技术︱使用热电偶能够准确测量表面温度吗？

技术︱使用热电偶能够准确测量表面温度吗？虽然热电偶是最常见的表面温度测量方法，但因为热电偶的读数实际上是其自身电流温度的测量值，所以测量的挑战始终是如何让热电偶正确匹配已测表面的热量。

但是，当依靠热电偶的测量值作为确定发射率的参考值时，很少有红外热像师会考虑这一测量值的不确定性。

本文将阐述热电偶背后的原理，并通过示范，说明其在使用过程中存在的诸多问题。

另外，我们也将重点介绍优先使用红外热像仪和热电偶组合的情况，以及红外热像仪本身作为测量表面温度出众方法的案例。

引言大量的商业和工业流程依靠精确的温度测量。

但是否精确执行了测量？测温方式以及测温精度是所有应用中都必须回答的两个极为重要的问题。

我们将在全文中对这一话题进行讨论。

本文的核心主旨围绕“使用热电偶精确测量表面温度”这一个最大的测温难题。

作者坦诚表示，虽然热电偶能够提供液体和气体的精确测温读数，但使用热电偶进行表面测温却存在诸多独特的问题。

背景资料“如果我们想要测温，为什么不能只用热电偶？”这是红外成像讲师常会问的一个问题，让课堂里使用红外热像仪的学生产生有趣的思考。

当被问到热电偶安装时，很多学员建议使用电工胶带，因为它价格便宜，易装易拆。

一位来自暖通空调行业的学员表示，他通常会在压缩机上用电工胶带安装热电偶，相比其他仪表，更倾向于依靠热电偶的测温读数。

临时性的安装热电偶可能是一个最糟糕的方法，因为它对测量表面温度来说并不能达到一致、准确的结果。

通过粘合进行永久性的安装对于需要获得一致测量结果的人员来说是一个首选方法。

当永久性的安装方法实施起来不方便也不具可行性时，红外成像技术会是一个首选方案，但并不是唯一的。

过去的观点物理学家Thomas Seebeck在1821年发现了“热电效应”，即受到温度梯度影响的任何导体会形成电压。

Seebeck 错误解读了这一效应，认为电流具有磁效应，而非电效应。

事实上，在1822年和1823年提交给普鲁士科学院的报告中，对他的观察结果做了如下描述：“是温差导致了金属和矿石的磁性极化”。

温度梯度的变化会导致电压变化。

这些电压一般在“微伏/ ℃”范围内。

温度梯度越高（表明温度越高），产生的电压就越高。

当温度变化较小时，Seeback的电压变化与温度呈线性比例关系。

传统的公式表示为：eAB=α∆T为了测量由温度梯度引起的电压变化，必须要在电路中安装一个电压计。

这就增加了两个电气接点：一个是铜到铜的接点，另一个是铜到异种金属的接点。

既然我们在电路中有两个热电偶，那么电压计要如何区别这两个热电偶？请注意，假定图1中的冰浴温度为0℃，将其作为“已知的参考接点”或已知温度。

一旦一个接点温度已知，则另一个接点的温度——也就是我们打算测量的温度——便可以通过数学公式的计算加以确定。

当你购买并安装了热电偶，要在哪个位置加冰浴？对于工厂制造的热电偶，比如Extech EA10，生产商使用硬件补偿和内部温度感应电阻代替冰浴。

这通常被称为电子冰点参考电路，区别于各类热电偶。

电压转换成温度热电偶的电压必须最终转换成温度。

热电偶产生的热电势，是热电偶两端之间的一个温差函数，该函数在非常宽的范围上非常接近线性。

下图的曲线为K型热电偶的“标准响应曲线”。

这是一个校准过程。

图2：典型K型热电偶校准曲线但是，热电偶的温度与电压关系并不一直是线性关系。

之前介绍的公式显示的是一个理想的温度与电压关系，其中Seebeck的系数α是一个常量。

但与实际情况并不符，α应该是由一个多项式表示的变量。

热电偶的校准过程会生成一条理想的曲线，如图2所示。

蓝线代表的是实际输出（毫伏）与温度的关系，虚线则是数据的“最佳拟合”线。

尽管在检查实际数据时，在某些点上可能有明显的非线性数据，但这种类型热电偶的输出电压与温度变化还是相对呈线性关系。

这一曲线仅供说明之用。

表示校准曲线的多项式系数结合毫伏输入值共同确定热电偶的温度读出值。

商用热电偶同许多其它十九世纪工业革命的发明一样，热电偶也有许多的日常用途。

图3：Extech EA10双输入温度计图3所示的热电偶是一款典型的通用测量工具。

这款热电偶可靠、经济并且可从多个批发商获得。

许多生产商会生产此类仪表，以下评论并不只针对Extech （FLIR公司）。

用户手册中所标明的EA10精度为+ / - 0.3% + 2℉。

两个K型热电偶在5分钟的时间内每个读数都在0.4℉至0.8℉之间，被认为具有良好的关联性。

说明书简单易懂，显示了仪表的所有功能，并提供英语、西班牙语和法语版本。

本文作者从Extech的多个竞争对手处下载了说明书，发现此类通用工具的说明书都类似。

所有生产商都提供了多语言版本的清晰、简洁的说明。

虽然在说明书中提供了丰富的信息，但却遗漏了一个非常重要的信息，那就是热电偶的安装方式。

生产商虽然会对仪表的操作提供说明，但并未对测量任务中最关键的一步：测量方式进行说明。

这个步骤需要理解热电偶的应用环境。

仅在Omega Engineering的一张说明书中可以找到有关热电偶安装的信息，并提到了他们的环氧胶粘剂。

请参考永久热电偶的后半部分内容。

热电偶的应用环境——表面热传导热电偶的本质只表明其达到的温度。

在对固体、液体或气体进行温度测量时，难点在于将热电偶归一化到与固体、液体或气体相同的温度。

本文探讨的是其中最大的难点——对固体表面的温度测量。

表面（名词）a)目标或物体的外表面或上边界b)点的平面或弯曲的二维轨迹c)某个事物的外部或表面所有的I 级、II 级和III 级红外热像师都十分熟悉这一公式和术语。

那么对公式中的A，您会采用何值？从技术角度上来看，因为它是一个点，所以必须为零。

但在现实中，它不能为零，因为在我们将热电偶放到平面或曲面上时，就能获得读数。

不妨动手尝试一下，然后注意温度上升的缓慢程度。

因为它的热传导区域很小。

万一遇到非常复杂的传导传热过程，便不能使用简单的公式。

此时，我们必须修改上述公式，引入传导形状系数的概念。

传导形状系数用于考虑特定的几何形状，不会在上述普通的公式中加以考虑。

因此，我们可以将这个普通的公式改用一个新公式，其中术语S，也就是我们的传导形状系数：在涉及球体和平面的计算中，如图4所示，我们会得到一个相当复杂的公式，其中D表示为锡球的直径，r为其半径：显然，S值越大，则热传递也越大，传递到热电偶的热量会越多，使其响应值更精确。

到目前为止，我们已说明了热量从平面传导到球面。

现在，我们必须将热量从球面传导不同的接点，从而建立温度梯度。

这就涉及到另一个公式：在上面的公式中，r1表示锡球半径，r2表示热电偶丝半径，k为锡球中材料的导热系数。

热量从我们希望测量的表面传递到对其进行测量的装置内——即使近似于稳态条件和稳态方程——会涉及一些有趣的数学概念。

如果这种情况扩展到瞬态条件，即温度变化极快，数学的计算会变得非常复杂，且测量难度大大增加。

热电偶的应用环境——表面对流既然热电偶放置在一个表面上，并引入了复杂的热传导形状系数，在增加另一个流程——对流后，问题会变得真正复杂。

所有表面都会受到三种热传递形式的影响：传导、对流和辐射。

唯一的例外情况是当表面存在于真空中时，不会发生对流。

图5中所示的热图像是连接某表面的K型热电偶，上面有一块电工胶带（整个实验装置见图7）。

我们能清晰看到导致Seebeck效应的温度梯度，如同胶带与金属表面之间的发射率差异。

图5：高温表面上K型热电偶的热图像辐射热传递差异明显。

这块将热电偶固定到表面上的胶带对来自罐体表面的热流有隔热效果。

因为在这块区域内传导热传递的耐热性明显提高，所以这块区域的辐射和冷却都很快。

在图5中可以得出结论：胶带区域明显比金属表面看起来更亮。

图7：T1和T2测量值不匹配大部分时间，这两根热电偶的温差在0.5℉范围内，但也有例外。

例外可能是因为房间的对流气流，如图6所示。

因为水的密度，所以罐内水的对流气流更大，但这导致了T2的温度相比T1发生偏移，但不会导致温差。

此处出现的读数差异虽然是由前面提到的所有效应造成的，但最主要的还是传导热传递。

珠状热电偶末端的锡球形状使热传导的发生区域非常小。

传导形状系数的大小显示相同。

既然我们已经得出“临时性安装热电偶是一个糟糕的做法”的结论，那永久性固定热电偶的方法呢？图8是一张使用FLIR GF309工业炉检测热像仪拍下的原油加热炉图像。

对炉管温度进行测量以确定炉管寿命和加热炉的工作参数。

一根热电偶被永久地固定在一根新装的炉管表面上，在图像中的左上角位置，从图片中无法看到。

图8：原油加热炉加热炉中的热电偶可能处于极端的环境中：气体温度在1,537℃以上，辐射环境在982℃以上（分别对应2800℉和1800℉）。

遗憾的是，热电偶测量的是单点温度。

虽然在持续一段时间内能提供有用的数据，但无法显示炉管内有无结焦。

结焦情况严重会最终导致炉管破裂。

从图8中你可以看到结焦情况，在热图像中呈现白色热点。

这些恶劣的环境会明显影响热电偶的长期性能。

很不幸的是，这些并不是唯一存在的问题。

粘合固定的热电偶——回归小规模如图7所示使用电工胶带的结果无法令人接受。

所以便研究出了另一个更好的方法：粘合固定热电偶。

笔者认为这在价格上将近5倍价格，但能大大改进结果。

笔者选择了两根Omega的CO1 K型快速响应热电偶。

箔片的厚度为0.0005英寸，粘合在很薄的聚合物/玻璃薄片之间。

这类热电偶极薄极平，非常适合安装在曲面上。

Omega推荐了OB200环氧胶黏剂用于安装。

根据生产商的建议将环氧胶黏剂（两部分的胶黏剂和催化剂）混合后涂在两个表面上，并进行固化处理以接近推荐的温度。

笔者需要重申的是，热电偶安装方式仅能在环氧胶黏剂的说明书中找到，而非在热电偶的说明书中进行说明。

图9：固化过程中的红外效果图10：固化过程中的可见光（热电偶）效果面对这些结果，却提出了一个难题：要相信哪个？每根热电偶以相同方式安装在容器内表面和外表面的同一位置上。

使用一块电热板加热罐体，并基于简单的对流热传递方式——封闭空间和开放空间之间不同的膜系数——没人会期望两个读数能匹配上。

虽然两根热电偶读数会在一天之中多次呈现完全一致的结果，但从热图像获得数据得出，容器外表面安装的热电偶会有8℉的温差，同时容器内表面安装的热电偶会有13℉的温差。

外表面的热电偶处在房间内空调的气流对流下。

热像仪和热电偶之间的读数基本上都不一致，特别是热像仪与外表面的热电偶之间（热电偶读出的T2读数更小）。

一旦对热电偶进行充分的固化处理并进行完整性检查后，将第三根热电偶用胶带贴到表面上，然后注入热水。

结果如下：图11：罐中为热水的红外结果图12：罐中为热水的热电偶读数请注意，现在罐内注满水，粘合固定的热电偶几乎与胶带上红外测量数据完全一致。

两根粘合固定的热电偶对内表面水温的测量温差都在1℉内（必须将水用力混合，以限制自然对流，降低对流的附面层），但明显不同于第三根用胶带固定的热电偶读数。