溫度測量方法選擇策略

于 洋

（海裝重慶局，重慶400030）

溫度是國際標準單位制中規(guī)定的7個基準物理量之一，是用于表征物體宏觀冷熱程度的重要物理量。它與人類社會生活的各方面都息息相關(guān)。在工業(yè)實踐中溫度測量也是被最大量應用的重要過程測量手段之一。

針對不同的測量對象和測量準確度要求，目前已經(jīng)發(fā)展出來多種基于不同物理機理的溫度測量方法。由于溫度從微觀角度來看可以解釋為組成系統(tǒng)的大量微觀粒子在無規(guī)則熱運動中劇烈程度的表現(xiàn)，因此溫度也可以近似等效看做分子平均平動動能的度量。當測量溫度很低時，分子平均動能較低，因此早期發(fā)展出來主要是以接觸式為主要特征的一大類溫度測量方法，其中又可以大致細分為熱體積式、電量式和光色方法式等三種主流類型。隨著鋼鐵、冶金、化工和核能等工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，更大量應用于高溫特殊場合的測量要求逐漸對溫度測量方法提出了更高的要求。由于高溫下，物體分子中不同外層電子層接受到外界平動粒子的動能，非彈性碰撞損失掉的動能轉(zhuǎn)化為電子的激發(fā)能，當該能量大于原子的第一電離能時會導致電子躍遷到更高能級的電子層，產(chǎn)生電離效應。電離后的正離子對于電子的吸引作用會導致電子進入庫侖勢阱。當電子被俘獲后同時發(fā)射出一定波長的光子，這時由于所處溫度場的高能粒子存在，接觸式測溫的傳感器材料容易在高能粒子的作用下發(fā)生離解，進而改變其原有的分子結(jié)構(gòu)，從而導致測量信號偏差或者結(jié)構(gòu)失效。由此發(fā)展出來的非接觸式溫度測量方法主要包括輻射式、光譜法、激光干涉法和波特性法等幾種主流技術(shù)。本文針對各類測量方法的原理進行簡要的描述，并提出相應的選擇應用策略。

1 接觸式測溫方法

接觸式測溫方法所采用的測量原理是將被測介質(zhì)或者物體與測量傳感器充分直接接觸，使得被測位置的分子動能能夠有效地傳遞到測量傳感器結(jié)構(gòu)分子處，當兩位置處的分子動能達到統(tǒng)計平衡態(tài)時，就體現(xiàn)出宏觀穩(wěn)定的平衡溫度。比如采用熱體積式的玻璃管溫度計、雙金屬溫度計或者壓力式溫度計，就是將被測溫場分子動能等效轉(zhuǎn)換為測量介質(zhì)或者測量結(jié)構(gòu)的分子動能，由于分子動能的增加導致其分子間距增大，最終導致宏觀體積發(fā)生變化從而實現(xiàn)溫場的度量。

又如電量式的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和石英晶體溫度計等，則是利用不同物質(zhì)分子動能導致電子激發(fā)的能級變化差異，或者分子動能差異導致金屬內(nèi)電阻變化，或者分子動能差異導致材料結(jié)構(gòu)彈塑性指標改變并產(chǎn)生宏觀諧振頻率偏移等效應來實現(xiàn)溫度測量的。

使用這種方法時由于測量傳感器要進入測量溫度場中，對于溫度場的分布及瞬態(tài)過程可能產(chǎn)生一定的改變。此外，當測量溫度較低時，還必須充分考慮由于被測位置與傳感器分子動能傳遞過程中的損耗導致的溫度梯度效應影響[1]。比如:當采用熱電偶測量小溫場內(nèi)溫度時，由于熱電偶初始不具有與被測溫場相同的宏觀溫度，為了獲得穩(wěn)定的平衡溫度，就需要消耗被測溫場的分子動能，如果該被測溫場不具有持續(xù)的熱源，那么這種分子動能的消耗就會導致被測溫場本身發(fā)生變化而不再保持原有狀態(tài)。又如:當被測溫場宏觀溫度較低，分子動能較小時，由于單次非彈性碰撞導致的動量傳遞效率很低，因此獲得穩(wěn)定的、與被測溫場宏觀一致的測量單元溫度可能需要很大的過渡響應時間。由于測量傳感器本身具有一定的結(jié)構(gòu)體積或者結(jié)構(gòu)厚度，在最終達到平衡溫度之前，會形成一定的溫度梯度，如果不能夠在測量過程中正確估計響應時間，那么該溫度梯度的存在足以導致測量準確度受到影響。

此外，接觸式的測量方法高度依賴于測量傳感器材料的穩(wěn)定性。由于接觸式測溫需要將測量傳感器的宏觀參數(shù)(如體積、熱電勢值、電阻和諧振頻率)變化與事先根據(jù)基準試驗研究獲得的結(jié)果進行比對后，根據(jù)比對數(shù)據(jù)差值得到被測溫度信息，實際應用中使用的測量傳感器特性與基準試驗中設(shè)置的基準測量傳感器是否具有一致穩(wěn)定的參數(shù)響應就成為能否最終獲得可靠溫場測量結(jié)果的關(guān)鍵[2]。比如，當熱電偶所使用的材料純度發(fā)生變化時，在測量過程中其材料外層電子遷移的統(tǒng)計量會產(chǎn)生相應的偏離，那么測量產(chǎn)生的熱電勢值就不能再準確表示被測溫場的度量結(jié)果。

2 非接觸式測溫方法

非接觸式測溫方法主要采集被測溫場發(fā)射的光子輻射，通過判斷其輻射的強度、連續(xù)或離散特征波長分布等方式進行被測溫場的量化度量。比如采用輻射式測溫方法的技術(shù)就又可以采用全輻射高溫計、亮度式高溫計和比色式高溫計等幾種方式。其中，全輻射高溫計是將被測溫場發(fā)生的不同波長的輻射能量通過凹面反射鏡匯聚到被測吸收體處，根據(jù)該輻射能量導致吸收體處分子動能增加程度度量被測溫度[3]。但是，受到不同波長反射特性差異的限制，不可能真正獲得連續(xù)波長的整體輻射場能量，同時被測吸收體處的測溫元件仍然多采用接觸式方法，其熱慣性影響仍對此處的測量準確度產(chǎn)生影響，因此該方法僅能實現(xiàn)有限帶寬小輻射能量度量。而亮度式高溫計，如隱絲式高溫計，雖然其采用的標準溫度燈元件是具有較高穩(wěn)定性的基準源，但是該方法由于高度依賴于操作人員的直觀判斷，其信息轉(zhuǎn)換和判斷中存在更多的不確定性。上述兩種測量法都存在一個致命的缺陷，就是測量方法高度依賴被測溫場光子發(fā)射的強度。如果被測介質(zhì)的溫度區(qū)間與測量設(shè)備標準測量范圍有所差異，特別是其發(fā)射率較低時，輻射的不均勻性和測量傳感器的體積效應影響將可能導致不能忽略的附加誤差影響，甚至導致測量方法失效。比色式高溫計由于采用了對被測溫場的輻射能量不同波段的選擇性分離和比較運算，能夠較好地解決前述兩種方法對于被測溫場與測量傳感器之間的空間介質(zhì)，如粉塵、煙霧和水蒸氣等的影響，同時還能夠通過透鏡裝置集中測試局部狹小區(qū)域中的可動體溫度[4]。但是，其獲得的測量結(jié)果仍然高度依賴所使用的光電轉(zhuǎn)換裝置穩(wěn)定性和分離光路的效率。

此外，光譜法的非接觸式測量可以采用測量原子發(fā)射光譜或者基于拉曼散射頻移的方法確定被測物體或者介質(zhì)的溫度，前者多用于天體物理學領(lǐng)域測量外太空天體溫度，而后者則更多用于測點試驗室中化學介質(zhì)的溫度或者具有較好透光性介質(zhì)中的溫度。目前，基于多光譜計算獲得物體溫度的方法正逐步取代單一光譜的測溫方法。

激光干涉法采用測量入射激光的折射散斑幾何參數(shù)獲得折射率及其一階或二階導數(shù)信息，而這些折射率相關(guān)信息就反映了溫度場的存在特征。這種方法可以用于反映三維空間的溫度信息[5]。

波特性法則是利用聲波、電磁波等在不同溫度介質(zhì)中的傳播速度差異以及信號衰減幅度間接反映被測介質(zhì)的溫度信息。

上述測量方法雖然采用了各種不同的高技術(shù)手段，實現(xiàn)間接溫度測量，但是，其對于被測介質(zhì)的分布特征，溫場均勻性和中間測量路徑上的介質(zhì)影響較接觸式測量更為敏感。

3 測溫方法選擇

根據(jù)目前國際上出現(xiàn)的各種測量溫度及溫場技術(shù)手段特點，在實際應用中，選擇具體測溫手段和方法是應綜合考慮被測對象的各種特征后再給予恰當?shù)倪x擇。比如，應該至少考慮如下被測溫度場特征參數(shù):被測溫度范圍，被測溫度變化周期，被測溫度所需準確度要求，被測對象的體積，被測對象的溫度均勻性，被測對象的物理性質(zhì)（如聲學、光學、電磁學等相應特征），被測對象的化學性質(zhì)（如屬于氧化性還是還原性介質(zhì)），被測對象所處的環(huán)境介質(zhì)特征，被測介質(zhì)的運動學和動力學特征（如速度、粘度、應力場分布等）以及測量所需持續(xù)的時間等具體要求。

對于靜止的近距離對象，可以首先嘗試接觸式測溫方法，其測試手段成熟簡單，成本較低；對于高速運動物體或者遠距離對象，則應首先考慮非接觸式測溫方法，以便解決測量傳感器定位和信號傳輸問題[6]。

對于測溫上限達到小于攝氏度高溫的應用，一般不能采用接觸式測溫方法，因為在該條件下大多數(shù)測溫傳感器均己呈現(xiàn)離子化趨勢或者喪失了原有的信號特征，這時采用非接觸式測溫方法，如光譜法或者干涉法就具有很大的優(yōu)勢[7、8]。

此外，對于需要高響應速度和短周期的溫度測量，一般推薦采用非接觸式測量方法，因為接觸式測溫傳感器由于具有一定的體積和熱容，會導致被測參數(shù)信號響應延遲或者對被測信號產(chǎn)生低通濾波效應，從而導致被測溫度偏離實際物體的真實溫度值。

當然，接觸式溫度測量方法在一定條件下也要優(yōu)于非接觸式測溫的很多特點。對于一些特殊的無法直接采用光學、聲學或者電磁學信號到達的部位，還是應該考慮選擇接觸式的測溫方法，比如對于反應堆內(nèi)部的溫度場測量，由于大多數(shù)光學、聲學和電磁學測試設(shè)備都會在高輻射劑量的條件下失效損壞，目前仍然主要采用熱電偶測量溫度的方法，這是因為某些特殊型號熱電偶所采用的金屬材料在很高輻射劑量條件下仍然能夠保持相對溫度的溫度信號響應[9]。

被測對象的測量溫度準確度和幾何尺寸要求是另一個必須充分考慮的重要要求，因為很多條件下可能有不止一種測溫方法可以使用，而準確度要求往往是限制大量通用測溫方法使用的關(guān)鍵參數(shù)。比如:對于某個大平面的溫度場測景，如果允許誤差在若干度甚至十幾度的范圍，那么往往可以采用紅外熱成像的方法，實現(xiàn)一次性測量然后計算得到溫場分布的效果。但是，如果要求測量的準確度達到1攝氏度甚至零點幾攝氏度[10]，那么紅外光學力[11]一法就會由于比對誤差和基準偏離等原因難以獲得極為準確的測量結(jié)果，這時也許采用多點熱電阻測溫能夠更好地解決實際測量問題。

要想在實際工業(yè)應用中，良好地解決溫度測量的問題，不僅僅需要熟練掌握各種溫度測試設(shè)備，更需要對不同溫度測量的基本原理，測量的前提條件，測量的干擾因素和測量數(shù)據(jù)的分析方法具有全面和深入的認識。

4 結(jié)束語

本文綜述了目前國際上出現(xiàn)的各種不同類型的溫度測量方法，通過簡要描述不同測溫方法的基本原理，比較不同測溫方法的實現(xiàn)途徑和條件要求，進一步提出了在工業(yè)實踐中應用不同測溫方法時所需注意的各種問題。溫度測量雖然是一個古老的問題，但是真正解決好實際溫度測量的各種具體要求還需要操作人員針對具體問題，理論聯(lián)系實際，全面系統(tǒng)地設(shè)計測溫方法，才能夠獲得理想的測量信號結(jié)果。

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