焊錫對(duì)熱電偶測(cè)溫誤差影響分析

摘要:航天器真空熱試驗(yàn)中為了消除焊錫可能帶來的溫差熱電勢(shì)，文章采用Keithley2750數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，通過比較法對(duì)焊錫與銅、焊錫與康銅之間的溫差熱電勢(shì)進(jìn)行了測(cè)試分析。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶選擇銅-康銅熱電偶，測(cè)試溫度范圍為-195-+75℃.測(cè)試時(shí)，熱電偶冷端為冰水混合物，熱端為液氮浸泡過的不銹鋼圓柱體或熱水瓶。為了確?；芈分械暮更c(diǎn)處于相同的熱環(huán)境條件，可采用多層隔熱組件進(jìn)行包覆，避免接插件直接接觸熱沉。
1引言
       航天器真空熱試驗(yàn)中大量使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，在測(cè)量回路中有多處焊點(diǎn)采用焊錫焊接。根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律，如果焊錫點(diǎn)溫度不--致，就會(huì)帶來附加熱電勢(shì)。本文的目的是研究焊錫_銅和焊錫-康銅在不同溫差下的熱電勢(shì)，分析該熱電勢(shì)對(duì)銅-康銅熱電偶熱電勢(shì)的影響程度。
2熱電偶測(cè)溫原理及測(cè)試
2.1熱電偶基本原理
       如果用A.B兩種不同的金屬構(gòu)成一閉合電路，并使兩接點(diǎn)處于不同溫度，如圖1所示，則電路中將產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)(U)，并且有溫差電流流過，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)。

       熱電偶的中間導(dǎo)體定律證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度,這個(gè)閉合電路中的溫差熱電勢(shì)總是和只由A、B兩種金屬組成的溫差電偶中的溫差熱電勢(shì)-一樣。如果第三種金屬兩端溫度不同，則將產(chǎn)生附加熱電勢(shì),帶來熱電偶測(cè)量誤差。
2.2熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)原理.
       熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)原理如圖2所示。測(cè)試過程中通過測(cè)量?jī)x器分別測(cè)量通道中1至49針與第50針之間的熱電勢(shì)，參考點(diǎn)的溫度通過鉑電阻測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算可以得到測(cè)點(diǎn)1至49的溫度值。在測(cè)量回路中，測(cè)量電纜與容器內(nèi)插頭插針之間、測(cè)量電纜與容器穿墻插頭插針之間、熱電偶線與星上插頭插針之間由于材料不同，如果存在溫差都有可能產(chǎn)生溫差熱電勢(shì)。本文主要研究熱電偶銅線與焊錫之間、熱電偶康銅線與焊錫之間的溫差熱電勢(shì)，即在圖中A、C、D三點(diǎn)可能形成的康銅-焊錫熱電偶及E、F兩點(diǎn)可能形成的銅-焊錫熱電偶溫差熱電勢(shì)叼。

2.3熱電偶的定標(biāo)
       熱電偶定標(biāo)的方法主要有兩種。
(1)比較法:即用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被校熱電偶測(cè)同-溫度，得到--組數(shù)據(jù)，由標(biāo)準(zhǔn)熱電偶所測(cè)熱電勢(shì)對(duì)被校熱電偶測(cè)得熱電勢(shì)進(jìn)行校準(zhǔn)。在被校熱電偶的使用范圍內(nèi)改變不同的溫度、進(jìn)行逐點(diǎn)校準(zhǔn)，即可得到被校熱電偶的校準(zhǔn)曲線。
(2)固定點(diǎn)法:利用幾種合適的純物質(zhì)在一-定氣壓下(--般是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，將這些純物質(zhì)的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)溫度作為已知溫度，測(cè)出熱電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì),從而得到熱電勢(shì)以及熱電勢(shì)與溫度關(guān)系曲線，即校準(zhǔn)曲線。
3焊錫附加熱電勢(shì)測(cè)量方法
       焊錫為錫與其他金屬的合金,熱電偶回路焊接中經(jīng)常用到的焊錫是由錫和鉛兩種金屬按一定比例融合而成的。
       當(dāng)錫和鉛按比例融合后構(gòu)成錫鉛合金焊料,此時(shí)其熔點(diǎn)變低,使用方便，并能與大多數(shù)金屬結(jié)合。焊錫的熔點(diǎn)會(huì)隨著錫鉛比例的不同而變化，錫鉛合金的熔點(diǎn)低于任何其他合金的熔點(diǎn)。優(yōu)質(zhì)焊錫的錫鉛比例是按63%的錫和37%的鉛配比的，其熔點(diǎn)為183℃。
       本文采用比較法進(jìn)行銅-焊錫、康銅-焊錫之間熱電勢(shì)的測(cè)量。選用的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶為銅-康銅熱電偶，牌號(hào)為06-06-15。焊錫材料為錫鉛合金，直徑為1.05mm,材料的配比為Sn占63%,Pb占37%。
共制作3種熱電偶，分別為銅-康銅、焊錫-康銅、焊錫~銅，每種熱電偶分別制作2支，共6支。銅-康銅熱電偶通過熔焊制作，未引入焊錫材料;焊錫-康銅熱電偶、焊錫-銅熱電偶直接通過焊錫焊接。6支熱電偶信號(hào)測(cè)量端通過壓接方式接入7702接線盒。
       定標(biāo)時(shí)把恒溫端浸入冰水共存的保溫杯中，熱端插入變溫體中。高溫端(0℃以上)變溫體為裝有熱水的瓶子，熱水瓶在空氣中自然降溫，得到0℃以上的溫度變化環(huán)境。低溫端(0℃以下)變溫體為采用不銹鋼加工的圓柱體,直徑為100mm,高度為100mm。在圓柱體表面直徑為60mm的圓周上加工6個(gè)直徑6mm、深30mm的沉孔，將6支熱電偶分別放入6個(gè)沉孔中，用導(dǎo)熱硅脂填充。測(cè)試時(shí)采用液氮將圓柱體冷透，放在空”(環(huán)境下回溫，從而得到變溫環(huán)境。
       測(cè)溫采用Keithley2750數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)凹,系統(tǒng)由2750數(shù)字多用表、7702接線盒、E5810網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)組成，使用專用測(cè)量軟件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量系統(tǒng)精度為士3.5μV,分辨率為士0.1μV,采樣周期為60s。數(shù)采系統(tǒng)通過E5810網(wǎng)關(guān)將GPIB接口轉(zhuǎn)成LAN接口接入數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。測(cè)試原理見圖3。

        測(cè)試過程中，始終保持恒溫端處于冰水混合狀態(tài)，則變溫體溫度即為熱電偶的溫差。本文首先進(jìn)行高溫端熱電勢(shì)的測(cè)試，溫度范圍為7~75℃范圍;其次進(jìn)行低溫端熱電勢(shì)的測(cè)試，溫度范圍為-195~+10℃。
4結(jié)果分析
4.1溫差計(jì)算
       熱電偶正負(fù)端的溫差是通過銅-康銅熱電偶測(cè)得的。首先，根據(jù)牌號(hào)為06-06-15銅-康銅熱電偶分度表對(duì)溫差-熱電勢(shì)進(jìn)行擬合，擬合分3段完成回。擬合公式為

4.2焊錫材料與銅、康銅之間熱電勢(shì)分析
       根據(jù)公式(1)擬合結(jié)果及實(shí)際測(cè)量的銅-康銅熱電勢(shì)計(jì)算得出變溫體溫度，根據(jù)此溫度及測(cè)得的銅-焊錫、康銅-焊錫熱電勢(shì)即可得到銅-焊錫溫差與熱電勢(shì)、康銅~焊錫溫差與熱電勢(shì)之間的關(guān)系。
       圖4為2支銅-焊錫熱電偶溫差與熱電勢(shì)關(guān)系圖，圖5為2支康銅-焊錫、2支銅-康銅共4支熱電偶溫差與熱電勢(shì)關(guān)系圖。3種熱電偶熱電勢(shì)的算術(shù)平均值與3種熱電偶熱電勢(shì)與溫差之間的關(guān)系見圖6。從圖4、圖5可以看出，3種熱電偶測(cè)試數(shù)據(jù)具有較高的一-致性。

       擬合銅-焊錫、康銅-焊錫溫差與熱電勢(shì)之間的關(guān)系，得出


內(nèi)，相同溫差下，?在85%~95%之間，平均值為92%;?在6.2%~7.4%之間，平均值為7.1%。即相同的溫差下，康銅-焊錫之間產(chǎn)生的熱電勢(shì)比銅-焊錫之間產(chǎn)生的熱電勢(shì)大得多。
5結(jié)論
       相同的溫差下，焊錫-康銅之間的熱電勢(shì)平均為銅-康銅之間熱電勢(shì)的92%，焊錫.銅之間的熱電勢(shì)平均為銅-康銅之間的溫差熱電勢(shì)的7.1%。
       在熱電偶回路中,應(yīng)該確保被焊接兩種材料直接接觸，避免虛接或斷開而靠焊錫連接。對(duì)于焊點(diǎn)處，應(yīng)避免其周圍熱邊界差異很大，如將插頭直接放置在熱沉上等，因?yàn)椴孱^內(nèi)焊點(diǎn)處于不同的溫度場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生溫差，給測(cè)量系統(tǒng)帶來附加熱電勢(shì)。在試驗(yàn)過程中，需要將焊點(diǎn)等處用多層隔熱組件包裹，將其懸掛起來避免直接和熱沉接觸。
       目前正在研究新的熱電偶制作工藝,熱電偶焊點(diǎn)采用壓接技術(shù)而不引入焊錫,這樣就可以徹底避免焊錫所帶來的附加熱電勢(shì)，提高熱電偶的測(cè)溫精度。