銅-康銅熱電偶的錫膜焊接及熱電特性

[摘要]提出一種制作銅-康銅熱電偶的新方法:錫膜焊接法。既保證了焊接設備價格低廉又避免了熱電偶出現沾污、脆斷等缺陷、利用此法制作的熱電偶,各熱電偶的一致性好,在-40~100℃溫度范圍內,與標準熱電偶的熱電特性吻合得很好。其精度達到±0.1℃.可作為二級標準溫度計使用。
1概述
　　銅-康銅熱電偶在-200~400℃的溫度范圍內,具有熱電勢和溫度關系近似線性,而且熱電勢大、靈敏度高、復制性好等優點,是一種精度高的廉金屬熱電偶,廣泛應用于制冷、空調設備的測試研究中。銅-康銅熱電偶分度號為T,在測量溫度時，紅色電極(Cu;100%)為正極,銀白色電極(Cu:55%,Ni:45%)為負極。
　　熱電偶的制作常采用以下幾種方法:電弧焊接法(包括直流電弧焊接和交流電弧焊接)、氬弧焊接、氣焊、碳粉焊接、鹽水焊接和水銀焊接。這些焊接方法,有各自的優點，但也存在著一定的缺陷和局限性。
在超小型熱電偶(電偶金屬絲直徑為0.01~0.1mm之間)制作方面,文獻[2]提出了將兩根電偶金屬絲絞成麻花樣,40~60V電壓下在含有草酸的氯化鈉水榕液中焊接的制造方法,利用此法可制取快響應、精度高的微型熱電偶。這種方法,實質上仍屬于鹽水焊接范疇,加入適量草酸可改善鹽水焊接對電極材料的選擇性。
　　針對銅-康銅等廉金屬熱電偶采用上述方法進行焊接所存在的不足,提出一種適合于電偶金屬絲直徑為0.03~0.5mm的熱電偶制作新方法一錫膜焊接法,該法既保證了焊接設備價格低廉,又避免了熱電偶出現沾污、脆斷等缺陷。經標定可知，各熱電偶的一致性好,在-40~100℃溫度范圍內,與標準熱電偶的熱電特性吻合得很好,其精度達到±0.1℃,可作為二級標準溫度計使用。
2用錫膜焊接法制作熱電偶
　　采用外被有絕緣膠皮的銅絲(外徑φ0.2mm)、康銅絲(外徑D0.2mm)作為熱電偶的兩電極,將兩種導線截成2~3m左右的線段,一端擰成麻花狀,鉸接長度約為5mm以待焊接。
　　熱電偶錫膜焊接裝置如圖1所示，在燒杯中盛入非易燃油,油內放入外被錫紙薄膜(稱為錫膜)的導電金屬環作為一個電極,熱電偶為另一電極,調節調壓器向兩電極之間提供約80V左右的交流電壓。焊接時,使熱電偶的鉸接部位接觸錫膜,起弧后迅速離開。熱電偶交接端部在接觸錫膜的瞬間造成短路現象,強大的短路電流使鉸接端部兩金屬迅速熔化,在油的冷卻和防氧化作用下，形成晶亮的小球。這種方法適合于導線直徑在φ0.3~0.5mm的熱電偶制作。
 
　　熱電偶制作質量的好壞直接影響熱電測溫的正確性，為減少傳熱誤差和動態誤差,焊點應盡量小,通常為二電極直徑和的兩倍左右。利用放大鏡對熱電偶逐個進行檢查可知,采用錫膜焊接法制作的熱電偶,其焊點為球形.且表面光滑，具有金屬光澤,對于直徑均為φ0.2mm的銅康銅絲制作的熱電偶,其焊點直徑具有良好的均一性(φ0.7~0.8mm)。
3熱電偶的標定.
3.1熱電偶標定裝置
　　制作好的熱電偶儒經過準確標定才能在測試中使用。對所制作的100對銅一康銅熱電偶在-40~100℃溫度范圍內進行了標定,其標定裝置的原理如圖2所示。在常溫以上采用CF503標準水槽,在常溫以下采用TRL-080低溫浴槽(載冷劑為乙二醇溶液)作為標準熱源和標準冷源,標定基準采用標準二級溫度計。
 
　　標定時,將5對熱電偶作為1個標定單元(共20個單元),將5對熱電偶的感溫接點和二級標準溫度計綁扎在一起，放置在恒溫浴槽的中央，待標準溫度計的讀數穩定后,利用琴鍵開關順序接通各熱電偶回路,從電位差計讀取熱電勢值,即通過標準溫度計讀數來標定熱電偶的精度和等級。
3.2熱電偶的精度檢驗及熱電特性
　　在-40~100℃溫度范圍內的15個溫度點,對采用錫膜焊接法制作的100對熱電偶進行標定,讀取在不同溫度點的熱電勢值,即在同一溫度條件下，測出第j(1≤j≤100)對熱電偶熱電勢值ij在相同儀器、儀表,相同的情況下，對同一溫度ti,所測得的100個熱電勢值應符合正態分布,否則,即說明制作出的熱電偶性能不均-，存在有不合格品。是否符合正態分布,必須經過顯著性檢驗。將ti時的100個測量值按規則分為m(m=10)組,進行x2檢驗,結果證實,制作的熱電偶在置信度為0.01水平下,都滿足x2<x20.01,7條件,說明熱電偶的均一性非常好,參見表2的檢驗結果。
 
　　進行比較,得到很好的吻臺,參見圖3。并且根據正態分布的“法則"和表2中所示的標準差數據,可以斷定，這批熱電偶在-40~100℃溫度范圍內,其精度達到±0.1℃。
 
4結論
　　錫膜焊接法熱電偶制作裝置結構簡單，成本低、操作方便,不僅適合于實驗室小批量的熱電偶制作,同時也可根據制造原理,開發相應的制造設備,實現大批量的生產。
　　運用錫膜焊接法制作的銅-康銅熱電偶一致性好,在-40~100℃溫度范圍內.與標準熱電偶的熱電特性吻合得很好,其精度可達到±0.1℃,可作為標準溫度計使用。
　　對于金屬絲直徑為0.03~0.5mm之間的廉價金屬熱電偶而言.錫膜焊接法是一種具有推廣價值的制作新方法。