使用熱電偶測量表面溫度存在哪些相關(guān)問題

雖然熱電偶是最常見的表面溫度測量方法，但因?yàn)闊犭娕嫉淖x數(shù)實(shí)際上是其自身電流溫度的測量值，所以測量的挑戰(zhàn)始終是如何讓熱電偶正確匹配已測表面的熱量。但是，當(dāng)依靠熱電偶的測量值作為確定發(fā)射率的參考值時(shí)，很少有紅外熱像師會(huì)考慮這一測量值的不確定性。

本文將闡述熱電偶背后的原理，并通過示范，說明其在使用過程中存在的諸多問題。另外，我們也將重點(diǎn)介紹優(yōu)先使用紅外熱像儀和熱電偶組合的情況，以及紅外熱像儀本身作為測量表面溫度出眾方法的案例。

引言

大量的商業(yè)和工業(yè)流程依靠精確的溫度測量。但是否精確執(zhí)行了測量？測溫方式以及測溫精度是所有應(yīng)用中都必須回答的兩個(gè)極為重要的問題。我們將在全文中對(duì)這一話題進(jìn)行討論。

本文的核心主旨圍繞“使用熱電偶精確測量表面溫度”這一個(gè)最大的測溫難題。作者坦誠表示，雖然熱電偶能夠提供液體和氣體的精確測溫讀數(shù)，但使用熱電偶進(jìn)行表面測溫卻存在諸多獨(dú)特的問題。

背景資料

“如果我們想要測溫，為什么不能只用熱電偶？”這是紅外成像講師常會(huì)問的一個(gè)問題，讓課堂里使用紅外熱像儀的學(xué)生產(chǎn)生有趣的思考。當(dāng)被問到熱電偶安裝時(shí)，很多學(xué)員建議使用電工膠帶，因?yàn)樗鼉r(jià)格便宜，易裝易拆。一位來自暖通空調(diào)行業(yè)的學(xué)員表示，他通常會(huì)在壓縮機(jī)上用電工膠帶安裝熱電偶，相比其他儀表，更傾向于依靠熱電偶的測溫讀數(shù)。

臨時(shí)性的安裝熱電偶可能是一個(gè)最糟糕的方法，因?yàn)樗鼘?duì)測量表面溫度來說并不能達(dá)到一致、準(zhǔn)確的結(jié)果。通過粘合進(jìn)行永久性的安裝對(duì)于需要獲得一致測量結(jié)果的人員來說是一個(gè)首選方法。當(dāng)永久性的安裝方法實(shí)施起來不方便也不具可行性時(shí)，紅外成像技術(shù)會(huì)是一個(gè)首選方案，但并不是唯一的。

過去的觀點(diǎn)

物理學(xué)家Thomas Seebeck在1821年發(fā)現(xiàn)了“熱電效應(yīng)”，即受到溫度梯度影響的任何導(dǎo)體會(huì)形成電壓。Seebeck 錯(cuò)誤解讀了這一效應(yīng)，認(rèn)為電流具有磁效應(yīng)，而非電效應(yīng)。事實(shí)上，在1822年和1823年提交給普魯士科學(xué)院的報(bào)告中，對(duì)他的觀察結(jié)果做了如下描述：“是溫差導(dǎo)致了金屬和礦石的磁性極化”。

Leopoldi Nobili和Macedonio Melloni這兩位意大利物理學(xué)家繼續(xù)Seebeck創(chuàng)造溫差電池的工作。這種溫差電池現(xiàn)在被稱為“溫差電堆”。當(dāng)Nobili和Melloni將溫差電堆與電流計(jì)耦合時(shí)，他們成為第一批能夠測量紅外輻射的物理學(xué)家。

熱電偶的基本結(jié)構(gòu)

圖1的圖解顯示的是一個(gè)完整的熱電偶電路。兩個(gè)不同的金屬被連接到一個(gè)電路中，受到溫度梯度的影響產(chǎn)生電壓變化。

溫度梯度的變化會(huì)導(dǎo)致電壓變化。這些電壓一般在“微伏/ ℃”范圍內(nèi)。溫度梯度越高（表明溫度越高），產(chǎn)生的電壓就越高。

當(dāng)溫度變化較小時(shí)，Seeback的電壓變化與溫度呈線性比例關(guān)系。傳統(tǒng)的公式表示為：

eAB=α?T

為了測量由溫度梯度引起的電壓變化，必須要在電路中安裝一個(gè)電壓計(jì)。這就增加了兩個(gè)電氣接點(diǎn)：一個(gè)是銅到銅的接點(diǎn)，另一個(gè)是銅到異種金屬的接點(diǎn)。既然我們在電路中有兩個(gè)熱電偶，那么電壓計(jì)要如何區(qū)別這兩個(gè)熱電偶？請注意，假定圖1中的冰浴溫度為0℃，將其作為“已知的參考接點(diǎn)”或已知溫度。一旦一個(gè)接點(diǎn)溫度已知，則另一個(gè)接 點(diǎn)的溫度——也就是我們打算測量的溫度——便可以通過數(shù)學(xué)公式的計(jì)算加以確定。

當(dāng)你購買并安裝了熱電偶，要在哪個(gè)位置加冰浴？對(duì)于工廠制造的熱電偶，比如Extech EA10，生產(chǎn)商使用硬件補(bǔ)償和內(nèi)部溫度感應(yīng)電阻代替冰浴。這通常被稱為電子冰點(diǎn)參考電路，區(qū)別于各類熱電偶。

電壓轉(zhuǎn)換成溫度

熱電偶的電壓必須最終轉(zhuǎn)換成溫度。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢，是熱電偶兩端之間的一個(gè)溫差函數(shù)，該函數(shù)在非常寬的范圍上非常接近線性。下圖的曲線為K型熱電偶的“標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)曲線”。這是一個(gè)校準(zhǔn)過程。

但是，熱電偶的溫度與電壓關(guān)系并不一直是線性關(guān)系。之前介紹的公式顯示的是一個(gè)理想的溫度與電壓關(guān)系，其中Seebeck的系數(shù)α是一個(gè)常量。但與實(shí)際情況并不符，α應(yīng)該是由一個(gè)多項(xiàng)式表示的變量。

熱電偶的校準(zhǔn)過程會(huì)生成一條理想的曲線，如圖2所示。藍(lán)線代表的是實(shí)際輸出（毫伏）與溫度的關(guān)系，虛線則是數(shù)據(jù)的“最佳擬合”線。盡管在檢查實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，在某些點(diǎn)上可能有明顯的非線性數(shù)據(jù)，但這種類型熱電偶的輸出電壓 與溫度變化還是相對(duì)呈線性關(guān)系。這一曲線僅供說明之用。

表示校準(zhǔn)曲線的多項(xiàng)式系數(shù)結(jié)合毫伏輸入值共同確定熱電偶的溫度讀出值。

商用熱電偶

同許多其它十九世紀(jì)工業(yè)革命的發(fā)明一樣，熱電偶也有許多的日常用途。

圖3所示的熱電偶是一款典型的通用測量工具。這款熱電偶可靠、經(jīng)濟(jì)并且可從多個(gè)批發(fā)商獲得。許多生產(chǎn)商會(huì)生產(chǎn)此類儀表，以下評(píng)論并不只針對(duì)Extech（FLIR公司）。

用戶手冊中所標(biāo)明的EA10精度為+ / - 0.3% + 2℉。兩個(gè)K型熱電偶在5分鐘的時(shí)間內(nèi)每個(gè)讀數(shù)都在0.4℉至0.8℉之間，被認(rèn)為具有良好的關(guān)聯(lián)性。

說明書簡單易懂，顯示了儀表的所有功能，并提供英語、西班牙語和法語版本。

本文作者從Extech的多個(gè)競爭對(duì)手處下載了說明書，發(fā)現(xiàn)此類通用工具的說明書都類似。所有生產(chǎn)商都提供了多語言版本的清晰、簡潔的說明。

雖然在說明書中提供了豐富的信息，但卻遺漏了一個(gè)非常重要的信息，那就是熱電偶的安裝方式。生產(chǎn)商雖然會(huì)對(duì)儀表的操作提供說明，但并未對(duì)測量任務(wù)中最關(guān)鍵的一步：測量方式進(jìn)行說明。這個(gè)步驟需要理解熱電偶的應(yīng)用環(huán)境。僅在Omega Engineering的一張說明書中可以找到有關(guān)熱電偶安裝的信息，并提到了他們的環(huán)氧膠粘劑。請參考永久熱電偶的后半部分內(nèi)容。

熱電偶的應(yīng)用環(huán)境——表面熱傳導(dǎo)

熱電偶的本質(zhì)只表明其達(dá)到的溫度。在對(duì)固體、液體或氣體進(jìn)行溫度測量時(shí)，難點(diǎn)在于將熱電偶?xì)w一化到與固體、液體或氣體相同的溫度。本文探討的是其中最大的難點(diǎn)——對(duì)固體表面的溫度測量。

表面（名詞）

a）目標(biāo)或物體的外表面或上邊界

b）點(diǎn)的平面或彎曲的二維軌跡

c）某個(gè)事物的外部或表面

從《韋氏詞典》（www.m-w.com）提供的關(guān)于表面的簡單定義中，需要著重注意的是，它所涉及的是一個(gè)非常廣義的表面，對(duì)溫度測量提出了最大的挑戰(zhàn)。將表面描述為“點(diǎn)的二維軌跡”最能關(guān)聯(lián)使用紅外熱像儀觀測到的熱電偶的 測量難點(diǎn)。從技術(shù)上講，這些點(diǎn)雖然無限小，但集合到一個(gè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，即定義為表面。

熱電偶的兩種常見形式是J型和K型珠狀熱電偶絲，通常會(huì)被臨時(shí)連接到表面上。這類熱電偶也可以進(jìn)行永久粘合固定。

無論是臨時(shí)安裝還是永久粘合固定的J型或K型熱電偶，其一個(gè)明顯的測量難點(diǎn)是熱傳導(dǎo)的問題。這是因?yàn)槲矬w表面和熱電偶之間的主要傳熱方式的傳導(dǎo)。一維表面的傅立葉熱傳導(dǎo)定律為：

所有的 I 級(jí)、II 級(jí)和 III 級(jí)紅外熱像師都十分熟悉這一公式和術(shù)語。那么對(duì)公式中的A，您會(huì)采用何值？從技術(shù)角度上來看，因?yàn)樗且粋€(gè)點(diǎn)，所以必須為零。但在現(xiàn)實(shí)中，它不能為零，因?yàn)樵谖覀儗犭娕挤诺狡矫婊蚯嫔蠒r(shí)，就能獲得讀數(shù)。不妨動(dòng)手嘗試一下，然后注意溫度上升的緩慢程度。因?yàn)樗臒醾鲗?dǎo)區(qū)域很小。

萬一遇到非常復(fù)雜的傳導(dǎo)傳熱過程，便不能使用簡單的公式。此時(shí)，我們必須修改上述公式，引入傳導(dǎo)形狀系數(shù)的概念。傳導(dǎo)形狀系數(shù)用于考慮特定的幾何形狀，不會(huì)在上述普通的公式中加以考慮。因此，我們可以將這個(gè)普通的公式改用一個(gè)新公式，其中術(shù)語S，也就是我們的傳導(dǎo)形狀系數(shù)：

在涉及球體和平面的計(jì)算中，如圖4所示，我們會(huì)得到一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的公式，其中D表示為錫球的直徑，r為其半徑：

顯然，S值越大，則熱傳遞也越大，傳遞到熱電偶的熱量會(huì)越多，使其響應(yīng)值更精確。到目前為止，我們已說明了熱量從平面?zhèn)鲗?dǎo)到球面?，F(xiàn)在，我們必須將熱量從球面?zhèn)鲗?dǎo)不同的接點(diǎn)，從而建立溫度梯度。這就涉及到另一個(gè)公式：

在上面的公式中，r1表示錫球半徑，r2表示熱電偶絲半徑，k為錫球中材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

熱量從我們希望測量的表面?zhèn)鬟f到對(duì)其進(jìn)行測量的裝置內(nèi)——即使近似于穩(wěn)態(tài)條件和穩(wěn)態(tài)方程——會(huì)涉及一些有趣的數(shù)學(xué)概念。如果這種情況擴(kuò)展到瞬態(tài)條件，即溫度變化極快，數(shù)學(xué)的計(jì)算會(huì)變得非常復(fù)雜，且測量難度大大增加。

熱電偶的應(yīng)用環(huán)境——表面對(duì)流

既然熱電偶放置在一個(gè)表面上，并引入了復(fù)雜的熱傳導(dǎo)形狀系數(shù)，在增加另一個(gè)流程——對(duì)流后，問題會(huì)變得真正復(fù)雜。所有表面都會(huì)受到三種熱傳遞形式的影響：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。唯一的例外情況是當(dāng)表面存在于真空中時(shí)，不會(huì)發(fā)生對(duì)流。

圖5中所示的熱圖像是連接某表面的K型熱電偶，上面有一塊電工膠帶（整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置見圖7）。我們能清晰看到導(dǎo)致Seebeck效應(yīng)的溫度梯度，如同膠帶與金屬表面之間的發(fā)射率差異。

輻射熱傳遞差異明顯。這塊將熱電偶固定到表面上的膠帶對(duì)來自罐體表面的熱流有隔熱效果。因?yàn)樵谶@塊區(qū)域內(nèi)傳導(dǎo)熱傳遞的耐熱性明顯提高，所以這塊區(qū)域的輻射和冷卻都很快。在圖5中可以得出結(jié)論：膠帶區(qū)域明顯比金屬表面看起來更亮。

而更讓人產(chǎn)生困惑的是對(duì)對(duì)流影響的確認(rèn)。使用傳統(tǒng)紅外熱像儀探測因?qū)α髟斐傻奈⑷鯗囟扔绊懙哪芰Ψ浅Ｓ邢?。但是，F(xiàn)LIR GF320紅外熱像儀具有高熱靈敏度（HSM）模式，帶有連續(xù)圖像幀間差分功能，能夠探測微量氣體。

請觀察圖6中不同圖像之間的細(xì)微差別。假定表面溫度為44.4℃，整個(gè)表面由對(duì)流導(dǎo)致的溫度變化達(dá)到0.7℃。

熱電偶的應(yīng)用環(huán)境——效應(yīng)組合

所有上述的凈效應(yīng)如圖7所示。一根熱電偶放入罐內(nèi)并固定在罐內(nèi)表面，另一根固定在大致相同的外表面位置。預(yù)計(jì)這兩個(gè)讀數(shù)應(yīng)完全相同，但事實(shí)上并非如此。

大部分時(shí)間，這兩根熱電偶的溫差在0.5℉范圍內(nèi)，但也有例外。例外可能是因?yàn)榉块g的對(duì)流氣流，如圖6所示。因?yàn)樗拿芏?，所以罐?nèi)水的對(duì)流氣流更大，但這導(dǎo)致了T2的溫度相比T1發(fā)生偏移，但不會(huì)導(dǎo)致溫差。

此處出現(xiàn)的讀數(shù)差異雖然是由前面提到的所有效應(yīng)造成的，但最主要的還是傳導(dǎo)熱傳遞。珠狀熱電偶末端的錫球形狀使熱傳導(dǎo)的發(fā)生區(qū)域非常小。傳導(dǎo)形狀系數(shù)的大小顯示相同。

既然我們已經(jīng)得出“臨時(shí)性安裝熱電偶是一個(gè)糟糕的做法”的結(jié)論，那永久性固定熱電偶的方法呢？

圖8是一張使用FLIR GF309工業(yè)爐檢測熱像儀拍下的原油加熱爐圖像。對(duì)爐管溫度進(jìn)行測量以確定爐管壽命和加熱爐的工作參數(shù)。一根熱電偶被永久地固定在一根新裝的爐管表面上，在圖像中的左上角位置，從圖片中無法看到。

加熱爐中的熱電偶可能處于極端的環(huán)境中：氣體溫度在1，537℃以上，輻射環(huán)境在982℃以上（分別對(duì)應(yīng)2800℉和1800℉）。

遺憾的是，熱電偶測量的是單點(diǎn)溫度。雖然在持續(xù)一段時(shí)間內(nèi)能提供有用的數(shù)據(jù)，但無法顯示爐管內(nèi)有無結(jié)焦。結(jié)焦情況嚴(yán)重會(huì)最終導(dǎo)致爐管破裂。從圖8中你可以看到結(jié)焦情況，在熱圖像中呈現(xiàn)白色熱點(diǎn)。

這些惡劣的環(huán)境會(huì)明顯影響熱電偶的長期性能。很不幸的是，這些并不是唯一存在的問題。

粘合固定的熱電偶——回歸小規(guī)模

如圖7所示使用電工膠帶的結(jié)果無法令人接受。所以便研究出了另一個(gè)更好的方法：粘合固定熱電偶。筆者認(rèn)為這在價(jià)格上將近5倍價(jià)格，但能大大改進(jìn)結(jié)果。

選擇了兩根Omega的CO1 K型快速響應(yīng)熱電偶。箔片的厚度為0.0005英寸，粘合在很薄的聚合物/玻璃薄片之間。這類熱電偶極薄極平，非常適合安裝在曲面上。Omega推薦了OB200環(huán)氧膠黏劑用于安裝。

根據(jù)生產(chǎn)商的建議將環(huán)氧膠黏劑（兩部分的膠黏劑和催化劑）混合后涂在兩個(gè)表面上，并進(jìn)行固化處理以接近推薦的溫度。筆者需要重申的是，熱電偶安裝方式僅能在環(huán)氧膠黏劑的說明書中找到，而非在熱電偶的說明書中進(jìn)行說明。

面對(duì)這些結(jié)果，卻提出了一個(gè)難題：要相信哪個(gè)？每根熱電偶以相同方式安裝在容器內(nèi)表面和外表面的同一位置上。使用一塊電熱板加熱罐體，并基于簡單的對(duì)流熱傳遞方式——封閉空間和開放空間之間不同的膜系數(shù)——沒人會(huì)期望兩個(gè)讀數(shù)能匹配上。雖然兩根熱電偶讀數(shù)會(huì)在一天之中多次呈現(xiàn)完全一致的結(jié)果，但從熱圖像獲得數(shù)據(jù)得出，容器外表面安裝的熱電偶會(huì)有8℉的溫差，同時(shí)容器內(nèi)表面安裝的熱電偶會(huì)有13℉的溫差。外表面的熱電偶處在房間內(nèi)空調(diào)的氣流對(duì)流下。熱像儀和熱電偶之間的讀數(shù)基本上都不一致，特別是熱像儀與外表面的熱電偶之間（熱電偶讀出的T2讀數(shù)更?。?。

一旦對(duì)熱電偶進(jìn)行充分的固化處理并進(jìn)行完整性檢查后，將第三根熱電偶用膠帶貼到表面上，然后注入熱水。結(jié)果如下：

請注意，現(xiàn)在罐內(nèi)注滿水，粘合固定的熱電偶幾乎與膠帶上紅外測量數(shù)據(jù)完全一致。兩根粘合固定的熱電偶對(duì)內(nèi)表面水溫的測量溫差都在1℉內(nèi)（必須將水用力混合，以限制自然對(duì)流，降低對(duì)流的附面層），但明顯不同于第三根用膠帶固定的熱電偶讀數(shù)。顯然，臨時(shí)連接的熱電偶完全不可靠，不應(yīng)再使用。相比之下，粘合固定的熱電偶與紅外熱像儀測量結(jié)果一直，但僅限于罐內(nèi)有水的情況下。

這些結(jié)果表明了這一看似簡單的應(yīng)用的難點(diǎn)。圖6、圖9和圖11中的圖像提供了差異原因的線索，說明熱電偶和紅外熱像儀有時(shí)候結(jié)果不一致的原因是因?yàn)閷?duì)流問題。在圖11中，罐體經(jīng)過自然冷卻，在室溫對(duì)表面進(jìn)行測量。在圖9和圖10中，罐體內(nèi)是空的，使用加熱板從底部進(jìn)行加熱。所以，這兩個(gè)對(duì)流熱傳遞條件都很難。其次，兩個(gè)罐體（容積熱容量）的熱惰性顯然在注水情況下比只有空氣的情況要大。最后，正如圖9和圖10所示，圖9中的溫度梯度更大，測量點(diǎn)的選擇更重要！

長期性能

既然已經(jīng)明確使用熱電偶測量表面溫度會(huì)非常復(fù)雜，那么還要考慮哪些因素？有幾個(gè)關(guān)于熱電偶長期性能的問題需要考慮。

不良的接點(diǎn)連接：熱電偶的安裝方式至關(guān)重要。通過電工膠帶進(jìn)行的臨時(shí)性連接幾乎在任何情況下都是一個(gè)糟糕的做法。導(dǎo)電式的粘合連接或特別的粘合固定熱電偶雖然可能是一個(gè)比較好的選擇，但也必須考慮環(huán)境因素。在高溫環(huán)境下，會(huì)將專用的熱電偶焊到表面上。焊縫可能會(huì)在壓力下分開，產(chǎn)生不可靠的讀數(shù)。這可能會(huì)突然發(fā)生或是一個(gè)漸進(jìn)過程。

校準(zhǔn)降級(jí)：在極高溫度或具有腐蝕性的環(huán)境下操作熱電偶可能導(dǎo)致大氣顆粒擴(kuò)散到熱電偶金屬中，改變熱電偶整個(gè)的特征屬性和校準(zhǔn)性。具有最高的溫度梯度（導(dǎo)致校準(zhǔn)問題）的熱電偶可能會(huì)出現(xiàn)高溫退火。

高溫：高溫會(huì)影響熱電偶周圍的隔熱層。在加熱爐中，熱電偶可能實(shí)際上測量的是隔熱層被破壞時(shí)釋放的氣體溫度，而非表面溫度。

電蝕作用：如果隔熱層包含某些水中濾去的染料，會(huì)形成電解質(zhì)。由此產(chǎn)生的電流可以比Seebeck效應(yīng)多數(shù)百倍。

熱滯后：理想情況下，我們需要一根小熱電偶，使其不影響表面溫度。但是小熱電偶通常配備小熱電偶絲，會(huì)極大影響響應(yīng)時(shí)間。

總結(jié)與結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

1、熱電偶能在生產(chǎn)商規(guī)定的精度內(nèi)可靠測量其自身溫度。

2、生產(chǎn)商規(guī)定的精度不一定是測溫精度。

3、雖然目標(biāo)是讓熱電偶達(dá)到與表面同樣的溫度，但在實(shí)際操作上不可行。

4、熱電偶可以精確測量液體和氣體的溫度，但在精確測量表面溫度方面存在短板。

5、熱電偶會(huì)明顯影響表面上對(duì)流和輻射熱傳遞，從而影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

6、應(yīng)避免使用臨時(shí)安裝的熱電偶。

7、如果安裝正確，粘合固定的熱電偶最可靠。

8、應(yīng)使用紅外熱像儀確定熱電偶的正確安裝位置，避免出現(xiàn)強(qiáng)溫度梯度。

9、避免在有會(huì)影響讀數(shù)的強(qiáng)對(duì)流氣流位置安裝熱電偶。

10、避免先入為主的假設(shè)。定期檢查永久性安裝的熱電偶的校準(zhǔn)和完整性。

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