接觸長度對鎳鉻一金鐵熱電偶測溫精度影響

摘要:為了提高熱電偶在低溫下的測量精度,基于傅里葉導熱定律建立了測溫誤差的分析模型,分析了影響測溫精度的主要因素,對熱電偶與被測對象不同接觸情況下鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢進行了測量和研究。研究結果表明:溫度越低,測量誤差越大;增加接觸長度,可減小誤差。
1引言
　　在低溫工程的應用中,常常會涉及到對溫度的精確測量，熱電偶由于時間常數小，不存在電流的自加熱等優點,被廣泛應用于低溫測量中。在使用熱電偶測溫的低溫實驗中,產生溫度測量誤差的因素主要有接觸誤差、引線導熱引起的誤差、參考端溫度誤差、補償導線誤差和干擾誤差等。實驗中經常會遇到以下情況:采用同一對熱電偶在常壓下測溫誤差相對較小，但是在低溫高真空環境中,尤其在使用GM制冷.機直接冷卻實驗中,有時熱電偶測溫誤差會達到6%以上,嚴重影響測量結果的準確性。
　　熱電偶的測溫誤差進行了分析,但是對于高真空低溫環境下,接觸問題造成的誤差報道較少。為此,建立了一套溫度測量系統,對鎳鉻-金鐵熱電偶在真空和
　　低溫下的熱電勢進行了測量,對不同接觸條件下熱電偶測溫的準確性進行了分析,探討了高真空低溫條件下提高熱電偶測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
　　在使用低溫熱電偶測溫實驗中,為了改善熱接觸,一般在測量端涂.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。假設熱電極與溫度為T的物體有2M(-M-+M)長-段線接觸,在點x=0處,y方向.的溫差為△T0,即熱電偶測得溫度與被測物體實際溫度差值為△T0;在x=±M處,y方向溫差分別為△T1、△T2。在低溫情況下,假設所有的條件都是均等的，則有△T1=△T2,在電極點接觸情況下,溫差△T與線接觸時x=±M處差值相同,即△T=△T1=△T2。
 
　　在低溫:測量時,因為被測物的溫度T低于參考端冰水混合物的溫度T0,即T<Tn,所以,在接點x處,溫度為T(x)的熱電極與被測物之間的溫差將是:
△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為電極的熱導率,W/(m·K);A為電極的橫截面積cm²。
　　熱流流經粘接物處會有一部分熱流損失,這部分熱流通過粘結物沿y方向傳導至被測物體。如圖2,取微元x--x+dx,此時,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-金鐵熱電偶測溫誤差的數值計算
　　設鎳鉻-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,金鐵和鎳鉻兩個電極的熱導率幾乎-樣,Kw=0.2T(W/cm·K),如果粘結物為低溫脂,其熱導率為KB=1.8x10^-4T(W/cm·K)。若低溫脂的厚度t=0.1mm,寬度n=0.2mm,則根據特征長度的定義得L=2mm。。由式(9)可知當0<M<10mm時,△T0/△T1值如圖3所示。
 
　　由圖中差值可以得出,當M=4mm時，△T0/△T1=0.266;而當M=8mm時，△T0/△T1=0.036。
　　由此表明,隨著M的增加，線接觸情況下的測溫誤差與點接觸時誤差之比迅速減小,當M為8mm時,線接觸只有點接觸時的3.6%。
3實驗驗證
3.1實驗裝置
　　采用鎳鉻-金鐵熱電偶在不同接觸情況下對樣品超導磁餅)的溫度進行測量,以經過標定的二極管測溫數據作為標準,觀測熱電偶測溫的熱電勢隨溫度和接觸長度變化的規律。實驗儀器設備如圖4、5所示,主要包括真空系統、低溫系統,控溫系統以及數據采集系統。真空和低溫系統提供測試所需要的真空和低溫環境,主要包括GM制冷機、真空泵、杜瓦,防輻射屏等;冷頭和樣品的溫度由Lakeshore溫控儀進行調節;數據采集系統主要包括KEITHLEY2700數據采集儀等。
一、二級防輻射屏分別與-一、二級冷頭相連,以減少輻射漏熱對測溫的影響。用低溫導熱膠將直徑0.1mm的鎳鉻-金鐵熱電偶粘在二級冷頭表面,樣品.上覆蓋錫箔紙減少輻射漏熱。通過航空插座導出熱電偶引線,與KEITHLEY2700數據采集儀相連以采集測得的電勢值。
 
3.2實驗過程
3.2.1電極點接觸測溫
(1)首先在制冷機二級冷頭上安裝熱電偶,在電.極點涂抹低溫膠粘接于被測樣品上,覆蓋錫箔紙,安裝硅二極管溫度計,隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)開啟真空泵抽真空至真空度達到10-'Pa以上;
(3)開啟制冷機降溫,經過2小時,二級冷頭溫度從室溫下降至15K左右,開始控溫并保持溫度場穩定,溫度達到穩定后,記錄鎳鉻金鐵熱電偶的熱電勢值;
(4)改變控溫儀的控溫參數,測量不同溫度下熱.電偶的熱電勢值。
3.2.2電極線接觸測溫
4)改變熱電偶接觸方式,將低溫導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,隨后安裝防輻射屏和真空罩;
(2)重復3.2.1中步驟(2)(3)(4),測得接觸長度為8mm時鎳鉻金鐵熱電偶在不同溫度下的熱電勢值。
3.3實驗結果及分析
　　鎳鉻金鐵熱電偶不同接觸情況下熱電勢測量結果見圖6.7。
 
將圖6測量結果結合參考文獻1041]分析:
(1)77K以上時,熱電勢測量誤差不大,且線性.度都比較好。.
(2)77K以下時,電極點接觸情況下,熱電勢測量誤差相對較大;有8mm線接觸情況,誤差相對較小。
(3)在20K時,電極點接觸情況下,熱電勢測量誤差達到6.8%,線性度較差;接觸長度為8mm時，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,靈敏度較好,在18μV/K)以上。
(2)77K以下時,電極點接觸的情況下,靈敏度低;在8mm線接觸情況下,靈敏度較好。
(3)20K時，電極點接觸情況下，只有13μV/K)左右;在8mm線接觸情況下,靈敏度在16μV/K)以上。
　　由以上結果可以看出,溫度在77K以上時,電極熱導率較大,熱傳導效果較好,測溫誤差相對較小,靈敏度也較高;在77K以下時,測溫誤差相對較大,靈敏度下降很快,但在有8mm線接觸情況下,測溫誤差相對較小，靈敏度也較高;在20K時,熱電勢測量誤差比只有電極點接觸時減小了85.3%。
4結論
　　通過對熱電偶測溫誤差模型的數值計算,分析了低溫下熱電偶測溫誤差的影響因素,并在此基礎上。對不同接觸情況下的鎳鉻金鐵熱電偶熱電勢與溫度之間的關系進行了測量與分析。理論和實驗研究表明:熱電偶測溫線接觸比點接觸誤差相對較小,靈敏度高。因此，在低溫測量中,要使測得的溫度真實反映出被測物體的溫度,提高測溫精度,關鍵是使熱電偶與被測物體有良好的熱接觸,并且接觸長度應有一一定值,該分析結論也可用于其它類型的低溫熱電偶測溫系統中。