铜－康铜测温热电偶的制作和标定

刘晓辉　鲁墨森　谭婷婷

摘要：铜-康铜热电偶以其灵敏度高、稳定可靠、抗震抗摔、互换性好、价格低廉、适用于远距离测温和自动控制等优势，在农业和制冷工程中发挥着重要作用。通过选择铜－康铜热电偶的制作方法和标定方式，进行多项式回归分析，表明热镀锡焊测头非标准分度的铜－康铜热电偶在－35～100℃范围内的线性及一致性都较好，适于实验室、农业和制冷工程测温应用。

关键词：铜－康铜热电偶；热电动势；温差；多项式回归：线性

中图分类号：TM938.6

文献标识码：A

文章编号：1002—2910(2009)05—0034—04

现代工业和农业测温技术中，热电偶具有灵敏度高、可靠、抗震抗摔、互换性好及适于远距离测量和自动控制等优点，被广泛应用于制冷、化工、食品、轻工、农业科学研究等领域。热电偶的种类很多，不同材料组成的热电偶其适用条件、测温范围、灵敏度等都有所不同，实际应用时还要考虑测量对象、测头形状、测头大小和引线长度等多方面因素。铜－康铜热电偶由铜和康铜两种材料配对组成，其质地均匀、热电势大、灵敏度高、成本低廉、容易制作，在-200～400℃范围内其温差电势与温度之间具有良好线性，在制冷工程、农业气候、生态、生理研究和生产等领域得到了广泛的应用。

1铜－康铜热电偶的结构和测温原理

铜－康铜热电偶又称铜一铜镍热电偶，分度上属T型热电偶。是一种在±100℃常用温度范围内最佳的廉价金属热电偶。它的正极是纯铜(Cu：100％)，负极为铜镍合金(Cu：55％，Ni：45％)，常称之为康铜。铜－康铜热电偶的感温测头把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表显示和记录所测介质的温度。

铜－康铜热电偶利用“塞贝克(Seebeck)效应”测量温度，即将两种不同材料的导体铜和康铜连接起来，组成一个闭合回路。当其连接的两端处于不同温度场时，便产生温差，温差产生相应的电动势——热电动势，通过测定该热电势的大小就可以实现温度的测量，这就是所谓的塞贝克效应(图1)。两种不同成分的均质导体铜和康铜为热电极，在被测介质中，连接的一端为测量端(工作端或测头)，另一端为参考端(恒温端)。只要保持参考端温度不变，则热电偶的输出热电势就是所测介质温度t的单值函数。热电偶回路中，热电动势的值与组成热电偶的金属材料性质、测量端与参考端的温度差的大小有关，而与热电极的长短、直径和形状等无关，这就决定了我们采用铜－康铜热电偶测温时，可以根据需要选择线材和制作测头。

2铜－康铜热电偶的材料选择

理论上任何一种铜丝和康铜丝都可以组成一对热电偶，但实际应用中，需通过认真选择才能制成实用的热电偶。首先要考虑材料的均质性，试验证明，只有均质的铜和康铜材料，才能制作出测温准确的热电偶；其次要考虑到机械强度、韧性、绝缘性能及测头大小和价格等方面选择热电偶丝的直径与长度。热电偶丝的直径与长度虽不影响热电动势的大小，但它却直接与热电偶使用寿命、动态响应特性及线路电阻有关。因此，它的正确选择也是很重要的。直径越大，使用温度越高，使用寿命就越长，但响应时间也随着延长；直径越小，热电偶灵敏度越高，但测温头越小，线路电阻增大，会影响测量的准确度，机械强度也减小，容易断偶。为了防止热电偶测温时短路，热电偶丝选取塑膜漆包线最好，选择漆包均匀、无脱落、绝缘性能好的线材。试验表明，在农业和制冷工程测温中，可选用直径0.5mm左右的塑膜漆包铜丝和漆包康铜丝作为热电偶的制作材料。

3铜－康铜热电偶的制作

3.1铜－康铜热电偶测量端焊接方式的选择

铜－康铜热电偶的测量端放人被测环境中或物体上，感受被测介质的温度。测量端焊接质量的好坏直接影响热电偶测温的可靠性与稳定性，铜和康铜测量端的焊接要求接触良好、牢固、表面光滑、无夹渣和裂纹、无气孔、无沾污变质等。

热电偶测量端的焊接方法很多，有气焊法、电弧焊法、对焊法、直流氩弧焊法、盐浴焊接法及光纤激光微细焊接法、锡膜焊接法等。试验确定了热镀锡膜焊接法，相对于工业热电偶，这种方法焊接的热电偶更适于实验室和制冷工程及农业测温应用。

3.2铜－康铜热电偶的制作程序

3.2.1偶丝和保护管的选取选用直径为0.5mm塑膜漆包铜丝(Cu：100％红色)及0.5mm漆包康铜丝(Cu：55％，Ni：45％玫瑰红色)作为热电偶丝。将选好的两种热电偶丝分别截成所需要的长度，一起套入内径为2—4mm软质塑料保护管中，这种塑料偶丝保护管，既具有一定的机械强度和挠度又容易制作。

3.2.2参考端和引线的焊接用锡焊接法将两根铜芯连接导线与两根热电偶丝分别焊接，焊接点长度10mm左右。选取长度约150mm左右、直径10mm左右的薄壁塑料管，底部热合密封后，灌入变压器油。将铜丝与导线、康铜丝与导线的焊接点分别插入灌好变压油的塑料管中，用棉球塞紧端口，扎紧密封(以不漏油不进水为度)，作为热电偶的参考端。参考端引出的两条铜芯连接导线按正(铜)负(康铜)极接到测量仪表相应输入信号端点上。

3.2.3测量端热镀锡膜焊接用细磨砂纸把偶丝待焊端(约1cm长)的塑膜、漆膜和氧化层清除干净。把铜和康铜两根偶丝并在一起，用尖嘴钳扭紧成麻花状，焊接时保留1-2匝绞合头，将多余部分剪去，以绞合头不松动为佳。把做好的绞合头用电烙铁热镀锡焊法焊出测头，用放大镜观测焊点是否圆润光滑，用万用表电阻档测偶丝电阻，检验测头是否接触良好。

3.2.4测量端的保护测量端测头可做成裸头、针式、管式、片式、球式、平板式等。裸头测量端选取内径为0.8mm的薄壁塑料管套于焊接头端，只留出半个或整个球状测量头，用绝缘漆滴到焊接好的测头上，经烘制做成有绝缘性能的测量端。

4铜－康铜热电偶的标定

热电偶的温差电动势主要取决于所选用的材料和两个端点的温度，而材料中所含的杂质和加工工艺过程也会对它产生一定的影响。因而，即使都是由同样的两种材料组成的热电偶，它们的温差电动势与温度的关系也可能有差别。所以对于每一支焊好的热电偶，必须标定其热电势与温度的对应关系方可用于互换和对比测定。

实验室通常采用比较法和固定温度点法进行标定。

比较法：用被校热电偶与标准热电偶测同一温度，得到一组被校热电偶与标准热电偶的电动势值，然后由标准热电偶的某热电动势的值查得对应的温度，就可得此温度下对应的被校热电偶的热电动势，做出被校热电偶的温度——热电动势曲线。

固定温度点法：在热电偶的线形范围内，固定参考端温度(0℃)，假设热电动势与温度差的关系为：E=at+bt²+……，测出不同的已知温度t下对应的热电动势，则可得到温度与热

电动势关系曲线，用多项式回归法确定常数a，b。

本试验采用两种方法结合进行铜－康铜热电偶的标定。

利用Origin Lab公司的origin Pro 8.0软件对热镀锡膜铜－康铜热电偶的标定结果多项式回归，并利用F检验及回归系数R²的值，确定实验数据拟合优度及最佳拟合阶数，分析结果如下：

根据所得实验数据即可做出热电偶的温度——热电势关系曲线(E／t关系曲线)，如图2，3所示。利用F检验来检验多项式回归的显著性，取α=1％(表1)。

查表得F_0.01(1，27)：7.68，F_0.01(2，26)：5.53。显见F₁>F_0.01(1，27)，F₂>F_0.01，(2，26)，所以，铜－康铜热电偶温度与热电势的线性回归和二次回归均显著，这说明热镀锡膜焊接的铜－康铜热电偶具有较好的热电特性，完全可以用于-35～100℃的温度测量。

R²₂=1>R²₁=0.9994，表明热镀锡膜铜-康铜热电偶温度与热电势的二次回归优于线性回归，即最佳拟合阶数为2。

实际应用中，线性回归就可以满足一般测温精度的要求，且计算简单、应用方便。采用二次回归是为了获得更为准确的铜－康铜热电偶的分度表。

5铜－康铜热电偶测温时影响准确度的几个方面

引线接点处要防水以防短路；引线的正负极一定要与热电偶的正负极相对应，否则会引起测量误差；参考端温度一定要恒温，最好用冰浴保持0℃；减小动态误差：尽量缩小热电偶测量端的体积，以减小测量端的热容量，提高响应速度。使用的检测记录仪表采集数据时选取时间间隔尽量小，达到秒级为宜；根据热电偶的最高使用温度选择合适的绝缘材料，保证在整个测温范围内都能有足够的绝缘电阻；多点测量时，选择热电偶要性能稳定和一致性好的类型；在测温过程中定期对热电偶进行温度标定。

6小结

通过对铜－康铜热电偶的制作标定及多项式回归分析表明，热镀锡膜焊接的铜－康铜热电偶的制作工艺容易掌握，测头光滑、无污染、不断偶、一致性好、拟合优度好。无论是线性拟合，还是二次拟合都能满足测温精度的要求。铜－康铜热电偶在农业工程及制冷工程应用中，采用线性拟合，便于直接计算；利用二次拟合可获得更为准确的铜－康铜热电偶的分度表。铜－康铜热电偶测温灵敏度高，热电势值大，测温精度高，一致性好，价格低廉，在-35～100℃温度范围内，其测温精度能达到±0.05℃。在使用铜－康铜热电偶时，为了保证测温的准确度，要注意参考端温度、动态误差、测量端的绝缘性能等几个方面的问题。