使用熱電偶測量表面溫度存在哪些相關問題

雖然熱電偶是最常見的表面溫度測量方法，但因為熱電偶的讀數實際上是其自身電流溫度的測量值，所以測量的挑戰始終是如何讓熱電偶正確匹配已測表面的熱量。但是，當依靠熱電偶的測量值作為確定發射率的參考值時，很少有紅外熱像師會考慮這一測量值的不確定性。

本文將闡述熱電偶背后的原理，并通過示范，說明其在使用過程中存在的諸多問題。另外，我們也將重點介紹優先使用紅外熱像儀和熱電偶組合的情況，以及紅外熱像儀本身作為測量表面溫度出眾方法的案例。

引言

大量的商業和工業流程依靠精確的溫度測量。但是否精確執行了測量？測溫方式以及測溫精度是所有應用中都必須回答的兩個極為重要的問題。我們將在全文中對這一話題進行討論。

本文的核心主旨圍繞“使用熱電偶精確測量表面溫度”這一個最大的測溫難題。作者坦誠表示，雖然熱電偶能夠提供液體和氣體的精確測溫讀數，但使用熱電偶進行表面測溫卻存在諸多獨特的問題。

背景資料

“如果我們想要測溫，為什么不能只用熱電偶？”這是紅外成像講師常會問的一個問題，讓課堂里使用紅外熱像儀的學生產生有趣的思考。當被問到熱電偶安裝時，很多學員建議使用電工膠帶，因為它價格便宜，易裝易拆。一位來自暖通空調行業的學員表示，他通常會在壓縮機上用電工膠帶安裝熱電偶，相比其他儀表，更傾向于依靠熱電偶的測溫讀數。

臨時性的安裝熱電偶可能是一個最糟糕的方法，因為它對測量表面溫度來說并不能達到一致、準確的結果。通過粘合進行永久性的安裝對于需要獲得一致測量結果的人員來說是一個首選方法。當永久性的安裝方法實施起來不方便也不具可行性時，紅外成像技術會是一個首選方案，但并不是唯一的。

過去的觀點

物理學家Thomas Seebeck在1821年發現了“熱電效應”，即受到溫度梯度影響的任何導體會形成電壓。Seebeck 錯誤解讀了這一效應，認為電流具有磁效應，而非電效應。事實上，在1822年和1823年提交給普魯士科學院的報告中，對他的觀察結果做了如下描述：“是溫差導致了金屬和礦石的磁性極化”。

Leopoldi Nobili和Macedonio Melloni這兩位意大利物理學家繼續Seebeck創造溫差電池的工作。這種溫差電池現在被稱為“溫差電堆”。當Nobili和Melloni將溫差電堆與電流計耦合時，他們成為第一批能夠測量紅外輻射的物理學家。

熱電偶的基本結構

圖1的圖解顯示的是一個完整的熱電偶電路。兩個不同的金屬被連接到一個電路中，受到溫度梯度的影響產生電壓變化。

使用熱電偶測量表面溫度存在哪些相關問題

溫度梯度的變化會導致電壓變化。這些電壓一般在“微伏/ ℃”范圍內。溫度梯度越高（表明溫度越高），產生的電壓就越高。

當溫度變化較小時，Seeback的電壓變化與溫度呈線性比例關系。傳統的公式表示為：

eAB=α?T

為了測量由溫度梯度引起的電壓變化，必須要在電路中安裝一個電壓計。這就增加了兩個電氣接點：一個是銅到銅的接點，另一個是銅到異種金屬的接點。既然我們在電路中有兩個熱電偶，那么電壓計要如何區別這兩個熱電偶？請注意，假定圖1中的冰浴溫度為0℃，將其作為“已知的參考接點”或已知溫度。一旦一個接點溫度已知，則另一個接點的溫度——也就是我們打算測量的溫度——便可以通過數學公式的計算加以確定。

當你購買并安裝了熱電偶，要在哪個位置加冰浴？對于工廠制造的熱電偶，比如Extech EA10，生產商使用硬件補償和內部溫度感應電阻代替冰浴。這通常被稱為電子冰點參考電路，區別于各類熱電偶。

電壓轉換成溫度

熱電偶的電壓必須最終轉換成溫度。熱電偶產生的熱電勢，是熱電偶兩端之間的一個溫差函數，該函數在非常寬的范圍上非常接近線性。下圖的曲線為K型熱電偶的“標準響應曲線”。這是一個校準過程。

但是，熱電偶的溫度與電壓關系并不一直是線性關系。之前介紹的公式顯示的是一個理想的溫度與電壓關系，其中Seebeck的系數α是一個常量。但與實際情況并不符，α應該是由一個多項式表示的變量。

熱電偶的校準過程會生成一條理想的曲線，如圖2所示。藍線代表的是實際輸出（毫伏）與溫度的關系，虛線則是數據的“最佳擬合”線。盡管在檢查實際數據時，在某些點上可能有明顯的非線性數據，但這種類型熱電偶的輸出電壓與溫度變化還是相對呈線性關系。這一曲線僅供說明之用。

表示校準曲線的多項式系數結合毫伏輸入值共同確定熱電偶的溫度讀出值。

商用熱電偶

同許多其它十九世紀工業革命的發明一樣，熱電偶也有許多的日常用途。

圖3所示的熱電偶是一款典型的通用測量工具。這款熱電偶可靠、經濟并且可從多個批發商獲得。許多生產商會生產此類儀表，以下評論并不只針對Extech（FLIR公司）。

用戶手冊中所標明的EA10精度為+ / - 0.3% + 2℉。兩個K型熱電偶在5分鐘的時間內每個讀數都在0.4℉至0.8℉之間，被認為具有良好的關聯性。

說明書簡單易懂，顯示了儀表的所有功能，并提供英語、西班牙語和法語版本。

本文作者從Extech的多個競爭對手處下載了說明書，發現此類通用工具的說明書都類似。所有生產商都提供了多語言版本的清晰、簡潔的說明。

雖然在說明書中提供了豐富的信息，但卻遺漏了一個非常重要的信息，那就是熱電偶的安裝方式。生產商雖然會對儀表的操作提供說明，但并未對測量任務中最關鍵的一步：測量方式進行說明。這個步驟需要理解熱電偶的應用環境。僅在Omega Engineering的一張說明書中可以找到有關熱電偶安裝的信息，并提到了他們的環氧膠粘劑。請參考永久熱電偶的后半部分內容。

熱電偶的應用環境——表面熱傳導

熱電偶的本質只表明其達到的溫度。在對固體、液體或氣體進行溫度測量時，難點在于將熱電偶歸一化到與固體、液體或氣體相同的溫度。本文探討的是其中最大的難點——對固體表面的溫度測量。

表面（名詞）

a）目標或物體的外表面或上邊界

b）點的平面或彎曲的二維軌跡

c）某個事物的外部或表面

從《韋氏詞典》（www.m-w.com）提供的關于表面的簡單定義中，需要著重注意的是，它所涉及的是一個非常廣義的表面，對溫度測量提出了最大的挑戰。將表面描述為“點的二維軌跡”最能關聯使用紅外熱像儀觀測到的熱電偶的測量難點。從技術上講，這些點雖然無限小，但集合到一個區域內時，即定義為表面。

熱電偶的兩種常見形式是J型和K型珠狀熱電偶絲，通常會被臨時連接到表面上。這類熱電偶也可以進行永久粘合固定。

無論是臨時安裝還是永久粘合固定的J型或K型熱電偶，其一個明顯的測量難點是熱傳導的問題。這是因為物體表面和熱電偶之間的主要傳熱方式的傳導。一維表面的傅立葉熱傳導定律為：

所有的 I 級、II 級和 III 級紅外熱像師都十分熟悉這一公式和術語。那么對公式中的A，您會采用何值？從技術角度上來看，因為它是一個點，所以必須為零。但在現實中，它不能為零，因為在我們將熱電偶放到平面或曲面上時，就能獲得讀數。不妨動手嘗試一下，然后注意溫度上升的緩慢程度。因為它的熱傳導區域很小。

萬一遇到非常復雜的傳導傳熱過程，便不能使用簡單的公式。此時，我們必須修改上述公式，引入傳導形狀系數的概念。傳導形狀系數用于考慮特定的幾何形狀，不會在上述普通的公式中加以考慮。因此，我們可以將這個普通的公式改用一個新公式，其中術語S，也就是我們的傳導形狀系數：

在涉及球體和平面的計算中，如圖4所示，我們會得到一個相當復雜的公式，其中D表示為錫球的直徑，r為其半徑：

顯然，S值越大，則熱傳遞也越大，傳遞到熱電偶的熱量會越多，使其響應值更精確。到目前為止，我們已說明了熱量從平面傳導到球面。現在，我們必須將熱量從球面傳導不同的接點，從而建立溫度梯度。這就涉及到另一個公式：

在上面的公式中，r1表示錫球半徑，r2表示熱電偶絲半徑，k為錫球中材料的導熱系數。

熱量從我們希望測量的表面傳遞到對其進行測量的裝置內——即使近似于穩態條件和穩態方程——會涉及一些有趣的數學概念。如果這種情況擴展到瞬態條件，即溫度變化極快，數學的計算會變得非常復雜，且測量難度大大增加。

熱電偶的應用環境——表面對流

既然熱電偶放置在一個表面上，并引入了復雜的熱傳導形狀系數，在增加另一個流程——對流后，問題會變得真正復雜。所有表面都會受到三種熱傳遞形式的影響：傳導、對流和輻射。唯一的例外情況是當表面存在于真空中時，不會發生對流。

圖5中所示的熱圖像是連接某表面的K型熱電偶，上面有一塊電工膠帶（整個實驗裝置見圖7）。我們能清晰看到導致Seebeck效應的溫度梯度，如同膠帶與金屬表面之間的發射率差異。

輻射熱傳遞差異明顯。這塊將熱電偶固定到表面上的膠帶對來自罐體表面的熱流有隔熱效果。因為在這塊區域內傳導熱傳遞的耐熱性明顯提高，所以這塊區域的輻射和冷卻都很快。在圖5中可以得出結論：膠帶區域明顯比金屬表面看起來更亮。

而更讓人產生困惑的是對對流影響的確認。使用傳統紅外熱像儀探測因對流造成的微弱溫度影響的能力非常有限。但是，FLIR GF320紅外熱像儀具有高熱靈敏度（HSM）模式，帶有連續圖像幀間差分功能，能夠探測微量氣體。

請觀察圖6中不同圖像之間的細微差別。假定表面溫度為44.4℃，整個表面由對流導致的溫度變化達到0.7℃。

熱電偶的應用環境——效應組合

所有上述的凈效應如圖7所示。一根熱電偶放入罐內并固定在罐內表面，另一根固定在大致相同的外表面位置。預計這兩個讀數應完全相同，但事實上并非如此。

大部分時間，這兩根熱電偶的溫差在0.5℉范圍內，但也有例外。例外可能是因為房間的對流氣流，如圖6所示。因為水的密度，所以罐內水的對流氣流更大，但這導致了T2的溫度相比T1發生偏移，但不會導致溫差。

此處出現的讀數差異雖然是由前面提到的所有效應造成的，但最主要的還是傳導熱傳遞。珠狀熱電偶末端的錫球形狀使熱傳導的發生區域非常小。傳導形狀系數的大小顯示相同。

既然我們已經得出“臨時性安裝熱電偶是一個糟糕的做法”的結論，那永久性固定熱電偶的方法呢？

圖8是一張使用FLIR GF309工業爐檢測熱像儀拍下的原油加熱爐圖像。對爐管溫度進行測量以確定爐管壽命和加熱爐的工作參數。一根熱電偶被永久地固定在一根新裝的爐管表面上，在圖像中的左上角位置，從圖片中無法看到。

加熱爐中的熱電偶可能處于極端的環境中：氣體溫度在1，537℃以上，輻射環境在982℃以上（分別對應2800℉和1800℉）。

遺憾的是，熱電偶測量的是單點溫度。雖然在持續一段時間內能提供有用的數據，但無法顯示爐管內有無結焦。結焦情況嚴重會最終導致爐管破裂。從圖8中你可以看到結焦情況，在熱圖像中呈現白色熱點。

這些惡劣的環境會明顯影響熱電偶的長期性能。很不幸的是，這些并不是唯一存在的問題。

粘合固定的熱電偶——回歸小規模

如圖7所示使用電工膠帶的結果無法令人接受。所以便研究出了另一個更好的方法：粘合固定熱電偶。筆者認為這在價格上將近5倍價格，但能大大改進結果。

選擇了兩根Omega的CO1 K型快速響應熱電偶。箔片的厚度為0.0005英寸，粘合在很薄的聚合物/玻璃薄片之間。這類熱電偶極薄極平，非常適合安裝在曲面上。Omega推薦了OB200環氧膠黏劑用于安裝。

根據生產商的建議將環氧膠黏劑（兩部分的膠黏劑和催化劑）混合后涂在兩個表面上，并進行固化處理以接近推薦的溫度。筆者需要重申的是，熱電偶安裝方式僅能在環氧膠黏劑的說明書中找到，而非在熱電偶的說明書中進行說明。

面對這些結果，卻提出了一個難題：要相信哪個？每根熱電偶以相同方式安裝在容器內表面和外表面的同一位置上。使用一塊電熱板加熱罐體，并基于簡單的對流熱傳遞方式——封閉空間和開放空間之間不同的膜系數——沒人會期望兩個讀數能匹配上。雖然兩根熱電偶讀數會在一天之中多次呈現完全一致的結果，但從熱圖像獲得數據得出，容器外表面安裝的熱電偶會有8℉的溫差，同時容器內表面安裝的熱電偶會有13℉的溫差。外表面的熱電偶處在房間內空調的氣流對流下。熱像儀和熱電偶之間的讀數基本上都不一致，特別是熱像儀與外表面的熱電偶之間（熱電偶讀出的T2讀數更小）。

一旦對熱電偶進行充分的固化處理并進行完整性檢查后，將第三根熱電偶用膠帶貼到表面上，然后注入熱水。結果如下：

請注意，現在罐內注滿水，粘合固定的熱電偶幾乎與膠帶上紅外測量數據完全一致。兩根粘合固定的熱電偶對內表面水溫的測量溫差都在1℉內（必須將水用力混合，以限制自然對流，降低對流的附面層），但明顯不同于第三根用膠帶固定的熱電偶讀數。顯然，臨時連接的熱電偶完全不可靠，不應再使用。相比之下，粘合固定的熱電偶與紅外熱像儀測量結果一直，但僅限于罐內有水的情況下。

這些結果表明了這一看似簡單的應用的難點。圖6、圖9和圖11中的圖像提供了差異原因的線索，說明熱電偶和紅外熱像儀有時候結果不一致的原因是因為對流問題。在圖11中，罐體經過自然冷卻，在室溫對表面進行測量。在圖9和圖10中，罐體內是空的，使用加熱板從底部進行加熱。所以，這兩個對流熱傳遞條件都很難。其次，兩個罐體（容積熱容量）的熱惰性顯然在注水情況下比只有空氣的情況要大。最后，正如圖9和圖10所示，圖9中的溫度梯度更大，測量點的選擇更重要！

長期性能

既然已經明確使用熱電偶測量表面溫度會非常復雜，那么還要考慮哪些因素？有幾個關于熱電偶長期性能的問題需要考慮。

不良的接點連接：熱電偶的安裝方式至關重要。通過電工膠帶進行的臨時性連接幾乎在任何情況下都是一個糟糕的做法。導電式的粘合連接或特別的粘合固定熱電偶雖然可能是一個比較好的選擇，但也必須考慮環境因素。在高溫環境下，會將專用的熱電偶焊到表面上。焊縫可能會在壓力下分開，產生不可靠的讀數。這可能會突然發生或是一個漸進過程。

校準降級：在極高溫度或具有腐蝕性的環境下操作熱電偶可能導致大氣顆粒擴散到熱電偶金屬中，改變熱電偶整個的特征屬性和校準性。具有最高的溫度梯度（導致校準問題）的熱電偶可能會出現高溫退火。

高溫：高溫會影響熱電偶周圍的隔熱層。在加熱爐中，熱電偶可能實際上測量的是隔熱層被破壞時釋放的氣體溫度，而非表面溫度。

電蝕作用：如果隔熱層包含某些水中濾去的染料，會形成電解質。由此產生的電流可以比Seebeck效應多數百倍。

熱滯后：理想情況下，我們需要一根小熱電偶，使其不影響表面溫度。但是小熱電偶通常配備小熱電偶絲，會極大影響響應時間。

總結與結論

經驗教訓：

1、熱電偶能在生產商規定的精度內可靠測量其自身溫度。

2、生產商規定的精度不一定是測溫精度。

3、雖然目標是讓熱電偶達到與表面同樣的溫度，但在實際操作上不可行。

4、熱電偶可以精確測量液體和氣體的溫度，但在精確測量表面溫度方面存在短板。

5、熱電偶會明顯影響表面上對流和輻射熱傳遞，從而影響讀數的準確性。

6、應避免使用臨時安裝的熱電偶。