常溫下測定熱電偶穩定性方法

摘要:幾何量測量中溫度是影響測量精度的重要誤差源。為此,依據熱電偶的熱電特性,提出一種考查熱電偶在常溫下使用的短期穩定性的新方法,銅-康銅熱電偶常溫條件下的短期穩定性。發(fā)現常溫下銅-康銅熱電偶8小時(shí)甚至更長(cháng)時(shí)間內材料熱電特性能夠穩定在1.5mK的范圍內,這為常溫下采用銅-康銅熱電偶實(shí)現精度高溫度測量提供了依據。
1.引言
　　熱電偶作為熱電測溫中普遍使用的一-種感溫元件,被廣泛應用于溫差大精度不高的溫度測量。由于熱電偶材料本身的機械應力、化學(xué)成分等的不穩定導致熱電偶個(gè)體差異較大,穩定性較差”。目前，在國內外很少在窄溫區使用熱電偶進(jìn)行精度高溫度測量。對熱電偶的主要集中于較大溫區的穩定性以及其它各項性能。熱電偶的感溫性能易受到外界環(huán)境的影響,如高溫氧化玷污腐蝕、形變應力等。
熱電偶穩定性、特別是短期穩定性在不同溫區、不同環(huán)境差異性很大。
　　隨著(zhù)科技的飛速發(fā)展,在一些特殊科研和工業(yè)領(lǐng)域對環(huán)境的溫度測量和控制有更精度高的要求。在計量及其它精度高測量的應用領(lǐng)域中,需要實(shí)現極窄溫區、精度高多點(diǎn)測溫。由于熱電偶具有測點(diǎn)小、布線(xiàn)方便、時(shí)間響應速度快等優(yōu)點(diǎn),如果能提高它的穩定性,它將是首選的測溫元件。
　　考察熱電偶穩定性的基本方法是在鋅、鋁、銀、銅等金屬凝固點(diǎn)上測量其熱電勢的變化,即在一定的氣壓下(一般是標準大氣壓)將這些純金屬的沸點(diǎn)或熔點(diǎn)溫度作為已知溫度,測出熱電偶在這些溫度對應電動(dòng)勢的穩定性。目前,精度最高的貴金屬熱電偶在測量溫區范圍的穩定性可以達到4~17mK。金屬凝固點(diǎn)溫度較高,熱電偶材料純度不夠且高溫電極晶粒變大是熱電不穩定的主要原因,因而這類(lèi)方法測定的穩定性、重復性不同于常溫幾度范圍的熱電偶的穩定性。為滿(mǎn)足幾何量測量中需在20C土1.5C的環(huán)境溫度下測量溫度,給出了一種測定常溫熱電偶穩定性的新方法。
2基本原理
　　由于受到環(huán)境、使用溫度、保護管玷污等因素的影響,熱電偶在使用一段時(shí)間后它的熱電特性會(huì )發(fā)生變化。在潔凈實(shí)驗室、標準溫度20C附近的小溫區內,熱電偶的穩定性必然與高溫測量不同。依據熱電效應,熱電偶吸收外界熱量轉化為塞貝克電勢,它分為湯姆遜溫差電勢和珀耳帖接觸電勢2。對于由均勻導體A,B組成的熱電偶回路,其中湯姆遜溫差電勢為:
 
　　式(4)表明熱電偶兩極A、B材料相同或者兩極A、B溫度相同,回路的熱電勢均為零[3]。因此,熱電偶產(chǎn)生電勢必須具備兩個(gè)條件:熱電偶有兩種不同材料組成;熱電偶兩端必須具有不同溫度。
　　考察熱電偶穩定性熱電偶必需存在溫差。在常溫下幾度范圍內沒(méi)有金屬凝固點(diǎn),用固定點(diǎn)測定穩定性方法不可行。在幾百攝氏度的溫差范圍,熱電偶熱電特性穩定在4~70mK范圍內。顯而易見(jiàn)，對于普通熱電偶在20C的環(huán)境溫度下溫差在5℃范圍內熱電穩定性能更接近其在0.0005℃范圍內的穩定性,而不會(huì )接近溫差為幾百攝氏度的穩定程度。以銅康銅熱電偶為例,1mK溫度產(chǎn)生熱電勢約40nV,略大于在實(shí)際測量使用中的精度高納伏表的精度。在目前的實(shí)驗條件下,將熱電偶在溫差接近零的穩定性代替溫差5℃的穩定性是合理可行的。要獲得更高的測量精度,一方面受到環(huán)境條件和儀表系統的精度制約;另一方面在5℃甚至更大溫差范圍內在理論上材料對穩定性的影響基本相同。依據這兩條理由,可由測定熱電偶在溫差接近零的穩定性,近似得到常溫下小溫差的穩定性,為熱電偶在窄小溫差范圍實(shí)現不確定度為3~5mK的溫度測量提供一種新方法。
3穩定性測量
　　測量裝置如圖1所示?？刂茖?shí)驗環(huán)境,使熱電偶的測量端和參考端溫度接近相同,使符合熱電偶測溫條件。
 
　　選取5只長(cháng)1m直徑φ0.5mm的銅-康銅材料制成的熱電偶,分別將它們兩端絕緣、靠緊、置于長(cháng)30cm甘油浸沒(méi)的玻璃細管中,采用抗干擾導線(xiàn)將兩端分別接人掃描開(kāi)關(guān)和納伏計,環(huán)境溫度變化控制在17~23℃范圍內,由計算機控制、定時(shí)循環(huán)采集5個(gè)通道的熱電勢。測量時(shí)6路中選1路短接,測量該通道的零位及其漂移,將其它各路輸人信號減去該短路通道測得噪聲作為實(shí)際的熱電勢。
　　確保熱電偶兩端相互絕緣,盡量使兩端靠緊,兩端越近溫度差越小。實(shí)際上房間溫場(chǎng)梯度已經(jīng)很小,在某一個(gè)特定區域內溫場(chǎng)梯度會(huì )更小。在這小區域內將各試管集中放置,每只試管內又裝有液體甘油,這樣實(shí)際上可以認為每只熱電偶兩端點(diǎn)的溫差極小。
設某時(shí)刻某通道的測量值為:
　　其中,Yi為i通道直接測量值,Xi為i通道實(shí)際的熱電勢,Ni為i通道噪聲。通道噪聲包括掃描開(kāi)關(guān)的寄生電勢Ni1和納伏計的動(dòng)態(tài)噪聲Ni2。某時(shí)刻各通道動(dòng)態(tài)噪聲ND基本相同,即有Ni2=Ni2=ND,j為不同于i的另一通道;各通道寄生電勢不同但數值恒定,短接任意測量通道有:
Yi=Ni=Ni1+Ni2=Ni1+ND(6)
　　設短接通道為第6通道,X6=0,即有
Y6=N6=N61+N62=N61+Nd(7)
　　短接的第i通道的測量值減去短接的第6通道的測量值:
Yi-Y6=Ni-N6=Ni1-N61(8)
　　得到:Ni=(Ni1-N61)+N6(9)
　　由式(5)和(9)得i通道實(shí)際熱電偶的熱電勢:
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電勢N;包括N61,由式(8)得到寄生電勢差(Ni1-N61);測量時(shí)加上始終短接的第6通道的噪聲測量數據,相當.于第i通道的系統噪聲。Yi減去系統噪聲得到實(shí)際熱電偶的熱電勢,即為待測熱電偶穩定性的數值。計算機定時(shí)循環(huán)采集測量數據,隔2分鐘掃描各通道一次并自動(dòng)記錄,先在8小時(shí)內短接所有通道,短接后各通道標準差小于15nV。再進(jìn)行8小時(shí)重復性和穩定性考察,測量得到熱電勢,熱電偶穩定性測量的原始數據曲線(xiàn)如圖2所示。
 
　　由圖2可知,各只熱電偶熱電勢起伏波動(dòng)有的較大,有的較為平穩。其中實(shí)驗開(kāi)始的幾個(gè)小時(shí)內熱電勢起伏較大,之后基本平穩,這與實(shí)驗環(huán)境溫度以及人為擾動(dòng)等因素的影響有關(guān)。測量結果標準差如下表。
 
　　熱電偶熱電勢變化40nV相當于溫度變化1mK。經(jīng)過(guò)8小時(shí),在外界環(huán)境溫度幾度變化的情況下,5只熱電偶穩定在1.5mK之內。幾個(gè)月后重復進(jìn)行該實(shí)驗,還穩定在1.5mK內。
4結論
　　當外界環(huán)境溫差不大,依據上述原理和方法,測量熱電偶在溫差接近零的穩定在1.5mK內,近似得到熱電偶常溫下的穩定在1.5mK范圍內的結論。，為熱電偶能夠在窄小溫差范圍實(shí)現不確定度為3~10mK的溫度測量提供理論和現實(shí)的依據。說(shuō)明常溫下熱電偶具有良好的穩定性,采用熱電偶可以實(shí)現mK級測溫。