CN105973504B - 一种77k～90k温区热电偶标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种77K～90K温区热电偶标定系统及方法。标定系统包括：低温敞口容器、冰点槽、不同混合比例下的液氮‑液氧混合液、标准温度计、数据采集设备。本方法利用不同液氮‑液氧混合混合比例获得稳定的介于77K～90K之间温度，对热电偶在液氮温区进行标定拟合，得到热电偶在该温区范围内的测温公式，同时得出该拟合公式的总不确定度。该套系统及方法具有可快速搭建，成本低廉，操作简单，标定条件易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及低温制冷工程技术领域，尤其涉及一种77K～90K温区热电偶标定系统及方法。
背景技术
在液氮汽蚀实验中，实验段温度范围在77K～90K之间，且温度变化频率非常快，热电偶以其优异的动态响应特性被用于液氮汽蚀实验的实验段温度测量。
一种传统的、简单的低温热电偶的标定方式是利用一个标准大气压下液氮沸点、冰水混合物温度点、沸水点三个温度点作为标定点，进而拟合一个热电偶电势关于温度的二次函数，把这个函数关系式作为热电偶在77K～373K之间使用的测温关系式。这种方式存在三个问题：第一，标定点的温度跨度太大，导致得到的公式的准确度不高；第二，二次拟合时需要计算三个参量，利用三点进行二次拟合固然可以得出二次曲线的表达式，却不能得到该条曲线进行温度测量的结果可靠性的任何结论(二次拟合时拟合点与曲线的偏差程度δy， A、B、C为通过三点计算而得的二次曲线的系数，γ＝N-3＝0为自由度，此时三点正好在拟合曲线上，出现0/0的情形)；第三，获得的关系式是热电偶电势关于温度的函数关系式，而在实际应用时，使用者测得的是不同温度下的热电偶电势差，再根据相关标准热电偶电势差与温度的对应关系，计算获得的电势差对应的温度，该公式在实际使用时不具备很好的易用性。
针对上述传统的低温热电偶的标定方法的前三个问题，若热电偶测温范围在液氮温区，其中一种解决方式是通过将液氮放置在一个密闭不绝热容器内，通过改变容器内的压强，以获得不同压力下的液氮对应的不同温度的沸点从而获得多个标定点以进行低温热电偶的标定。这种方式操作复杂，设备成本较高。
中国专利CN 202614403 U公开了一种具有高耐压高精度的深低温热电偶，其发明侧重点在于耐压结构，并没有对热电偶的标定方式及精度分析做出说明；中国专利CN201327420Y公开了一种LNG、LPG罐区多点密封低温挠性热电偶装置，其发明侧重点在于对热电偶温度计的形状结构做出了创新型设计，并没有涉及该低温热电偶的标定程序；中国专利CN 202562656 U公开了一种热电偶标定装置，该发明旨在提供工作于1500℃-1700℃之间的热电偶的标定方案，利用检定炉进行升温，升温曲线利用智能温度调节仪进行设定，利用熔丝法对热电偶进行标定，该标定方法成本高，没有对误差进行说明，同时该方法不适用于低温下热电偶的标定。中国专利CN 104458059 A公开了一种热电偶串的标定装置该装置可实现方便、快捷地对热电偶串进行标定，其不同的温度点使用室温的自然变化来实现，室温的稳定性并不好，其所使用的温度计在进行室温读取时会有比较大的延迟，造成该装置不适用于高精度要求的热电偶标定，同时也不能实现对低温热电偶的标定。
日本专利JP 10274869 A公开了一种热电偶标定炉设备及使用其对热电偶进行标定的方法，该设备可实现在100℃-1600℃之间对热电偶进行定点标定，但其不涉及低温热电偶的标定。俄罗斯专利RU 2505380 C1公开了一种在金属切削过程中的动态热电偶标定方法，该种方法可以对金属切割过程中测量切削刀具动态温度的热电偶进行较为便捷的标定，并且获得较好的测温精度，但该种方法标定而得的热电偶针对的是金属切削加工工工艺中刀具的温度测量，不适用于低温热电偶的标定。俄罗斯专利RU 2520291 C2公开了一种自然热电偶的标定装置，使用该装置进行标定可提高自然热电偶法测量金属切削过程中刀具温度的精度，该方法是金属加工领域的测温技术改进，无法将热电偶应用温区扩展到液氮温区，不涉及低温热电偶的标定、使用技术。
综上所述，针对于液氮汽蚀实验，为获得可靠高精度数据，有必要对热电偶在77K～90K温度范围内进行标定，关键是获得77K～90K间若干个稳定的温度点，并给出测得温度的不确定度且所得测温精度较高的方法。
发明内容
本发明提供一套操作简便、成本较低且标定结果精度高的应用于77K～90K范围内进行温度测量的低温热电偶标定系统及标定方法。该方法能够方便地对应用于液氮汽蚀实验中温度测量的热电偶进行标定，并且获得满足实验精度要求的低温热电偶。
本发明的技术方案如下：
本发明公开了一种液氮温区的热电偶标定系统，整个系统包括：第一标准温度计、低温敞口容器、待标定热电偶、液氮-液氧混合液、冰点槽、冰水混合物、漆包线、第二标准温度计、数据采集设备、绝缘胶布，液氮-液氧混合液盛载于低温敞口容器内，冰水混合物盛载于冰点槽内，待标定热电偶的测温端与第一标准温度计的感温端用绝缘胶布绑定在一起置于液氮-液氧混合液内，待标定热电偶的参考端与第二标准温度计的感温端用绝缘胶布绑定在一起置于冰水混合物内且不与冰发生直接接触，待标定热电偶的偶丝与漆包线一端通过焊锡焊接在一起，漆包线另一端连接到数据采集设备上，第一标准温度计、第二标准温度计测温时的相应数据也要传输至数据采集设备上。
进一步的，所述的低温敞口容器为敞口绝热容器，可使用隔热效果较好的材料制作的敞口容器作为该器材进行应用。在大气环境下，装有不同比例混合的液氮-液氧混合液。
进一步的，通过改变低温敞口容器内的液氮-液氧混合液比例，获得77K～90K温区范围内的温度点，该温度由第二标准温度计测量。用作为热电偶标定过程中的标定点。
所述的液氮温区热电偶标定系统对工作于液氮温区的热电偶的标定方法，包括如下步骤：
1)在冰点槽内放置冰水混合物，将利用绝缘胶布捆绑好的待标定热电偶的参考端与第二标准温度计放入冰水混合物中，且不与冰发生直接接触，低温敞口容器中倒入一定量纯液氮，利用第一标准温度计测量其温度并用数据采集设备读出，待标定热电偶的电势差也用数据采集设备读出，对冰水混合物进行温度测量的第二标准温度计对标定过程中冰水混合物的温度波动进行监测；
2)通过向低温敞口容器中的纯液氮注入一定量液氧，配合形成一定比例液氮-液氧混合液，以获得不同且稳定的液氮温区温度点，改变N次液氮-液氧混合液的混合比例，得到N个标定点，每个标定点包括液氮-液氧混合液的温度数值及待标定热电偶的电势差数值；
3)得到N个标定点数据之后，利用最小二乘拟合对待标定热电偶在液氮温区内的温度-电势差关系进行二次拟合得到待标定热电偶在液氮温区的测温关系式及温度-电势差曲线，并对每次的测温结果进行不确定度分析。
所述冰点槽和冰水混合物，将冰水混合物放于冰点槽内以提供热电偶标定过程中参考端的温度环境，也可以选用市面上已有的成熟的制冷恒温槽设备作为参考端的温度环境提供设备。若是使用有设置温度精度的制冷恒温槽设备作为冰点槽，那么可以不使用第二标准温度计对冰水混合物的温度波动情况进行监测。
液氮-液氧混合的比例是任意的，每个标定点的获得不需要进行定量比例的混合。用于拟合待标定热电偶的标定点的个数N大于等于4个，拟合曲线不限于二次曲线。
本发明与现有技术相比，很好地弥补了低温应用热电偶标定技术的短缺，特别是为实施低温液氮实验奠定了测温基础，而低温液氮汽蚀实验是研发新型液氢液氧火箭发动机必不可少的基础实验研究。可以方便快捷地获得介于77K～90K之间的稳定的温度点从而实现工作于该温区范围的热电偶的标定，整个系统可实现快速搭建，成本低廉，技术操作简单，标定所得热电偶精度高，达到了NASA公开的其进行液氮汽蚀实验时对汽蚀区温度测量的精度水平(±0.2K)，为实现液氮汽蚀实验中实验区温度的精确测量提供了保障。
附图说明
图1为本发明一种应用于液氮温区(77K～90K)的热电偶标定系统的示意图。
图2为本发明的一个应用实例中，对热电偶进行标定时不同比例液氮-液氧混合液的温度情况及待标定热电偶的电势差值，其中a为低温敞口容器中加入纯液氮时的数据作图，b-d为向纯液氮中加入不同量的液氧获得相应液氮-液氧混合液之后相应混合液的温度情况及待标定热电偶的电势差值，e为低温敞口容器中加入纯液氧时的数据作图。
图3为本发明的一个应用实例中，利用第二标准温度计监测获得的整个实验过程中冰水混合物的温度波动情况。
图4为本发明的一个应用实例中，拟合得到的热电偶在77K～90K温区范围内的温度-电势差关系曲线图。
图中：1、第一标准温度计，2、低温敞口容器，3、待标定热电偶，4、液氮-液氧混合液，5、冰点槽，6、冰水混合物，7、漆包线，8、第二标准温度计，9、数据采集设备，10、绝缘胶布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，标准温度计1、标准温度计8分别测量液氮-液氧混合液4以及冰水混合物6的温度且使用绝缘胶布10分别与热电偶3测温端、热电偶3参考端固定在一起，若是采用制冷恒温槽作为冰点槽，则不需要对冰点槽温度进行监测。冰水混合物6放置于冰点槽5内，以提供热电偶参考端的温度环境。热电偶3测温端置于液氮-液氧混合液4中，热电偶3参考端置于冰水混合物6中，且不与冰发生直接接触。改变5次液氮-液氧混合液的混合比例，稳定后得到5个标定点，每个标定点数据由温度、电势差组成。由数据采集设备9对标准温度计数据、热电偶电势差进行采集，由计算机对编程对采集过程进行控制并对数据进行存储。采用最小二乘拟合得到可用范围内的该热电偶测温的温度-电势关系式，在具体使用时利用不确定度分析得出每次测温时的所得结果的不确定度。
标定过程中标定点温度、电势差以及参考端温度的值都使用稳定之后一系列测量数据的平均值作为拟合计算用值。热电偶标定过程中，温度总不确定度由5个相互独立的不确定度综合而得，其中3个与标定时引入的不确定度相关，2个与实际使用条件相关，下面分别进行计算：
a)由室温参考端温度不确定度(σr)引起的低温端温度不确定度(σc)
热电偶两端由于温度差引起的温差电势，可由下式计算：
这里下标r表示参考端(～273K)，下标c表示测量端(77K～90K)。因此，当δTr很小时可将由参考端温度波动引起的电势差转换为等价的低温端温度波动引起的电势差δTc：
上式中，aT为温度
T时的塞贝克系数。273K时，77K附近，于是
其中：
其中σpt,r是用第一标准温度计测得的参考端温度平均值的不确定度，σy是仪器测量标准温度计数据值时的不确定度转换成的测量温度的不确定度。
对物理量进行j次测量取平均之后平均值的不确定度为：
其中为第i次测量时结果的不确定度，对于使用精度为±XK的标准温度计，代入式(4)，σpt,r即为σa，有
b)对标定点的温度、电势测量都存在误差，造成使用该拟合公式测温时的不确定度(σm)
基于测量得到的N组稳定温度、电势点，采用最小二乘法得到二次拟合曲线，T＝a·e2+b·e+c，令
S＝[T1-(a·e2 1+b·e1+c)]2+[T2-(a·e2 2+b·e2+c)]2
+[T3-(a·e2 3+b·e3+c)]2+[T4-(a·e2 4+b·e4+c)]2
+…+[Tn-(a·e2 n+b·en+c)]2 (5)
求解方程组：
可得a,b,c的值，由此也可以发现，a,b,c分别都是(e1,e2,e3,e4,…,en,T1,T2,T3,T4,…,Tn)的函数，
将第k个标定点的温度数据代入公式(3)得温度不确定度为同样的，将第k个标定点的电势数据代入公式(3)得到
由误差传递公式，第k个标定点的电势、温度不确定度传递至最终的测温结果的不确定度为：
可以看到，σm,k是一个与实际使用时测得的电势有关的量。
由五个标定点的温度、电势测值的不确定度造成的测温结果的不确定度为：
c)若对温度、电势的测量无误差，拟合曲线偏离真值引入的误差(σd)
其中，ek，Tk分别为第k个点电势和温度，γ是这个该计算阶段的自由度，γ＝N-3。
d)热电偶电势测不确定度造成的温度不确定度σp
假设设备对于电势差的读取时的不确定度为：σe，根据误差传递公式
e)使用该热电偶时冰点槽温度的设置温度存在误差σf，造成测温结果的不确定度(σq)
与a)中的分析相似地，
其中冰点槽设置温度的不确定度σf由使用时冰点槽的具体情况而定。
综上，由该标定好的热电偶进行一次温度实验所得结果的不确度的综合为：
对温度的测量结果表示为：
T＝T(e)±σT (15)
其中T(e)是测得电势差之后利用拟合公式计算而得的温度。
在本发明的一个应用实例中，对一个T型热电偶进行标定。所用低温敞口容器2由内径尺寸为265×190×210mm，壁厚为35mm的高密度泡沫箱制成，冰点槽5采用有真空保温夹层的保温桶物制成，冰水混合物6由纯净水冷冻制成，标准温度计1、8采用中科院标定的铂电阻温度计，其测温精度为±0.1K，利用Keithley 2700数据采集仪+Module 7708板卡作为数据采集设备9进行数据采集，利用LabVIEW编程对数据采集过程进行控制。
在本发明的一个应用实例中，使用5组温度、电势点进行标定拟合，得到各混合点的温度、电势情况如图2所示，得到冰点槽的温度情况如图3所示。
在本发明的一个应用实例中，得到5个温度-电势的对应值如下表所示，
表1 液氧液氮混合物中得到的5组平均温度和电势值
拟合得到该T型热电偶在标定的温区间范围内的温度-电势关系式为：
T＝-26.2787·e2+230.0730·e-386.8921
所得温度的单位为K，代入公式的电势的单位为mV。图4为拟合所得的关系式在标定的温度区间的曲线图像。
在本发明的一个应用实例中，使用时冰水混合物的温度不确定度为±0.05K，采用Keithley 2700对待测温度下热电偶电势进行测量。
在本发明的一个应用实例中，对该方法拟合得到的热电偶的测温精度及不确定度分析的正确性进行了验证：利用该热电偶测量任一比例混合的液氮-液氧混合液，测量得到电势为5.4937mV，代入温度-电势关系式得到其测得的温度为83.95K，进行不确定度分析得到该热电偶此次测温的不确定度为0.23K，于是该热电偶此次测温表示为：
T＝83.95K±0.24K
同时为了检验其测温的准确度并且验证上述不确定度分析的有效性，利用铂电阻测得该混合液稳定后的温度为84.05K，与不确定度分析结果进行对比：
84.05K-83.95K＝0.10K∈[-0.24K,+0.24K]
可以看到，该标定方法得到的热电偶拥有很好的测温精度，满足实验要求。整套系统搭建方便快捷，标定操作简单，标定成本较低。
Claims (3)
1.一种77K-90K温区热电偶标定系统对工作于液氮温区的热电偶的标定方法，所述的77K-90K温区热电偶标定系统包括：第一标准温度计(1)、低温敞口容器(2)、待标定热电偶(3)、液氮-液氧混合液(4)、冰点槽(5)、冰水混合物(6)、漆包线(7)、第二标准温度计(8)、数据采集设备(9)、绝缘胶布(10)，液氮-液氧混合液(4)盛载于低温敞口容器(2)内，冰水混合物(6)盛载于冰点槽(5)内，待标定热电偶(3)的测温端与第一标准温度计(1)的感温端用绝缘胶布(10)绑定在一起置于液氮-液氧混合液(4)内，待标定热电偶(3)的参考端与第二标准温度计(8)的感温端用绝缘胶布(10)绑定在一起置于冰水混合物(6)内且不与冰发生直接接触，待标定热电偶(3)的偶丝与漆包线(7)一端通过焊锡焊接在一起，漆包线(7)另一端连接到数据采集设备(9)上，第一标准温度计(1)、第二标准温度计(8)测温时的相应数据也要传输至数据采集设备(9)上；所述的低温敞口容器(2)为敞口绝热容器；
其特征在于包括如下步骤：
1)在冰点槽(5)内放置冰水混合物(6)，将利用绝缘胶布(10)捆绑好的待标定热电偶(3)的参考端与第二标准温度计(8)放入冰水混合物(6)中，且不与冰发生直接接触，低温敞口容器(2)中倒入一定量纯液氮，利用第一标准温度计(1)测量其温度并用数据采集设备(9)读出，待标定热电偶(3)的电势差也用数据采集设备(9)读出，对冰水混合物(6)进行温度测量的第二标准温度计(8)对标定过程中冰水混合物(6)的温度波动进行监测；
2)通过向低温敞口容器(2)中的纯液氮注入一定量液氧，配合形成一定比例液氮-液氧混合液(4)，以获得不同且稳定的液氮温区温度点，改变N次液氮-液氧混合液(4)的混合比例，得到N个标定点，每个标定点包括液氮-液氧混合液(4)的温度数值及待标定热电偶(3)的电势差数值；
3)得到N个标定点数据之后，利用最小二乘拟合对待标定热电偶(3)在液氮温区内的温度-电势差关系进行二次拟合得到待标定热电偶(3)在液氮温区的测温关系式及温度-电势差曲线，并对每次的测温结果进行不确定度分析；
所述的每次的测温结果进行不确定度分析的具体过程为：
a)由室温参考端温度不确定度σr引起的低温端温度不确定度σc
热电偶两端由于温度差引起的温差电势，可由下式计算：
这里下标r表示参考端，下标c表示测量端，因此，当δTr很小时可将由参考端温度波动引起的电势差转换为等价的低温端温度波动引起的电势差δTc：
上式中，aT为温度T时的塞贝克系数，273K时，77K附近，于是
其中σpt，r是用第一标准温度计测得的参考端温度平均值的不确定度，σy是仪器测量标准温度计数据值时的不确定度转换成的测量温度的不确定度；
对物理量进行j次测量取平均之后平均值的不确定度为：
其中为第i次测量时结果的不确定度，对于使用精度为±XK的标准温度计，代入式(4)，σpt，r即为σa，有
b)对标定点的温度、电势测量都存在误差，造成使用该拟合公式测温时的不确定度σm
基于测量得到的N组稳定温度、电势点，采用最小二乘法得到二次拟合曲线，T＝a·e2+b·e+c，令
S＝[T1-(a·e2 1+b·e1+c)]2+[T2-(a·e2 2+b·e2+c)]2
+[T3-(a·e2 3+b·e3+c)]2+[T4-(a·e2 4+b·e4+c)]2
+…+[Tn-(a·e2 n+b·en+c)]2 (5)
求解方程组：
可得a，b，c的值，由此也可以发现，a，b，c分别都是(e1，e2，e3，e4，…，en，T1，T2，T3，T4，…，Tn)的函数，
将第k个标定点的温度数据代入公式(3)得温度不确定度为同样的，将第k个标定点的电势数据代入公式(3)得到
由误差传递公式，第k个标定点的电势、温度不确定度传递至最终的测温结果的不确定度为：
可以看到，σm,k是一个与实际使用时测得的电势有关的量；
由五个标定点的温度、电势测值的不确定度造成的测温结果的不确定度为：
c)若对温度、电势的测量无误差，拟合曲线偏离真值引入的误差σd
其中，ek，Tk分别为第k个点电势和温度，γ是这个该计算阶段的自由度，γ＝N-3；
d)热电偶电势测不确定度造成的温度不确定度σp
假设设备对于电势差的读取时的不确定度为：σe，根据误差传递公式
e)使用该热电偶时冰点槽温度的设置温度存在误差σf，造成测温结果的不确定度σq
与a)中的分析相似地，
其中冰点槽设置温度的不确定度σf由使用时冰点槽的具体情况而定；
综上，由该标定好的热电偶进行一次温度实验所得结果的不确度的综合为：
2.如权利要求1所述的工作于液氮温区的热电偶的标定方法，其特征在于，所述的步骤2)中液氮-液氧混合的比例是任意的，每个标定点的获得不需要进行定量比例的混合。
3.如权利要求1所述的工作于液氮温区的热电偶的标定方法,其特征在于，用于拟合待标定热电偶(3)的标定点的个数N大于等于4个，拟合曲线不限于二次曲线。
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|---|
| 《低温下微机高精度热电偶温度计标定系统》;李世岗等;《低温工程》;19971231(第5期);第22-26页 * |
| 低温热电偶的标定及标定过程中的非线性现象的研究;张鹏等;《低温物理学报》;20030228;第25卷(第1期);正文第51-52页，图1 * |
| 铜-康铜热电偶的标定与误差分析;陈良等;《低温工程》;20081231(第6期);第18-23页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105973504A (zh) | 2016-09-28 |
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