铜-康铜热电偶的低温不均匀性实验

　　从冰点到液氮温度的宽低温区内,对随机选取的铜－康铜热电偶进行了重复性精度标定.测试结果表明，多次断偶重复焊接行为将产生约Q272mV的标准差.这意味着在液氮条件下，温度测量过程的最大误差将达898℃.所以，对现场、尤其对深冷区的现场进行精确测温实验中出现的断偶故障，重新焊接后必须重新标定才能继续使用.
1引言
　　作为一种结构简单,成本低廉，灵敏度、线性度好，热惯性小和使用方便的热电式温度传感器铜－康铜热电偶在工农业生产和科学研究中被广泛地使用;对低温微小空间的温度测量,非铠装(裸丝)电偶更是不二选择".然而，结构上的从简容易导致断偶故障.假如这类故障发生在运载火箭发射.爆轰或冲击压缩等高成本、高风险的实验现场，当时间不允许更换元件时，就只能即时重焊后立刻投入使用.考虑到沿电偶轴向热电动势的不均匀性,我们推测电偶的低温现场重焊可能会影响测温的精度.,金属合金的不均性范围超过载流子的自由程时,具有实际意义的宏观热电不均性可由方程
 
近似.其中δC(X)是缺陷杂质原子等散射中心的含量波动;A是计算常数.
　　目前尚无关于低温区重焊铜－康铜电偶热电势不均匀性的研究结果发表.本文通过模拟重复断偶.过程的实验，验证铜康铜电偶从零摄氏度至液氮温度范围内的测量精度，并对误差的分布区间进行了统计分析.
2实验方法及结果
　　低温~下热电偶的温差电势为
 
　　式中AB分别表示电偶的两种金属导体;σAσB分别为导体A和B的Thamson系数;T是参考端温度，堤测量端温度.考虑康铜合金材料的轴向不均匀性，即使用同一根电偶，只要轴向长度不同，式(2)中的Ex(T)和σ都不同.因此,总温差电势EAB(T，T0)必然存在差异.
　　实验所用的装置和材料有直径φO.3mm的铜康铜丝，自制电弧发生器，电位差计，自耦变压器，广口保温瓶，液氮容器等.然后,用弧焊法制作双端铜康铜热电偶.经外观和通断检测后,对照标准T分度表标定电偶.在标定过程中,取0℃的冰水.混合物作参考端温度,将测量端缓慢放入装有1/3~1/2容积液氮的专用容器中，按伸入液氮容器的7个定长读取不同热电势值,直至读到稳定的液氮对应值(5.5mV0.3mV).为检验传感器的重复--致性,模拟现场断偶现象并重新焊接.根据相同的条件和步骤,重复上述实验12次,获得如表1所示的实验数据.
 
　　选择表1中极差较显著的两组数据用最小二乘法进行回归,分别得到拟合函数为
 
进行比较，见图1.
 
　　然后，结合表1数据，以样本总体的分布为理论基础,在95%的概率保证下进行统计检验,结果列于表2;同时按标准差平均差值法绘制相应的散点图，见图2
 
 
3分析与结论
　　由表1可知,在液氮条件下,铜康铜电偶的多次重复测量数据的极差为Q77mV,相应的标准差为Q272mV,对应于898℃,已经远远超过了T分度铜康铜热电偶在.200~40℃范围内的国标允差值1℃.而图1表明,在-20~-180的实验范围内测量温度误差呈现中间大,两头小”的趋;势,重复焊接铜康铜热电偶數据组间的一致性不佳;其中最低温度附近测量数据曲线相交的现象可能是由于低温下材料热电子活动趋于--致造成的.这是因为尽管在低温°下材料的晶格声子及其散射作用会增强，但相对影响较弱,不至于影响宏观测量的结果.从表2的计算结果和图2的曲线不难看出，取置信度为95%时,本实验范围内重复测量铜康铜热电偶的离差分布满足置信区间上、下限宽度为17.72℃的要求.
　　由于合金电偶丝不均匀结构的先天性缺陷,重复焊接时的局部高温以及助焊剂化学成分的混入，使得本来就难以量化的沿电偶长度方向的热电势更加难以确定.考虑到目前还没有能对金属合金热电，材料不均匀度进行理论精确预测的模型”,我们的测量结果对低温工程的现场操作会有一定的参考价值.
　　综上所述，从冰点到液氮温度的较宽温区内，重复焊接铜康铜热电偶测得的结果一-致性很差,测温精度不能满足精确测量的要求.所以，一旦在深冷区现场的测温过程中出现断偶故障,重新焊接后必须重新标定才能继续使用.