熱電偶與紅外測溫方法比較研究

測試和認(rèn)證在北美市場占有重要地位。經(jīng)認(rèn)證并具備權(quán)威認(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)行溫度測量，確保產(chǎn)品的安全。本文將著重介紹兩種測量方法，即熱電偶與紅外測溫，并對這兩種方法進(jìn)行比較和概括。通過對北美標(biāo)準(zhǔn)對測溫方法要求的要求，來更多的幫助國內(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，是國際單位制（SI）中7個(gè)基本物理量之一。從能量角度來看，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)部分子無規(guī)則運(yùn)動的劇烈程度，溫度高的物體，分子平均動能大，溫度低的物體，分子平均動能小。

早期人們以人的器官感覺出發(fā)，憑感覺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)行溫度測量。也就是說，溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(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)）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)。

二、主要測溫方法介紹

溫度測量方式有接觸式和非接觸式兩大類。

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溫法，即為接觸式測溫法。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檢測溫度。例如熱電阻、熱敏電阻、電子式溫度傳感器和熱電偶等。

接觸式測溫儀表測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(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)用于很高的溫度測量。

2. 非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸。實(shí)現(xiàn)這種測溫方法可利用物體的表面熱輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系來檢測溫度。有全輻射法、部分輻射法、單一波長輻射功率的亮度法及比較兩個(gè)波長輻射功率的比色法等。非接觸式儀表測溫的測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。

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)行溫升測試，而且會詳細(xì)要求測試條件，例如產(chǎn)品的輸入電源、負(fù)載要求和測試環(huán)境等；測試方法，例如安裝位置和使用測溫方法等；測試時(shí)間；判斷準(zhǔn)則，溫升的最大值和附帶測試等。在測試方法中，會對測溫的方法進(jìn)行規(guī)定，通常有對熱電偶的要求是30AWG（0.51平方厘米）,鐵－康銅（分度號J）或銅－康銅（分度號T）和相配合的記錄儀器

例如標(biāo)準(zhǔn)CSA C22.2 No 0 General Requirements – Canadian Electrical Code, Part II., 6.2。5 條款有如下要求：

“Thermocouples shall have No. 30 AWG conductors,… If referee temperature measurements are necessary, thermocouples having No. 30 AWG conductors shall be used. Thermocouples with gauge sizes smaller than No. 30 AWG may be used for measurement of miniature circuitry and components.”

例如標(biāo)準(zhǔn)UL1492 Audio-Video Products and Accessories，68.6條款就有如下要求：

“…When thermocouples are used in the determination of temperatures, it is common practice to use thermocouples consisting of No. 30 AWG iron and constantan wires and a potentiometer-type instrument…”

四、熱電偶測溫原理，方法和適用范圍

1．熱電偶測溫基本原理 ：

將兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B焊接起來，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)生電動勢,因而在回路中形成一個(gè)電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。

熱電偶原理圖

2．熱電偶的種類

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。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(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)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(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)室最常用的溫度檢測元件之一，為接觸式。其優(yōu)點(diǎn)是：
a 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
b 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）
c 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。．

五、紅外測溫原理，方法和適用范圍

1．紅外測溫原理

物體處于絕對零度以上時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部帶電粒子的運(yùn)動，以不同波長的電磁波形式，向外輻射能量，波長涉及紫外、可見、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的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

2．紅外測溫儀器結(jié)構(gòu)

紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號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目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標(biāo)的影響及修正方法。

3．紅外測溫儀器種類

紅外測溫儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進(jìn)行測溫時(shí)，被測目標(biāo)面積應(yīng)充滿測溫儀視場。建議被測目標(biāo)尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場，背景輻射能量就會進(jìn)入測溫儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于測溫儀的視場，測溫儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。對于比色測溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，不充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時(shí)，都不對測量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對于細(xì)小而又處于運(yùn)動或震動之中的目標(biāo)，比色測溫儀是最佳選擇。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。

紅外測溫儀是通過接收目標(biāo)物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來測量其表面溫度。測溫儀內(nèi)的探測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)器的型號中，激光瞄準(zhǔn)器只做瞄準(zhǔn)使用。其性能說明下表。

測溫范圍 -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
最大值顯示 Have 重量 270g
發(fā)射率 0.95Preset ―― ――

六、熱電偶測溫和紅外測溫比較

測溫方法 測溫原理 傳感器和儀表 特點(diǎn) 測溫范圍（℃）
接觸式 金屬熱電偶的熱電勢 銅－康銅（分度號T） 0－200℃是最準(zhǔn)確的，精度高，低溫靈敏度高 －200—350
鐵－康銅（分度號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，接觸式測溫儀表測溫儀表（熱電偶測溫方法）比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(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)用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫（紅外測溫方法）是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。由于非接觸式儀表測溫（紅外測溫方法）測試時(shí)受外界的影響比較大，加上不能測量內(nèi)部溫度。在CSA和UL標(biāo)準(zhǔn)中，只是規(guī)定了接觸式測溫方法（熱電偶和電阻法）進(jìn)行溫升測試。

但是非接觸式儀表測溫（紅外測溫方法）可快速提供溫度測量，在用熱電偶讀取一個(gè)滲漏連接點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，用紅外測溫儀幾乎可以讀取所有連接點(diǎn)的溫度。另外由于紅外測溫儀堅(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。非接觸溫度測量還可在不安全的或接觸測溫較困難的區(qū)域進(jìn)行，即達(dá)到測試的目的又保護(hù)了人身安全。希望在不久的將來，標(biāo)準(zhǔn)可以把這種測溫方法列入標(biāo)準(zhǔn)，允許其在某些特定設(shè)備和特定場合使用。