量提供了依據。
1.引言
　　熱電偶作為熱電測溫中普遍使用的一-種感溫元件,被廣泛應用于溫差大精度不高的溫度測量。由于熱電偶材料本身的機械應力、化學成分等的不穩定導致熱電偶個體差異較大,穩定性較差”。目前，在國內外很少在窄溫區使用熱電偶進行精度高溫度測量。對熱電偶的主要集中于較大溫區的穩定性以及其它各項性能。熱電偶的感溫性能易受到外界環境的影響,如高溫氧化玷污腐蝕、形變應力等。
熱電偶穩定性、特別是短期穩定性在不同溫區、不同環境差異性很大。
　　隨著科技的飛速發展,在一些特殊科研和工業領域對環境的溫度測量和控制有更精度高的要求。在計量及其它精度高測量的應用領域中,需要實現極窄溫區、精度高多點測溫。由于熱電偶具有測點小、布線方便、時間響應速度快等優點,如果能提高它的穩定性,它將是首選的測溫元件。
　　考察熱電偶穩定性的基本方法是在鋅、鋁、銀、銅等金屬凝固點上測量其熱電勢的變化,即在一定的氣壓下(一般是標準大氣壓)將這些純金屬的沸點或熔點溫度作為已知溫度,測出熱電偶在這些溫度對應電動勢的穩定性。目前,精度最高的貴金屬熱電偶在測量溫區范圍的穩定性可以達到4~17mK。金屬凝固點溫度較高,熱電偶材料純度不夠且高溫電極晶粒變大是熱電不穩定的主要原因,因而這類方法測定的穩定性、重復性不同于常溫幾度范圍的熱電偶的穩定性。為滿足幾何量測量中需在20C土1.5C的環境溫度下測量溫度,給出了一種測定常溫熱電偶穩定性的新方法。
2基本原理
　　由于受到環境、使用溫度、保護管玷污等因素的影響,熱電偶在使用一段時間后它的熱電特性會發生變化。在潔凈實驗室、標準溫度20C附近的小溫區內,熱電偶的穩定性必然與高溫測量不同。依據熱電效應,熱電偶吸收外界熱量轉化為塞貝克電勢,它分為湯姆遜溫差電勢和珀耳帖接觸電勢2。對于由均勻導體A,B組成的熱電偶回路,其中湯姆遜溫差電勢為:
 
　　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,回路的熱電勢均為零[3]。因此,熱電偶產生電勢必須具備兩個條件: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。
　　考察熱電偶穩定性熱電偶必需存在溫差。在常溫下幾度范圍內沒有金屬凝固點,用固定點測定穩定性方法不可行。在幾百攝氏度的溫差范圍,熱電偶熱電特性穩定在4~70mK范圍內。顯而易見，對于普通熱電偶在20C的環境溫度下溫差在5℃范圍內熱電穩定性能更接近其在0.0005℃范圍內的穩定性,而不會接近溫差為幾百攝氏度的穩定程度。以銅康銅熱電偶為例,1mK溫度產生熱電勢約40nV,略大于在實際測量使用中的精度高納伏表的精度。在目前的實驗條件下,將熱電偶在溫差接近零的穩定性代替溫差5℃的穩定性是合理可行的。要獲得更高的測量精度,一方面受到環境條件和儀表系統的精度制約;另一方面在5℃甚至更大溫差范圍內在理論上材料對穩定性的影響基本相同。依據這兩條理由,可由測定熱電偶在溫差接近零的穩定性,近似得到常溫下小溫差的穩定性,為熱電偶在窄小溫差范圍實現不確定度為3~5mK的溫度測量提供一種新方法。
3穩定性測量
　　測量裝置如圖1所示。控制實驗環境,使熱電偶的測量端和參考端溫度接近相同,使符合熱電偶測溫條件。
 
　　選取5只長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30cm甘油浸沒的玻璃細管中,采用抗干擾導線將兩端分別接人掃描開關和納伏計,環境溫度變化控制在17~23℃范圍內,由計算機控制、定時循環采集5個通道的熱電勢。測量時6路中選1路短接,測量該通道的零位及其漂移,將其它各路輸人信號減去該短路通道測得噪聲作為實際的熱電勢。
　　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。實際上房間溫場梯度已經很小,在某一個特定區域內溫場梯度會更小。在這小區域內將各試管集中放置,每只試管內又裝有液體甘油,這樣實際上可以認為每只熱電偶兩端點的溫差極小。
設某時刻某通道的測量值為:
　　其中,Yi為i通道直接測量值,Xi為i通道實際的熱電勢,Ni為i通道噪聲。通道噪聲包括掃描開關的寄生電勢Ni1和納伏計的動態噪聲Ni2。某時刻各通道動態噪聲ND基本相同,即有Ni2=Ni2=ND,j為不同于i的另一通道;各通道寄生電勢不同但數值恒定,短接任意測量通道有:
Yi=Ni=Ni1+Ni2=Ni1+ND(6)
　　設短接通道為第6通道,X6=0,即有
Y6=N6=N61+N62=N61+Nd(7)
　　短接的第i通道的測量值減去短接的第6通道的測量值:
Yi-Y6=Ni-N6=Ni1-N61(8)
　　得到:Ni=(Ni1-N61)+N6(9)
　　由式(5)和(9)得i通道實際熱電偶的熱電勢:
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N;包括N61,由式(8)得到寄生電勢差(Ni1-N61);測量時加上始終短接的第6通道的噪聲測量數據,相當.于第i通道的系統噪聲。Yi減去系統噪聲得到實際熱電偶的熱電勢,即為待測熱電偶穩定性的數值。計算機定時循環采集測量數據,隔2分鐘掃描各通道一次并自動記錄,先在8小時內短接所有通道,短接后各通道標準差小于15nV。再進行8小時重復性和穩定性考察,測量得到熱電勢,熱電偶穩定性測量的原始數據曲線如圖2所示。
 
　　由圖2可知,各只熱電偶熱電勢起伏波動有的較大,有的較為平穩。其中實驗開始的幾個小時內熱電勢起伏較大,之后基本平穩,這與實驗環境溫度以及人為擾動等因素的影響有關。測量結果標準差如下表。
 
　　熱電偶熱電勢變化40nV相當于溫度變化1mK。經過8小時,在外界環境溫度幾度變化的情況下,5只熱電偶穩定在1.5mK之內。幾個月后重復進行該實驗,還穩定在1.5mK內。
4結論
　　當外界環境溫差不大,依據上述原理和方法,測量熱電偶在溫差接近零的穩定在1.5mK內,近似得到熱電偶常溫下的穩定在1.5mK范圍內的結論。，為熱電偶能夠在窄小溫差范圍實現不確定度為3~10mK的溫度測量提供理論和現實的依據。說明常溫下熱電偶具有良好的穩定性,采用熱電偶可以實現mK級測溫。