熱電偶與紅外測(cè)溫方法比較研究

　　測(cè)試和認(rèn)證在北美市場(chǎng)占有重要地位。經(jīng)認(rèn)證并具備認(rèn)證標(biāo)志的產(chǎn)品將受到消費(fèi)者的青睞。在北美市場(chǎng)出售的眾多工控、電源以及電氣產(chǎn)品等都要求進(jìn)行溫度測(cè)量，確保產(chǎn)品的安全。本文將著重介紹兩種測(cè)量方法，即熱電偶與紅外測(cè)溫，并對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較和概括。通過(guò)對(duì)北美標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)溫方法要求的要求，來(lái)更多的幫助國(guó)內(nèi)廠商了解相關(guān)規(guī)范，為其產(chǎn)品的生產(chǎn)和出口提供建議。
　　
　　一、溫度測(cè)量的基本概念
　　
　　溫度是度量物體冷熱程度的物理量，在生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)中占有極其重要的地位，是單位制（SI）中7個(gè)基本物理量之一。從能量角度來(lái)看，溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量發(fā)布狀況的物理量；從熱平衡觀點(diǎn)來(lái)看，溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量；從微觀上看，溫度標(biāo)志著系統(tǒng)內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度高的物體，分子平均動(dòng)能大，溫度低的物體，分子平均動(dòng)能小。
　　
　　早期人們以人的器官感覺(jué)出發(fā)，憑感覺(jué)到的或接觸到的冷熱程度區(qū)別溫度的高低。這樣得出的結(jié)果往往不可靠、不準(zhǔn)確。研究表明，幾乎所有物質(zhì)的性質(zhì)都與溫度有關(guān)，例如尺寸、體積、密度、硬度、彈性橫量、破壞性強(qiáng)度、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁率、光輻射強(qiáng)度等，利用這些性質(zhì)及其隨溫度變化規(guī)律可進(jìn)行溫度測(cè)量。也就是說(shuō)，溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。目前上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和實(shí)用溫標(biāo)。
　　
　　二、主要測(cè)溫方法介紹
　　
　　溫度測(cè)量方式有接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。
　　
　　1．將傳感器置于與物體相同的熱平衡狀態(tài)中，使傳感器與物體保持同一溫度的測(cè)溫法，即為接觸式測(cè)溫法。例如利用介質(zhì)受熱膨脹的原理的水銀溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)和雙金屬溫度計(jì)等。還有利用物體電氣參數(shù)隨溫度變化的特性來(lái)檢測(cè)溫度。例如熱電阻、熱敏電阻、電子式溫度傳感器和熱電偶等。
　　
　　接觸式測(cè)溫儀表測(cè)溫儀表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。
　　
　　2.非接觸式儀表測(cè)溫是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸。實(shí)現(xiàn)這種測(cè)溫方法可利用物體的表面熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來(lái)檢測(cè)溫度。有全輻射法、部分輻射法、單一波長(zhǎng)輻射功率的亮度法及比較兩個(gè)波長(zhǎng)輻射功率的比色法等。非接觸式儀表測(cè)溫的測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。
　　
　　三、標(biāo)準(zhǔn)要求
　　
　　基本上所有的CSA和UL電氣產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都要求進(jìn)行溫升測(cè)試，而且會(huì)詳細(xì)要求測(cè)試條件，例如產(chǎn)品的輸入電源、負(fù)載要求和測(cè)試環(huán)境等；測(cè)試方法，例如安裝位置和使用測(cè)溫方法等；測(cè)試時(shí)間；判斷準(zhǔn)則，溫升的zui大值和附帶測(cè)試等。在測(cè)試方法中，會(huì)對(duì)測(cè)溫的方法進(jìn)行規(guī)定，通常有對(duì)熱電偶的要求是30AWG（0.51平方厘米）,鐵－康銅（分度號(hào)J）或銅－康銅（分度號(hào)T）和相配合的記錄儀器
　　
　　例如標(biāo)準(zhǔn)CSAC22.2No0GeneralRequirements–CanadianElectricalCode,PartII.,6.2。5條款有如下要求：
　　
　　“ThermocouplesshallhaveNo.30AWGconductors,…Ifrefereetemperaturemeasurementsarenecessary,thermocoupleshavingNo.30AWGconductorsshallbeused.ThermocoupleswithgaugesizessmallerthanNo.30AWGmaybeusedformeasurementofminiaturecircuitryandcomponents.”
　　
　　例如標(biāo)準(zhǔn)UL1492Audio-VideoProductsandAccessories，68.6條款就有如下要求：
　　
　　“…Whenthermocouplesareusedinthedeterminationoftemperatures,itiscommonpracticetousethermocouplesconsistingofNo.30AWGironandconstantanwiresandapotentiometer-typeinstrument…”
　　
　　四、熱電偶測(cè)溫原理，方法和適用范圍
　　
　　1．熱電偶測(cè)溫基本原理：
　　
　　將兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體和的兩個(gè)接點(diǎn)T1和T2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。
　　
　　熱電偶原理圖
　　
　　2．熱電偶的種類(lèi)
　　
　　熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類(lèi)。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。我國(guó)從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。
　　
　　3．熱電偶的結(jié)構(gòu)形式
　　
　　為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下：①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
　　
　　4．優(yōu)點(diǎn)：
　　
　　熱電偶是實(shí)驗(yàn)室zui常用的溫度檢測(cè)元件之一，為接觸式。其優(yōu)點(diǎn)是：
　　
　　a測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
　　
　　b測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶zui低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），zui高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）
　　
　　c構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。．
　　
　　五、紅外測(cè)溫原理，方法和適用范圍
　　
　　1．紅外測(cè)溫原理
　　
　　物體處于零度以上時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，以不同波長(zhǎng)的電磁波形式，向外輻射能量，波長(zhǎng)涉及紫外、可見(jiàn)、紅外光區(qū)，但主要處于0.8-0.15µm的近、中、外紅外區(qū)。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。
　　
　　2．紅外測(cè)溫儀器結(jié)構(gòu)
　　
　　紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。
　　
　　3．紅外測(cè)溫儀器種類(lèi)
　　
　　紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測(cè)溫儀的視場(chǎng)，測(cè)溫儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。對(duì)于比色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，不充滿視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，比色測(cè)溫儀是*選擇。這是由于光線直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量。
　　
　　紅外測(cè)溫儀是通過(guò)接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來(lái)測(cè)量其表面溫度。測(cè)溫儀內(nèi)的探測(cè)元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準(zhǔn)器的型號(hào)中，激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。其性能說(shuō)明下表。
　　
　　測(cè)溫范圍-32℃--400℃顯示分辯率0.1℃（<199.1℃時(shí)）
　　
　　精度23℃時(shí)±1%工作環(huán)境溫度范圍0--50℃
　　
　　重復(fù)性23℃時(shí)±1%相對(duì)濕度30℃時(shí)10—95%
　　
　　響應(yīng)時(shí)間500ms電源9V
　　
　　響應(yīng)光譜7-18micron尺寸137×41×196mm
　　
　　zui大值顯示Have重量270g
　　
　　發(fā)射率0.95Preset――――
　　
　　六、熱電偶測(cè)溫和紅外測(cè)溫比較
　　
　　測(cè)溫方法測(cè)溫原理傳感器和儀表特點(diǎn)測(cè)溫范圍（℃）
　　
　　接觸式金屬熱電偶的熱電勢(shì)銅－康銅（分度號(hào)T）0－200℃是zui準(zhǔn)確的，精度高，低溫靈敏度高－200—350
　　
　　鐵－康銅（分度號(hào)J）100℃以下線性好，有較高靈敏度。－40—600
　　
　　非接觸式熱輻射能量變化部分輻射法由光電池、光敏電阻及其它紅外探測(cè)元件作熱敏元件，因它們有一定的光譜選擇性，故非全光譜的因儀表的工作波段可選擇，因此可以避開(kāi)中間介質(zhì)的吸收峰-50--3000
　　
　　比色法比較二個(gè)光波輻射能量之比反應(yīng)速度快，接近真實(shí)溫度，受中間介質(zhì)的影響小50—2000
　　
　　七、結(jié)論
　　
　　綜上所述，接觸式測(cè)溫儀表測(cè)溫儀表（熱電偶測(cè)溫方法）比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度較高；但因測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫（紅外測(cè)溫方法）是通過(guò)熱輻射原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。由于非接觸式儀表測(cè)溫（紅外測(cè)溫方法）測(cè)試時(shí)受外界的影響比較大，加上不能測(cè)量?jī)?nèi)部溫度。在CSA和UL標(biāo)準(zhǔn)中，只是規(guī)定了接觸式測(cè)溫方法（熱電偶和電阻法）進(jìn)行溫升測(cè)試。
　　
　　但是非接觸式儀表測(cè)溫（紅外測(cè)溫方法）可快速提供溫度測(cè)量，在用熱電偶讀取一個(gè)滲漏連接點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，用紅外測(cè)溫儀幾乎可以讀取所有連接點(diǎn)的溫度。另外由于紅外測(cè)溫儀堅(jiān)實(shí)、輕巧、安全，它能夠安全地讀取難以接近的或不可到達(dá)的目標(biāo)溫度，你可以在儀器允許的范圍內(nèi)讀取目標(biāo)溫度。非接觸溫度測(cè)量還可在不安全的或接觸測(cè)溫較困難的區(qū)域進(jìn)行，即達(dá)到測(cè)試的目的又保護(hù)了人身安全。希望在不久的將來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)可以把這種測(cè)溫方法列入標(biāo)準(zhǔn)，允許其在某些特定設(shè)備和特定場(chǎng)合使用。