铜-康铜热电偶的锡膜焊接及热电特性

[摘要]提出一种制作铜-康铜热电偶的新方法:锡膜焊接法。既保证了焊接设备价格低廉又避免了热电偶出现沾污、脆断等缺陷、利用此法制作的热电偶,各热电偶的一致性好,在-40~100℃温度范围内,与标准热电偶的热电特性吻合得很好。其精度达到±0.1℃.可作为二级标准温度计使用。
1概述
　　铜-康铜热电偶在-200~400℃的温度范围内,具有热电势和温度关系近似线性,而且热电势大、灵敏度高、复制性好等优点,是一种精度高的廉金属热电偶,广泛应用于制冷、空调设备的测试研究中。铜-康铜热电偶分度号为T,在测量温度时，红色电极(Cu;100%)为正极,银白色电极(Cu:55%,Ni:45%)为负极。
　　热电偶的制作常采用以下几种方法:电弧焊接法(包括直流电弧焊接和交流电弧焊接)、氩弧焊接、气焊、碳粉焊接、盐水焊接和水银焊接。这些焊接方法,有各自的优点，但也存在着一定的缺陷和局限性。
在超小型热电偶(电偶金属丝直径为0.01~0.1mm之间)制作方面,文献[2]提出了将两根电偶金属丝绞成麻花样,40~60V电压下在含有草酸的氯化钠水榕液中焊接的制造方法,利用此法可制取快响应、精度高的微型热电偶。这种方法,实质上仍属于盐水焊接范畴,加入适量草酸可改善盐水焊接对电极材料的选择性。
　　针对铜-康铜等廉金属热电偶采用上述方法进行焊接所存在的不足,提出一种适合于电偶金属丝直径为0.03~0.5mm的热电偶制作新方法一锡膜焊接法,该法既保证了焊接设备价格低廉,又避免了热电偶出现沾污、脆断等缺陷。经标定可知，各热电偶的一致性好,在-40~100℃温度范围内,与标准热电偶的热电特性吻合得很好,其精度达到±0.1℃,可作为二级标准温度计使用。
2用锡膜焊接法制作热电偶
　　采用外被有绝缘胶皮的铜丝(外径φ0.2mm)、康铜丝(外径D0.2mm)作为热电偶的两电极,将两种导线截成2~3m左右的线段,一端拧成麻花状,铰接长度约为5mm以待焊接。
　　热电偶锡膜焊接装置如图1所示，在烧杯中盛入非易燃油,油内放入外被锡纸薄膜(称为锡膜)的导电金属环作为一个电极,热电偶为另一电极,调节调压器向两电极之间提供约80V左右的交流电压。焊接时,使热电偶的铰接部位接触锡膜,起弧后迅速离开。热电偶交接端部在接触锡膜的瞬间造成短路现象,强大的短路电流使铰接端部两金属迅速熔化,在油的冷却和防氧化作用下，形成晶亮的小球。这种方法适合于导线直径在φ0.3~0.5mm的热电偶制作。
 
　　热电偶制作质量的好坏直接影响热电测温的正确性，为减少传热误差和动态误差,焊点应尽量小,通常为二电极直径和的两倍左右。利用放大镜对热电偶逐个进行检查可知,采用锡膜焊接法制作的热电偶,其焊点为球形.且表面光滑，具有金属光泽,对于直径均为φ0.2mm的铜康铜丝制作的热电偶,其焊点直径具有良好的均一性(φ0.7~0.8mm)。
3热电偶的标定.
3.1热电偶标定装置
　　制作好的热电偶儒经过准确标定才能在测试中使用。对所制作的100对铜一康铜热电偶在-40~100℃温度范围内进行了标定,其标定装置的原理如图2所示。在常温以上采用CF503标准水槽,在常温以下采用TRL-080低温浴槽(载冷剂为乙二醇溶液)作为标准热源和标准冷源,标定基准采用标准二级温度计。
 
　　标定时,将5对热电偶作为1个标定单元(共20个单元),将5对热电偶的感温接点和二级标准温度计绑扎在一起，放置在恒温浴槽的中央，待标准温度计的读数稳定后,利用琴键开关顺序接通各热电偶回路,从电位差计读取热电势值,即通过标准温度计读数来标定热电偶的精度和等级。
3.2热电偶的精度检验及热电特性
　　在-40~100℃温度范围内的15个温度点,对采用锡膜焊接法制作的100对热电偶进行标定,读取在不同温度点的热电势值,即在同一温度条件下，测出第j(1≤j≤100)对热电偶热电势值ij在相同仪器、仪表,相同的情况下，对同一温度ti,所测得的100个热电势值应符合正态分布,否则,即说明制作出的热电偶性能不均-，存在有不合格品。是否符合正态分布,必须经过显著性检验。将ti时的100个测量值按规则分为m(m=10)组,进行x2检验,结果证实,制作的热电偶在置信度为0.01水平下,都满足x2<x20.01,7条件,说明热电偶的均一性非常好,参见表2的检验结果。
 
　　进行比较,得到很好的吻台,参见图3。并且根据正态分布的“法则"和表2中所示的标准差数据,可以断定，这批热电偶在-40~100℃温度范围内,其精度达到±0.1℃。
 
4结论
　　锡膜焊接法热电偶制作装置结构简单，成本低、操作方便,不仅适合于实验室小批量的热电偶制作,同时也可根据制造原理,开发相应的制造设备,实现大批量的生产。
　　运用锡膜焊接法制作的铜-康铜热电偶一致性好,在-40~100℃温度范围内.与标准热电偶的热电特性吻合得很好,其精度可达到±0.1℃,可作为标准温度计使用。
　　对于金属丝直径为0.03~0.5mm之间的廉价金属热电偶而言.锡膜焊接法是一种具有推广价值的制作新方法。