焊錫對熱電偶測溫誤差影響分析

摘要:航天器真空熱試驗中為了消除焊錫可能帶來的溫差熱電勢，文章采用Keithley2750數據測量系統(tǒng)，通過比較法對焊錫與銅、焊錫與康銅之間的溫差熱電勢進行了測試分析。標準熱電偶選擇銅-康銅熱電偶，測試溫度范圍為-195-+75℃.測試時，熱電偶冷端為冰水混合物，熱端為液氮浸泡過的不銹鋼圓柱體或熱水瓶。為了確?；芈分械暮更c處于相同的熱環(huán)境條件，可采用多層隔熱組件進行包覆，避免接插件直接接觸熱沉。
1引言
       航天器真空熱試驗中大量使用熱電偶進行溫度測量，在測量回路中有多處焊點采用焊錫焊接。根據熱電偶中間導體定律，如果焊錫點溫度不--致，就會帶來附加熱電勢。本文的目的是研究焊錫_銅和焊錫-康銅在不同溫差下的熱電勢，分析該熱電勢對銅-康銅熱電偶熱電勢的影響程度。
2熱電偶測溫原理及測試
2.1熱電偶基本原理
       如果用A.B兩種不同的金屬構成一閉合電路，并使兩接點處于不同溫度，如圖1所示，則電路中將產生溫差熱電勢(U)，并且有溫差電流流過，這種現象稱為溫差電效應。

       熱電偶的中間導體定律證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯接點在同一個溫度,這個閉合電路中的溫差熱電勢總是和只由A、B兩種金屬組成的溫差電偶中的溫差熱電勢-一樣。如果第三種金屬兩端溫度不同，則將產生附加熱電勢,帶來熱電偶測量誤差。
2.2熱電偶測溫系統(tǒng)原理.
       熱電偶測溫系統(tǒng)原理如圖2所示。測試過程中通過測量儀器分別測量通道中1至49針與第50針之間的熱電勢，參考點的溫度通過鉑電阻測量，經過計算可以得到測點1至49的溫度值。在測量回路中，測量電纜與容器內插頭插針之間、測量電纜與容器穿墻插頭插針之間、熱電偶線與星上插頭插針之間由于材料不同，如果存在溫差都有可能產生溫差熱電勢。本文主要研究熱電偶銅線與焊錫之間、熱電偶康銅線與焊錫之間的溫差熱電勢，即在圖中A、C、D三點可能形成的康銅-焊錫熱電偶及E、F兩點可能形成的銅-焊錫熱電偶溫差熱電勢叼。

2.3熱電偶的定標
       熱電偶定標的方法主要有兩種。
(1)比較法:即用標準熱電偶與被校熱電偶測同-溫度，得到--組數據，由標準熱電偶所測熱電勢對被校熱電偶測得熱電勢進行校準。在被校熱電偶的使用范圍內改變不同的溫度、進行逐點校準，即可得到被校熱電偶的校準曲線。
(2)固定點法:利用幾種合適的純物質在一-定氣壓下(--般是標準大氣壓)，將這些純物質的沸點和熔點溫度作為已知溫度，測出熱電偶在這些溫度下對應的電動勢,從而得到熱電勢以及熱電勢與溫度關系曲線，即校準曲線。
3焊錫附加熱電勢測量方法
       焊錫為錫與其他金屬的合金,熱電偶回路焊接中經常用到的焊錫是由錫和鉛兩種金屬按一定比例融合而成的。
       當錫和鉛按比例融合后構成錫鉛合金焊料,此時其熔點變低,使用方便，并能與大多數金屬結合。焊錫的熔點會隨著錫鉛比例的不同而變化，錫鉛合金的熔點低于任何其他合金的熔點。優(yōu)質焊錫的錫鉛比例是按63%的錫和37%的鉛配比的，其熔點為183℃。
       本文采用比較法進行銅-焊錫、康銅-焊錫之間熱電勢的測量。選用的標準熱電偶為銅-康銅熱電偶，牌號為06-06-15。焊錫材料為錫鉛合金，直徑為1.05mm,材料的配比為Sn占63%,Pb占37%。
共制作3種熱電偶，分別為銅-康銅、焊錫-康銅、焊錫~銅，每種熱電偶分別制作2支，共6支。銅-康銅熱電偶通過熔焊制作，未引入焊錫材料;焊錫-康銅熱電偶、焊錫-銅熱電偶直接通過焊錫焊接。6支熱電偶信號測量端通過壓接方式接入7702接線盒。
       定標時把恒溫端浸入冰水共存的保溫杯中，熱端插入變溫體中。高溫端(0℃以上)變溫體為裝有熱水的瓶子，熱水瓶在空氣中自然降溫，得到0℃以上的溫度變化環(huán)境。低溫端(0℃以下)變溫體為采用不銹鋼加工的圓柱體,直徑為100mm,高度為100mm。在圓柱體表面直徑為60mm的圓周上加工6個直徑6mm、深30mm的沉孔，將6支熱電偶分別放入6個沉孔中，用導熱硅脂填充。測試時采用液氮將圓柱體冷透，放在空”(環(huán)境下回溫，從而得到變溫環(huán)境。
       測溫采用Keithley2750數據測量系統(tǒng)凹,系統(tǒng)由2750數字多用表、7702接線盒、E5810網關、計算機組成，使用專用測量軟件進行測量。測量系統(tǒng)精度為士3.5μV,分辨率為士0.1μV,采樣周期為60s。數采系統(tǒng)通過E5810網關將GPIB接口轉成LAN接口接入數據采集計算機。測試原理見圖3。

        測試過程中，始終保持恒溫端處于冰水混合狀態(tài)，則變溫體溫度即為熱電偶的溫差。本文首先進行高溫端熱電勢的測試，溫度范圍為7~75℃范圍;其次進行低溫端熱電勢的測試，溫度范圍為-195~+10℃。
4結果分析
4.1溫差計算
       熱電偶正負端的溫差是通過銅-康銅熱電偶測得的。首先，根據牌號為06-06-15銅-康銅熱電偶分度表對溫差-熱電勢進行擬合，擬合分3段完成回。擬合公式為

4.2焊錫材料與銅、康銅之間熱電勢分析
       根據公式(1)擬合結果及實際測量的銅-康銅熱電勢計算得出變溫體溫度，根據此溫度及測得的銅-焊錫、康銅-焊錫熱電勢即可得到銅-焊錫溫差與熱電勢、康銅~焊錫溫差與熱電勢之間的關系。
       圖4為2支銅-焊錫熱電偶溫差與熱電勢關系圖，圖5為2支康銅-焊錫、2支銅-康銅共4支熱電偶溫差與熱電勢關系圖。3種熱電偶熱電勢的算術平均值與3種熱電偶熱電勢與溫差之間的關系見圖6。從圖4、圖5可以看出，3種熱電偶測試數據具有較高的一-致性。

       擬合銅-焊錫、康銅-焊錫溫差與熱電勢之間的關系，得出


內，相同溫差下，?在85%~95%之間，平均值為92%;?在6.2%~7.4%之間，平均值為7.1%。即相同的溫差下，康銅-焊錫之間產生的熱電勢比銅-焊錫之間產生的熱電勢大得多。
5結論
       相同的溫差下，焊錫-康銅之間的熱電勢平均為銅-康銅之間熱電勢的92%，焊錫.銅之間的熱電勢平均為銅-康銅之間的溫差熱電勢的7.1%。
       在熱電偶回路中,應該確保被焊接兩種材料直接接觸，避免虛接或斷開而靠焊錫連接。對于焊點處，應避免其周圍熱邊界差異很大，如將插頭直接放置在熱沉上等，因為插頭內焊點處于不同的溫度場中會產生溫差，給測量系統(tǒng)帶來附加熱電勢。在試驗過程中，需要將焊點等處用多層隔熱組件包裹，將其懸掛起來避免直接和熱沉接觸。
       目前正在研究新的熱電偶制作工藝,熱電偶焊點采用壓接技術而不引入焊錫,這樣就可以徹底避免焊錫所帶來的附加熱電勢，提高熱電偶的測溫精度。