接觸長(zhǎng)度對(duì)鎳鉻一金鐵熱電偶測(cè)溫精度影響

摘要:為了提高熱電偶在低溫下的測(cè)量精度,基于傅里葉導(dǎo)熱定律建立了測(cè)溫誤差的分析模型,分析了影響測(cè)溫精度的主要因素,對(duì)熱電偶與被測(cè)對(duì)象不同接觸情況下鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢(shì)進(jìn)行了測(cè)量和研究。研究結(jié)果表明:溫度越低,測(cè)量誤差越大;增加接觸長(zhǎng)度,可減小誤差。
1引言
　　在低溫工程的應(yīng)用中,常常會(huì)涉及到對(duì)溫度的精確測(cè)量，熱電偶由于時(shí)間常數(shù)小，不存在電流的自加熱等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于低溫測(cè)量中。在使用熱電偶測(cè)溫的低溫實(shí)驗(yàn)中,產(chǎn)生溫度測(cè)量誤差的因素主要有接觸誤差、引線導(dǎo)熱引起的誤差、參考端溫度誤差、補(bǔ)償導(dǎo)線誤差和干擾誤差等。實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到以下情況:采用同一對(duì)熱電偶在常壓下測(cè)溫誤差相對(duì)較小，但是在低溫高真空環(huán)境中,尤其在使用GM制冷.機(jī)直接冷卻實(shí)驗(yàn)中,有時(shí)熱電偶測(cè)溫誤差會(huì)達(dá)到6%以上,嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　熱電偶的測(cè)溫誤差進(jìn)行了分析,但是對(duì)于高真空低溫環(huán)境下,接觸問(wèn)題造成的誤差報(bào)道較少。為此,建立了一套溫度測(cè)量系統(tǒng),對(duì)鎳鉻-金鐵熱電偶在真空和
　　低溫下的熱電勢(shì)進(jìn)行了測(cè)量,對(duì)不同接觸條件下熱電偶測(cè)溫的準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析,探討了高真空低溫條件下提高熱電偶測(cè)溫精度的方法和措施。
2理論分析
2.1理論模型的建立與求解
　　在使用低溫?zé)犭娕紲y(cè)溫實(shí)驗(yàn)中,為了改善熱接觸,一般在測(cè)量端涂.上粘接物真空脂或低溫膠),如圖1所示。圖中所示的熱電偶，由電極1和2組成，在x=0處相接。假設(shè)熱電極與溫度為T的物體有2M(-M-+M)長(zhǎng)-段線接觸,在點(diǎn)x=0處,y方向.的溫差為△T0,即熱電偶測(cè)得溫度與被測(cè)物體實(shí)際溫度差值為△T0;在x=±M處,y方向溫差分別為△T1、△T2。在低溫情況下,假設(shè)所有的條件都是均等的，則有△T1=△T2,在電極點(diǎn)接觸情況下,溫差△T與線接觸時(shí)x=±M處差值相同,即△T=△T1=△T2。
 
　　在低溫:測(cè)量時(shí),因?yàn)楸粶y(cè)物的溫度T低于參考端冰水混合物的溫度T0,即T<Tn,所以,在接點(diǎn)x處,溫度為T(x)的熱電極與被測(cè)物之間的溫差將是:
△T(x)=T0-T(x)(1)
　　而電極中的熱流,在-M<x<+M區(qū)間,由式2)給出:
 
　　式中:T為溫度,K;Qw(x)為電極中的熱流,W;Kw為電極的熱導(dǎo)率,W/(m·K);A為電極的橫截面積cm²。
　　熱流流經(jīng)粘接物處會(huì)有一部分熱流損失,這部分熱流通過(guò)粘結(jié)物沿y方向傳導(dǎo)至被測(cè)物體。如圖2,取微元x--x+dx,此時(shí),y方向溫差為△T(x),x方向熱流為Qw(x),y方向損失的熱流為dQ.(x)。因此，在x-x+dx處,熱量損失隨x的的變化率為:
 
2.2鎳鉻-金鐵熱電偶測(cè)溫誤差的數(shù)值計(jì)算
　　設(shè)鎳鉻-金鐵熱電偶電極直徑φ=0.1mm,則橫截面積A=7.85x10^-3mm²。在20--77K時(shí),金鐵和鎳鉻兩個(gè)電極的熱導(dǎo)率幾乎-樣,Kw=0.2T(W/cm·K),如果粘結(jié)物為低溫脂,其熱導(dǎo)率為KB=1.8x10^-4T(W/cm·K)。若低溫脂的厚度t=0.1mm,寬度n=0.2mm,則根據(jù)特征長(zhǎng)度的定義得L=2mm。。由式(9)可知當(dāng)0<M<10mm時(shí),△T0/△T1值如圖3所示。
 
　　由圖中差值可以得出,當(dāng)M=4mm時(shí)，△T0/△T1=0.266;而當(dāng)M=8mm時(shí)，△T0/△T1=0.036。
　　由此表明,隨著M的增加，線接觸情況下的測(cè)溫誤差與點(diǎn)接觸時(shí)誤差之比迅速減小,當(dāng)M為8mm時(shí),線接觸只有點(diǎn)接觸時(shí)的3.6%。
3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1實(shí)驗(yàn)裝置
　　采用鎳鉻-金鐵熱電偶在不同接觸情況下對(duì)樣品超導(dǎo)磁餅)的溫度進(jìn)行測(cè)量,以經(jīng)過(guò)標(biāo)定的二極管測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn),觀測(cè)熱電偶測(cè)溫的熱電勢(shì)隨溫度和接觸長(zhǎng)度變化的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如圖4、5所示,主要包括真空系統(tǒng)、低溫系統(tǒng),控溫系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。真空和低溫系統(tǒng)提供測(cè)試所需要的真空和低溫環(huán)境,主要包括GM制冷機(jī)、真空泵、杜瓦,防輻射屏等;冷頭和樣品的溫度由Lakeshore溫控儀進(jìn)行調(diào)節(jié);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集儀等。
一、二級(jí)防輻射屏分別與-一、二級(jí)冷頭相連,以減少輻射漏熱對(duì)測(cè)溫的影響。用低溫導(dǎo)熱膠將直徑0.1mm的鎳鉻-金鐵熱電偶粘在二級(jí)冷頭表面,樣品.上覆蓋錫箔紙減少輻射漏熱。通過(guò)航空插座導(dǎo)出熱電偶引線,與KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集儀相連以采集測(cè)得的電勢(shì)值。
 
3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程
3.2.1電極點(diǎn)接觸測(cè)溫
(1)首先在制冷機(jī)二級(jí)冷頭上安裝熱電偶,在電.極點(diǎn)涂抹低溫膠粘接于被測(cè)樣品上,覆蓋錫箔紙,安裝硅二極管溫度計(jì),隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)開(kāi)啟真空泵抽真空至真空度達(dá)到10-'Pa以上;
(3)開(kāi)啟制冷機(jī)降溫,經(jīng)過(guò)2小時(shí),二級(jí)冷頭溫度從室溫下降至15K左右,開(kāi)始控溫并保持溫度場(chǎng)穩(wěn)定,溫度達(dá)到穩(wěn)定后,記錄鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢(shì)值;
(4)改變控溫儀的控溫參數(shù),測(cè)量不同溫度下熱.電偶的熱電勢(shì)值。
3.2.2電極線接觸測(cè)溫
4)改變熱電偶接觸方式,將低溫導(dǎo)熱膠沿引線與樣品粘貼8mm左右,緊密固定，覆蓋錫箔紙，安裝二極管溫度計(jì),隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)重復(fù)3.2.1中步驟(2)(3)(4),測(cè)得接觸長(zhǎng)度為8mm時(shí)鎳鉻金鐵熱電偶在不同溫度下的熱電勢(shì)值。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　鎳鉻金鐵熱電偶不同接觸情況下熱電勢(shì)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6.7。
 
將圖6測(cè)量結(jié)果結(jié)合參考文獻(xiàn)1041]分析:
(1)77K以上時(shí),熱電勢(shì)測(cè)量誤差不大,且線性.度都比較好。.
(2)77K以下時(shí),電極點(diǎn)接觸情況下,熱電勢(shì)測(cè)量誤差相對(duì)較大;有8mm線接觸情況,誤差相對(duì)較小。
(3)在20K時(shí),電極點(diǎn)接觸情況下,熱電勢(shì)測(cè)量誤差達(dá)到6.8%,線性度較差;接觸長(zhǎng)度為8mm時(shí)，誤差只有0.96%,且保持較好的線性度。
由圖7可以看出:
(1)77K以上時(shí),靈敏度較好,在18μV/K)以上。
(2)77K以下時(shí),電極點(diǎn)接觸的情況下,靈敏度低;在8mm線接觸情況下,靈敏度較好。
(3)20K時(shí)，電極點(diǎn)接觸情況下，只有13μV/K)左右;在8mm線接觸情況下,靈敏度在16μV/K)以上。
　　由以上結(jié)果可以看出,溫度在77K以上時(shí),電極熱導(dǎo)率較大,熱傳導(dǎo)效果較好,測(cè)溫誤差相對(duì)較小,靈敏度也較高;在77K以下時(shí),測(cè)溫誤差相對(duì)較大,靈敏度下降很快,但在有8mm線接觸情況下,測(cè)溫誤差相對(duì)較小，靈敏度也較高;在20K時(shí),熱電勢(shì)測(cè)量誤差比只有電極點(diǎn)接觸時(shí)減小了85.3%。
4結(jié)論
　　通過(guò)對(duì)熱電偶測(cè)溫誤差模型的數(shù)值計(jì)算,分析了低溫下熱電偶測(cè)溫誤差的影響因素,并在此基礎(chǔ)上。對(duì)不同接觸情況下的鎳鉻金鐵熱電偶熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量與分析。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明:熱電偶測(cè)溫線接觸比點(diǎn)接觸誤差相對(duì)較小,靈敏度高。因此，在低溫測(cè)量中,要使測(cè)得的溫度真實(shí)反映出被測(cè)物體的溫度,提高測(cè)溫精度,關(guān)鍵是使熱電偶與被測(cè)物體有良好的熱接觸,并且接觸長(zhǎng)度應(yīng)有一一定值,該分析結(jié)論也可用于其它類型的低溫?zé)犭娕紲y(cè)溫系統(tǒng)中。