温度测量技术现状和发展概述

温度测量技术发展与应用专题(一:

编者按:随着科技的迅速发展,高温、超高温、低温、超低温等非常态实验及工程应用越来越多,越来越复杂;另一方面,武器型号、重大装备及精密制造技术的发展也对温度测量的要求越来越高。技术发展日新月异,行业需求不断提高,对从事温度测量操作和温度测量研究的人员素质要求也越来越高。为了让广大计量、科研人员对温度测量有个迅速、直观、全面的认识,从本期开始,本刊将陆续刊出“温度测量技术发展及应用”系列文章,以飨读者。

温度测量技术现状和发展概述

杨永军

(中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京100095

温度是表征物体冷热程度的物理量,是国际单位制中七个基本物理量之一,它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断的发展。

1 温度测量方法分类

温度测量方法有很多,也有多种分类,由于测量

原理的多样性,很难找到一种完全理想的分类方法。图1给出一种从测量原理上进行分类的方法,基本包含了目前温度测量的基本原理,几乎所有的温度测量技术都是在这些原理的基础上发展起来的

。

图1 温度测量方法分类

2 接触式测温方法原理及特点

接触式测温方法包括膨胀式测温、电量式测温和

接触式光电、热色测温等几大类。接触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触,一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度,在测量时会对被测温度

有一定干扰。211 膨胀式测温方法

膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法,它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

膨胀式温度计结构简单,价格低廉,可直接读数,使用方便,并且由于是非电量测量方式,适用于防爆场合。但准确度比较低,不易实现自动化,而且容易损坏。 212 电量式测温方法

电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量,包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。

热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有结构简单,响应快,适宜远距离测量和自动控制的特点,应用比较广泛。

热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的,输出信号大,准确度比较高,稳定性好,但元

件结构一般比较大,动态响应较差,不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件,具有灵敏度高、价格便宜的特点,但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。

石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。石英晶体温度传感器稳

定性很好,可用于高精度和高分辨力的测量场合。

随着电子技术的发展,可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上,构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片,输出信号可以是电压、频率,或者是总线数字信号,使用非常方便,适用于便携式设备。

213 接触式光电、热色测温方法

接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象,将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出,通过光电转换器件检测该信号,从而获得测温结果的方法。这种方法不像电量式测量方法容易受到电磁的干扰,可以在电磁环境下进行温度测量;可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。缺点是也会干扰被测对象的温度,带来接触式测温方法引起的一些误差。 光纤式温度测量技术近年来发展迅速,根据光纤所起的作用,可分为两类:一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能测量温度,属于功能型传感器;另一类,光纤仅仅起到传输光信号的作用,必须在光纤端面配合其他敏感元件才能实现测量,称为传输型传感器。从信号检测的原理分类,可分为相干型和强度型两种:相干型光纤传感器检测受温度影响后光纤中光相位和偏振的变化,光路比较复杂,对光器件、光纤的要求比较高;而强度型则检测光强随温度的变化,结构相对简单,性能可靠,成本较低。基于不同的原理,有很多种光纤温度传感器,适用于不同的测温场合。

热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的,示温漆和示温液晶都属于热色测温。示温漆可以测量运动物体或其他复杂条件表面的温度分布,使用简单方便,缺点是影响判别温度结果的因素比较多,如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等,目前主要还是靠人工判读。示温液晶的主要成分是胆甾醇类,这类液晶在一定的温度范围内,其颜色随温度灵敏地变化,改变液晶的成分,可以灵活调整其测温量程和测温灵敏度。

3 非接触式测温方法原理及特点

非接触式测温方法不需要与被测对象接触,因而不会干扰温度场,动态响应特性一般也很好,但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。非接触测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。

311 辐射式测温方法

辐射式测温方法是以热辐射定律为基础的,由于实际物体往往是非黑体,因此,引入了辐射温度、亮度温度和颜色温度等表观温度的概念,基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。全辐射高温计结构相对简单,但受被测对象发射率和中间介质影响比较大,测温偏差较大,不适合用于测量低发射率目标。亮度温度计结构也比较简单,灵敏度比较高,受被测对象发射率和中间介质影响相对较小,测量的亮度温度与真实温度偏差较小,但也不适用于测量低发射率物体的温度,并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法测量结果最接近真实温度,并且适用于低发射率物体的温度测量,但结构比较复杂,价格较贵。

红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统,它通过光学系统将红外辐射能量聚集在红外探测器上,并转换为视频信号,经过处理形成红外热图像。热像仪除具有与红外测温仪相同的特点外,还具有如下优点:①可以采用伪彩色直观显示物体表面的温度场;

②温度分辨力高,能准确区分的温度差甚至达0101℃以下。

312 光谱测温方法

光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。当单色光线照射透明物体时,会发生光的散射现象,散射光包括弹性散射和非弹性散射,弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言,拉曼散射光谱测温技术的实用性更好,常用拉曼散射光谱来测量温度。

由于自发拉曼散射的信号微弱且非相干,对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体系,它的应用受到一定的限制。而受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪比,更具有实用性。如相干反斯托克斯拉曼散射(CARS测温方法,可使收集到的有效散射光信号强度比自发拉曼散射提高好几个数量级,同时还具有方向性强、抗噪声、荧光性好、脉冲效率高和所需脉冲输入能量小等优点,适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断。但是,CARS法的整套测量装置价格十分昂贵,其信号的处理相当复杂,限制了其广泛使用。

受激荧光光谱法是指在入射光的激励下,分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的尖峰,这些特征波长的强度是温度的函数。通过测量其特征波长下的绝对强度、相对强度,或者荧光的驰豫时间,就可以确定被测介质的温度。

谱线反转法也称自蚀法或谱线隐现法,最常见的 是钠D线反转法,可用于火焰等高温测量。它的基本原理是在目标火焰中均匀地加入微量钠盐,产生两条波长为5889195!和5895192!的黄色明亮谱线。当背景光源的自然光线照射并通过钠蒸气时,调节背景光使钠谱线在背景的连续光谱中消失时,光源的亮温就等于火焰的温度。谱线反转法的装置简单,适用于火焰稳定、测量方向温度梯度不大的场合。

313 激光干涉测温方法

基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场,均可以等效为测量介质的折射率分布。它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化(即被测介质密度的变化转变为各种光参量的变化,记录并处理后可以得到其温度和分布。

散斑照相法记录的是偏折位置差,反映的是折射率梯度的变化(即折射率的二阶导数;纹影法记录的是偏折角度差,反映的是折射率的梯度(即折射率的一阶导数;干涉仪法记录的是光波相位差,反映的是折射率本身;全息干涉法也是基于干涉仪法的原理,不过它不仅可记录物波波前的振幅信息,同时还记录了波前的相位信息,既有相位信息又有振幅信息,反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。

314 声波、微波测温方法

声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关的原理实现的,因此只要测得声速,就可以推算出温度。可以通过直接测量声波在被测介质中的传播速度,也可以测量放在被测介质中细线的声波传播速度来得到温度。这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度,在高温时会有更高的灵敏度。

微波衰减法可以用来测量火焰温度,其原理是当入射微波通过火焰时,与火焰中的等离子体相互作用,使出射的微波强度减弱,通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度。

4 温度测量技术近年来的发展重点 传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点,在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展,其应用范围更加拓展。

411 薄膜温度传感器

在传感器结构改进方面,出现了薄膜温度传感器,它是随着薄膜技术的成熟而发展起来的新型微传感器,其敏感元件为微米级的薄膜,具有体积小、热扰动小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成和安装的特点,并且具有耐磨、耐压、耐热冲击和抗剥离的优良性能,特别适合于微尺度或小空间温度测量、表面温

度的测量等场合。近年来发展的陶瓷薄膜热电偶,可以测量更高的温度,克服了金属薄膜热电偶的一些催化效应和冶金效应等缺点,在高温表面温度测量领域应用更为广泛。

412 热电偶材料性能的提高

在热电偶丝材料方面,一些类型的热电偶性能得到了提高,并出现了一些新型热电偶类型。

1N型热电偶越来越受到重视。与K型热电偶相比,N型热电偶的高温稳定性与使用寿命均明显提高。目前国外N型热电偶得到了广泛的应用,而国内应用仍旧不是很普遍,但随着对加工产品质量控制要求的提高,N型热电偶使用将会越来越多。

2钨铼热电偶抗氧化技术得到了发展,拓宽了其应用领域。主要是采用热电偶丝材镀膜或采用高致密保护套管隔绝等技术,可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间,使之不局限在还原条件下使用,可在一定程度上取代铂铑等贵金属热电偶。

3一些非标准分度的金属、非金属热电偶正在研制并逐步得到应用。为了提高温度测量上限,一些非标准分度的铂铑、铱铑等贵金属热电偶已经在工程上得到应用。另外,一些非金属热电偶材料得到了人们的重视,其特点有:①热电动势和微分电势大;②熔点高,测温上限也高;③价格低;④选用合适的非金属材料,可制成抗氧化或