常温下测定热电偶稳定性方法

摘要:几何量测量中温度是影响测量精度的重要误差源。为此,依据热电偶的热电特性,提出一种考查热电偶在常温下使用的短期稳定性的新方法,铜-康铜热电偶常温条件下的短期稳定性。发现常温下铜-康铜热电偶8小时甚至更长时间内材料热电特性能够稳定在1.5mK的范围内,这为常温下采用铜-康铜热电偶实现精度高温度测量提供了依据。
1.引言
　　热电偶作为热电测温中普遍使用的一-种感温元件,被广泛应用于温差大精度不高的温度测量。由于热电偶材料本身的机械应力、化学成分等的不稳定导致热电偶个体差异较大,稳定性较差”。目前，在国内外很少在窄温区使用热电偶进行精度高温度测量。对热电偶的主要集中于较大温区的稳定性以及其它各项性能。热电偶的感温性能易受到外界环境的影响,如高温氧化玷污腐蚀、形变应力等。
热电偶稳定性、特别是短期稳定性在不同温区、不同环境差异性很大。
　　随着科技的飞速发展,在一些特殊科研和工业领域对环境的温度测量和控制有更精度高的要求。在计量及其它精度高测量的应用领域中,需要实现极窄温区、精度高多点测温。由于热电偶具有测点小、布线方便、时间响应速度快等优点,如果能提高它的稳定性,它将是首选的测温元件。
　　考察热电偶稳定性的基本方法是在锌、铝、银、铜等金属凝固点上测量其热电势的变化,即在一定的气压下(一般是标准大气压)将这些纯金属的沸点或熔点温度作为已知温度,测出热电偶在这些温度对应电动势的稳定性。目前,精度最高的贵金属热电偶在测量温区范围的稳定性可以达到4~17mK。金属凝固点温度较高,热电偶材料纯度不够且高温电极晶粒变大是热电不稳定的主要原因,因而这类方法测定的稳定性、重复性不同于常温几度范围的热电偶的稳定性。为满足几何量测量中需在20C土1.5C的环境温度下测量温度,给出了一种测定常温热电偶稳定性的新方法。
2基本原理
　　由于受到环境、使用温度、保护管玷污等因素的影响,热电偶在使用一段时间后它的热电特性会发生变化。在洁净实验室、标准温度20C附近的小温区内,热电偶的稳定性必然与高温测量不同。依据热电效应,热电偶吸收外界热量转化为塞贝克电势,它分为汤姆逊温差电势和珀耳帖接触电势2。对于由均匀导体A,B组成的热电偶回路,其中汤姆逊温差电势为:
 
　　式(4)表明热电偶两极A、B材料相同或者两极A、B温度相同,回路的热电势均为零[3]。因此,热电偶产生电势必须具备两个条件:热电偶有两种不同材料组成;热电偶两端必须具有不同温度。
　　考察热电偶稳定性热电偶必需存在温差。在常温下几度范围内没有金属凝固点,用固定点测定稳定性方法不可行。在几百摄氏度的温差范围,热电偶热电特性稳定在4~70mK范围内。显而易见，对于普通热电偶在20C的环境温度下温差在5℃范围内热电稳定性能更接近其在0.0005℃范围内的稳定性,而不会接近温差为几百摄氏度的稳定程度。以铜康铜热电偶为例,1mK温度产生热电势约40nV,略大于在实际测量使用中的精度高纳伏表的精度。在目前的实验条件下,将热电偶在温差接近零的稳定性代替温差5℃的稳定性是合理可行的。要获得更高的测量精度,一方面受到环境条件和仪表系统的精度制约;另一方面在5℃甚至更大温差范围内在理论上材料对稳定性的影响基本相同。依据这两条理由,可由测定热电偶在温差接近零的稳定性,近似得到常温下小温差的稳定性,为热电偶在窄小温差范围实现不确定度为3~5mK的温度测量提供一种新方法。
3稳定性测量
　　测量装置如图1所示。控制实验环境,使热电偶的测量端和参考端温度接近相同,使符合热电偶测温条件。
 
　　选取5只长1m直径φ0.5mm的铜-康铜材料制成的热电偶,分别将它们两端绝缘、靠紧、置于长30cm甘油浸没的玻璃细管中,采用抗干扰导线将两端分别接人扫描开关和纳伏计,环境温度变化控制在17~23℃范围内,由计算机控制、定时循环采集5个通道的热电势。测量时6路中选1路短接,测量该通道的零位及其漂移,将其它各路输人信号减去该短路通道测得噪声作为实际的热电势。
　　确保热电偶两端相互绝缘,尽量使两端靠紧,两端越近温度差越小。实际上房间温场梯度已经很小,在某一个特定区域内温场梯度会更小。在这小区域内将各试管集中放置,每只试管内又装有液体甘油,这样实际上可以认为每只热电偶两端点的温差极小。
设某时刻某通道的测量值为:
　　其中,Yi为i通道直接测量值,Xi为i通道实际的热电势,Ni为i通道噪声。通道噪声包括扫描开关的寄生电势Ni1和纳伏计的动态噪声Ni2。某时刻各通道动态噪声ND基本相同,即有Ni2=Ni2=ND,j为不同于i的另一通道;各通道寄生电势不同但数值恒定,短接任意测量通道有:
Yi=Ni=Ni1+Ni2=Ni1+ND(6)
　　设短接通道为第6通道,X6=0,即有
Y6=N6=N61+N62=N61+Nd(7)
　　短接的第i通道的测量值减去短接的第6通道的测量值:
Yi-Y6=Ni-N6=Ni1-N61(8)
　　得到:Ni=(Ni1-N61)+N6(9)
　　由式(5)和(9)得i通道实际热电偶的热电势:
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电势N;包括N61,由式(8)得到寄生电势差(Ni1-N61);测量时加上始终短接的第6通道的噪声测量数据,相当.于第i通道的系统噪声。Yi减去系统噪声得到实际热电偶的热电势,即为待测热电偶稳定性的数值。计算机定时循环采集测量数据,隔2分钟扫描各通道一次并自动记录,先在8小时内短接所有通道,短接后各通道标准差小于15nV。再进行8小时重复性和稳定性考察,测量得到热电势,热电偶稳定性测量的原始数据曲线如图2所示。
 
　　由图2可知,各只热电偶热电势起伏波动有的较大,有的较为平稳。其中实验开始的几个小时内热电势起伏较大,之后基本平稳,这与实验环境温度以及人为扰动等因素的影响有关。测量结果标准差如下表。
 
　　热电偶热电势变化40nV相当于温度变化1mK。经过8小时,在外界环境温度几度变化的情况下,5只热电偶稳定在1.5mK之内。几个月后重复进行该实验,还稳定在1.5mK内。
4结论
　　当外界环境温差不大,依据上述原理和方法,测量热电偶在温差接近零的稳定在1.5mK内,近似得到热电偶常温下的稳定在1.5mK范围内的结论。，为热电偶能够在窄小温差范围实现不确定度为3~10mK的温度测量提供理论和现实的依据。说明常温下热电偶具有良好的稳定性,采用热电偶可以实现mK级测温。