銅－康銅測溫熱電偶的制作和標定

劉曉輝　魯墨森　譚婷婷

摘要：銅-康銅熱電偶以其靈敏度高、穩定可靠、抗震抗摔、互換性好、價格低廉、適用于遠距離測溫和自動控制等優勢，在農業和制冷工程中發揮著重要作用。通過選擇銅－康銅熱電偶的制作方法和標定方式，進行多項式回歸分析，表明熱鍍錫焊測頭非標準分度的銅－康銅熱電偶在－35～100℃范圍內的線性及一致性都較好，適于實驗室、農業和制冷工程測溫應用。

關鍵詞：銅－康銅熱電偶；熱電動勢；溫差；多項式回歸：線性

中圖分類號：TM938.6

文獻標識碼：A

文章編號：1002—2910(2009)05—0034—04

現代工業和農業測溫技術中，熱電偶具有靈敏度高、可靠、抗震抗摔、互換性好及適于遠距離測量和自動控制等優點，被廣泛應用于制冷、化工、食品、輕工、農業科學研究等領域。熱電偶的種類很多，不同材料組成的熱電偶其適用條件、測溫范圍、靈敏度等都有所不同，實際應用時還要考慮測量對象、測頭形狀、測頭大小和引線長度等多方面因素。銅－康銅熱電偶由銅和康銅兩種材料配對組成，其質地均勻、熱電勢大、靈敏度高、成本低廉、容易制作，在-200～400℃范圍內其溫差電勢與溫度之間具有良好線性，在制冷工程、農業氣候、生態、生理研究和生產等領域得到了廣泛的應用。

1銅－康銅熱電偶的結構和測溫原理

銅－康銅熱電偶又稱銅一銅鎳熱電偶，分度上屬T型熱電偶。是一種在±100℃常用溫度范圍內最佳的廉價金屬熱電偶。它的正極是純銅(Cu：100％)，負極為銅鎳合金(Cu：55％，Ni：45％)，常稱之為康銅。銅－康銅熱電偶的感溫測頭把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表顯示和記錄所測介質的溫度。

銅－康銅熱電偶利用“塞貝克(Seebeck)效應”測量溫度，即將兩種不同材料的導體銅和康銅連接起來，組成一個閉合回路。當其連接的兩端處于不同溫度場時，便產生溫差，溫差產生相應的電動勢——熱電動勢，通過測定該熱電勢的大小就可以實現溫度的測量，這就是所謂的塞貝克效應(圖1)。兩種不同成分的均質導體銅和康銅為熱電極，在被測介質中，連接的一端為測量端(工作端或測頭)，另一端為參考端(恒溫端)。只要保持參考端溫度不變，則熱電偶的輸出熱電勢就是所測介質溫度t的單值函數。熱電偶回路中，熱電動勢的值與組成熱電偶的金屬材料性質、測量端與參考端的溫度差的大小有關，而與熱電極的長短、直徑和形狀等無關，這就決定了我們采用銅－康銅熱電偶測溫時，可以根據需要選擇線材和制作測頭。

2銅－康銅熱電偶的材料選擇

理論上任何一種銅絲和康銅絲都可以組成一對熱電偶，但實際應用中，需通過認真選擇才能制成實用的熱電偶。首先要考慮材料的均質性，試驗證明，只有均質的銅和康銅材料，才能制作出測溫準確的熱電偶；其次要考慮到機械強度、韌性、絕緣性能及測頭大小和價格等方面選擇熱電偶絲的直徑與長度。熱電偶絲的直徑與長度雖不影響熱電動勢的大小，但它卻直接與熱電偶使用壽命、動態響應特性及線路電阻有關。因此，它的正確選擇也是很重要的。直徑越大，使用溫度越高，使用壽命就越長，但響應時間也隨著延長；直徑越小，熱電偶靈敏度越高，但測溫頭越小，線路電阻增大，會影響測量的準確度，機械強度也減小，容易斷偶。為了防止熱電偶測溫時短路，熱電偶絲選取塑膜漆包線最好，選擇漆包均勻、無脫落、絕緣性能好的線材。試驗表明，在農業和制冷工程測溫中，可選用直徑0.5mm左右的塑膜漆包銅絲和漆包康銅絲作為熱電偶的制作材料。

3銅－康銅熱電偶的制作

3.1銅－康銅熱電偶測量端焊接方式的選擇

銅－康銅熱電偶的測量端放人被測環境中或物體上，感受被測介質的溫度。測量端焊接質量的好壞直接影響熱電偶測溫的可靠性與穩定性，銅和康銅測量端的焊接要求接觸良好、牢固、表面光滑、無夾渣和裂紋、無氣孔、無沾污變質等。

熱電偶測量端的焊接方法很多，有氣焊法、電弧焊法、對焊法、直流氬弧焊法、鹽浴焊接法及光纖激光微細焊接法、錫膜焊接法等。試驗確定了熱鍍錫膜焊接法，相對于工業熱電偶，這種方法焊接的熱電偶更適于實驗室和制冷工程及農業測溫應用。

3.2銅－康銅熱電偶的制作程序

3.2.1偶絲和保護管的選取選用直徑為0.5mm塑膜漆包銅絲(Cu：100％紅色)及0.5mm漆包康銅絲(Cu：55％，Ni：45％玫瑰紅色)作為熱電偶絲。將選好的兩種熱電偶絲分別截成所需要的長度，一起套入內徑為2—4mm軟質塑料保護管中，這種塑料偶絲保護管，既具有一定的機械強度和撓度又容易制作。

3.2.2參考端和引線的焊接用錫焊接法將兩根銅芯連接導線與兩根熱電偶絲分別焊接，焊接點長度10mm左右。選取長度約150mm左右、直徑10mm左右的薄壁塑料管，底部熱合密封后，灌入變壓器油。將銅絲與導線、康銅絲與導線的焊接點分別插入灌好變壓油的塑料管中，用棉球塞緊端口，扎緊密封(以不漏油不進水為度)，作為熱電偶的參考端。參考端引出的兩條銅芯連接導線按正(銅)負(康銅)極接到測量儀表相應輸入信號端點上。

3.2.3測量端熱鍍錫膜焊接用細磨砂紙把偶絲待焊端(約1cm長)的塑膜、漆膜和氧化層清除干凈。把銅和康銅兩根偶絲并在一起，用尖嘴鉗扭緊成麻花狀，焊接時保留1-2匝絞合頭，將多余部分剪去，以絞合頭不松動為佳。把做好的絞合頭用電烙鐵熱鍍錫焊法焊出測頭，用放大鏡觀測焊點是否圓潤光滑，用萬用表電阻檔測偶絲電阻，檢驗測頭是否接觸良好。

3.2.4測量端的保護測量端測頭可做成裸頭、針式、管式、片式、球式、平板式等。裸頭測量端選取內徑為0.8mm的薄壁塑料管套于焊接頭端，只留出半個或整個球狀測量頭，用絕緣漆滴到焊接好的測頭上，經烘制做成有絕緣性能的測量端。

4銅－康銅熱電偶的標定

熱電偶的溫差電動勢主要取決于所選用的材料和兩個端點的溫度，而材料中所含的雜質和加工工藝過程也會對它產生一定的影響。因而，即使都是由同樣的兩種材料組成的熱電偶，它們的溫差電動勢與溫度的關系也可能有差別。所以對于每一支焊好的熱電偶，必須標定其熱電勢與溫度的對應關系方可用于互換和對比測定。

實驗室通常采用比較法和固定溫度點法進行標定。

比較法：用被校熱電偶與標準熱電偶測同一溫度，得到一組被校熱電偶與標準熱電偶的電動勢值，然后由標準熱電偶的某熱電動勢的值查得對應的溫度，就可得此溫度下對應的被校熱電偶的熱電動勢，做出被校熱電偶的溫度——熱電動勢曲線。

固定溫度點法：在熱電偶的線形范圍內，固定參考端溫度(0℃)，假設熱電動勢與溫度差的關系為：E=at+bt²+……，測出不同的已知溫度t下對應的熱電動勢，則可得到溫度與熱

電動勢關系曲線，用多項式回歸法確定常數a，b。

本試驗采用兩種方法結合進行銅－康銅熱電偶的標定。

利用Origin Lab公司的origin Pro 8.0軟件對熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶的標定結果多項式回歸，并利用F檢驗及回歸系數R²的值，確定實驗數據擬合優度及最佳擬合階數，分析結果如下：

根據所得實驗數據即可做出熱電偶的溫度——熱電勢關系曲線(E／t關系曲線)，如圖2，3所示。利用F檢驗來檢驗多項式回歸的顯著性，取α=1％(表1)。

查表得F_0.01(1，27)：7.68，F_0.01(2，26)：5.53。顯見F₁>F_0.01(1，27)，F₂>F_0.01，(2，26)，所以，銅－康銅熱電偶溫度與熱電勢的線性回歸和二次回歸均顯著，這說明熱鍍錫膜焊接的銅－康銅熱電偶具有較好的熱電特性，完全可以用于-35～100℃的溫度測量。

R²₂=1>R²₁=0.9994，表明熱鍍錫膜銅-康銅熱電偶溫度與熱電勢的二次回歸優于線性回歸，即最佳擬合階數為2。

實際應用中，線性回歸就可以滿足一般測溫精度的要求，且計算簡單、應用方便。采用二次回歸是為了獲得更為準確的銅－康銅熱電偶的分度表。

5銅－康銅熱電偶測溫時影響準確度的幾個方面

引線接點處要防水以防短路；引線的正負極一定要與熱電偶的正負極相對應，否則會引起測量誤差；參考端溫度一定要恒溫，最好用冰浴保持0℃；減小動態誤差：盡量縮小熱電偶測量端的體積，以減小測量端的熱容量，提高響應速度。使用的檢測記錄儀表采集數據時選取時間間隔盡量小，達到秒級為宜；根據熱電偶的最高使用溫度選擇合適的絕緣材料，保證在整個測溫范圍內都能有足夠的絕緣電阻；多點測量時，選擇熱電偶要性能穩定和一致性好的類型；在測溫過程中定期對熱電偶進行溫度標定。

6小結

通過對銅－康銅熱電偶的制作標定及多項式回歸分析表明，熱鍍錫膜焊接的銅－康銅熱電偶的制作工藝容易掌握，測頭光滑、無污染、不斷偶、一致性好、擬合優度好。無論是線性擬合，還是二次擬合都能滿足測溫精度的要求。銅－康銅熱電偶在農業工程及制冷工程應用中，采用線性擬合，便于直接計算；利用二次擬合可獲得更為準確的銅－康銅熱電偶的分度表。銅－康銅熱電偶測溫靈敏度高，熱電勢值大，測溫精度高，一致性好，價格低廉，在-35～100℃溫度范圍內，其測溫精度能達到±0.05℃。在使用銅－康銅熱電偶時，為了保證測溫的準確度，要注意參考端溫度、動態誤差、測量端的絕緣性能等幾個方面的問題。