銅-康銅熱電偶的低溫不均勻性實驗
發(fā)布時間:2022-06-09
瀏覽次數(shù):
從冰點到液氮溫度的寬低溫區(qū)內(nèi),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(jié)果表明,多次斷偶重復焊接行為將產(chǎn)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(xiàn)場、尤其對深冷區(qū)的現(xiàn)場進行精確測溫實驗中出現(xiàn)的斷偶故障,重新焊接后必須重新標定才能繼續(xù)使用.
1引言
作為一種結(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)上的從簡容易導致斷偶故障.假如這類故障發(fā)生在運載火箭發(fā)射.爆轟或沖擊壓縮等高成本、高風險的實驗現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)原子等散射中心的含量波動;A是計算常數(shù).
目前尚無關于低溫區(qū)重焊銅-康銅電偶熱電勢不均勻性的研究結(jié)果發(fā)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(nèi)的測量精度,并對誤差的分布區(qū)間進行了統(tǒng)計分析.
2實驗方法及結(jié)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(shù);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(fā)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(jīng)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(wěn)定的液氮對應值(5.5mV0.3mV).為檢驗傳感器的重復--致性,模擬現(xiàn)場斷偶現(xiàn)象并重新焊接.根據(jù)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(shù)據(jù).
選擇表1中極差較顯著的兩組數(shù)據(jù)用最小二乘法進行回歸,分別得到擬合函數(shù)為
進行比較,見圖1.
然后,結(jié)合表1數(shù)據(jù),以樣本總體的分布為理論基礎,在95%的概率保證下進行統(tǒng)計檢驗,結(jié)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(jié)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(shù)據(jù)的極差為Q77mV,相應的標準差為Q272mV,對應于898℃,已經(jīng)遠遠超過了T分度銅康銅熱電偶在.200~40℃范圍內(nèi)的國標允差值1℃.而圖1表明,在-20~-180的實驗范圍內(nèi)測量溫度誤差呈現(xiàn)中間大,兩頭小”的趨;勢,重復焊接銅康銅熱電偶數(shù)據(jù)組間的一致性不佳;其中最低溫度附近測量數(shù)據(jù)曲線相交的現(xiàn)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(jié)果.從表2的計算結(jié)果和圖2的曲線不難看出,取置信度為95%時,本實驗范圍內(nèi)重復測量銅康銅熱電偶的離差分布滿足置信區(qū)間上、下限寬度為17.72℃的要求.
由于合金電偶絲不均勻結(jié)構(gòu)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(jié)果對低溫工程的現(xiàn)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(qū)內(nèi),重復焊接銅康銅熱電偶測得的結(jié)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(qū)現(xiàn)場的測溫過程中出現(xiàn)斷偶故障,重新焊接后必須重新標定才能繼續(xù)使用.