使用熱電偶可以準(zhǔn)確測量表層溫度嗎?

熱電偶在測溫中雖有其獨(dú)特優(yōu)勢，但精確測量表層溫度卻面臨諸多挑戰(zhàn)。其測量值易受安裝方式、熱傳導(dǎo)、對流及輻射等因素影響，造成讀數(shù)不確定性增加。本文旨在揭示熱電偶測溫的復(fù)雜性，強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確安裝與組合使用紅外熱像儀的重要性，以提供更可靠的表層溫度測量方案。

摘要

雖然熱電偶是最普遍的表層溫度測量方法，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準(zhǔn)確匹配已測表層的熱量。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，說明其在使用過程當(dāng)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層溫度出色方法的案例。

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層溫度”這一個(gè)最大的測溫難題。作者坦誠表示，雖然熱電偶可以提供液體和氣體的精確測溫讀數(shù)，但使用熱電偶進(jìn)行表層測溫卻存在諸多獨(dú)特的問題。

背景資料

“如果我們想要測溫，為什么不可只用熱電偶?”這是紅外成像講師常會問的一個(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y量表層溫度來說并不可達(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，對他的觀察結(jié)果做了如下描述：“是溫差造成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)，他們成為第一批可以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。

溫度梯度的變化會造成電壓變化。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。盡管在檢驗(yàn)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)商會生產(chǎn)此類儀表，以下評論并不只針對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)商雖然會對儀表的操作提供說明，但并未對測量任務(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)氧膠黏劑。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——表層熱傳導(dǎo)

熱電偶的本質(zhì)只表明其達(dá)到的溫度。在對固體、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)——對固體表層的溫度測量。

表層(名詞)

a)目標(biāo)或物體的外表層或上邊界

b)點(diǎn)的平面或彎曲的二維軌跡

c)某個(gè)事物的外部或表層

從《韋氏詞典》()提供的關(guān)于表層的簡單定義中，需要著重注意的是，它所涉及的是一個(gè)非常廣義的表層，對溫度測量提出了最大的挑戰(zhàn)。將表層描述為“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)，即定義為表層。

熱電偶的兩種常見形式是J型和K型珠狀熱電偶絲，通常會被臨時(shí)連接到表層上。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表層和熱電偶之間的主要傳熱方式的傳導(dǎo)。一維表層的傅立葉熱傳導(dǎo)定律為：

所有的 I 級、II 級和 III 級紅外熱像師都十分熟悉這一公式和術(shù)語。那么對公式中的A，您會采用何值?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，它不可為零，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，便不可使用簡單的公式。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層傳遞到對其進(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——表層對流

既然熱電偶放置在一個(gè)表層上，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——對流后，問題會變得真正復(fù)雜。所有表層都會受到三種熱傳遞形式的影響：傳導(dǎo)、對流和輻射。唯一的例外情況是當(dāng)表層存在于真空中時(shí)，不會發(fā)生對流。

圖5中所示的熱圖像是連接某表層的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)。我們能清晰看到造成Seebeck效應(yīng)的溫度梯度，如同膠帶與金屬表層之間的發(fā)射率差異。

輻射熱傳遞差異明顯。這塊將熱電偶固定到表層上的膠帶對來自罐體表層的熱流有隔熱效果。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)域明顯比金屬表層看起來更亮。

而更讓人產(chǎn)生困惑的是對對流影響的確認(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邢蕖５?，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，可以探測微量氣體。

請觀察圖6中不同圖像之間的細(xì)微差別。假定表層溫度為44.4℃，整個(gè)表層由對流造成的溫度變化達(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)表層，另一根固定在大概相同的外表層位置。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的對流氣流，如圖6所示。因?yàn)樗拿芏?，所以罐?nèi)水的對流氣流更大，但這造成了T2的溫度相比T1發(fā)生偏移，但不會造成溫差。

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層上，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)重會最終造成爐管破裂。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。

筆者挑選了兩根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)表層上，并進(jìn)行凝固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)表層和外表層的同一位置上。使用一塊電熱板加熱罐體，并基于簡單的對流熱傳遞方式——封閉空間和開放空間之間不同的膜系數(shù)——沒人會期望兩個(gè)讀數(shù)能匹配上。雖然兩根熱電偶讀數(shù)會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，容器外表層安裝的熱電偶會有8℉的溫差，同時(shí)容器內(nèi)表層安裝的熱電偶會有13℉的溫差。外表層的熱電偶處在房間內(nèi)空調(diào)的氣流對流下。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層的熱電偶之間(熱電偶讀出的T2讀數(shù)更小)。

一旦對熱電偶進(jìn)行充分的凝固處理并進(jìn)行完整性檢驗(yàn)后，將第三根熱電偶用膠帶貼到表層上，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內(nèi)表層水溫的測量溫差都在1℉內(nèi)(必須將水用力混合，以限制自然對流，下降對流的附面層)，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α鲉栴}。在圖11中，罐體經(jīng)過自然冷卻，在室溫對表層進(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)的挑選更重要!

長期性能

既然已經(jīng)明確使用熱電偶測量表層溫度會非常復(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)比不錯(cuò)的挑選，但也必須考慮環(huán)境因素。在高溫環(huán)境下，會將專用的熱電偶焊到表層上。焊縫可能會在壓力下分開，產(chǎn)生不可靠的讀數(shù)。這可能會突然發(fā)生或是一個(gè)漸進(jìn)過程。

校準(zhǔn)降級：在極高溫度或具有腐蝕性的環(huán)境下操作熱電偶可能造成大氣顆粒擴(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(造成校準(zhǔn)問題)的熱電偶可能會出現(xiàn)高溫退火。

高溫：高溫會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，而非表層溫度。

電蝕作用：如果隔熱層包含某些水中濾去的染料，會形成電解質(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，使其不影響表層溫度。但是小熱電偶通常配備小熱電偶絲，會極大影響響應(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)到與表層同樣的溫度，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，但在精確測量表層溫度方面存在短板。

5、熱電偶會明顯影響表層上對流和輻射熱傳遞，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、如果安裝準(zhǔn)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準(zhǔn)確安裝位置，避免出現(xiàn)強(qiáng)溫度梯度。

9、避免在有會影響讀數(shù)的強(qiáng)對流氣流位置安裝熱電偶。

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