第二章 能源監測技術

第一節 熱工監測技術

一、溫度測量技術

(一)概述

溫度既是人們日常生活中最熟悉的參數，也是科學研究和工農業生產過程中一個很重要的測量參數。溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展都起到非常重要的作用。

溫度測量主要是利用各種溫度傳感器。溫度傳感器是通過物質隨溫度變化而改變的某種特性來間接測量溫度的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多。在溫度傳感器中，隨溫度而引起材料性質變化的指標有體積、電阻、電容、電動勢、磁阻、頻率、光學特性及熱噪聲等。隨著科學技術的發展，新型溫度傳感器材料還會不斷涌現。

按測量時溫度傳感器與被測量物體或系統的接觸方式可以分為接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫時溫度傳感器需要與被測介質保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式傳感器、熱電偶、PN結溫度傳感器等。非接觸式測溫時溫度傳感器無需與被測介質接觸，而是通過被測介質的熱輻射傳到溫度傳感器，以達到測溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器。溫度傳感器的種類與測溫范圍見表2-1。

(二)熱電偶測溫

1.熱電偶測溫原理

熱電偶是最常用的溫度傳感器。熱電偶工作原理是基于賽貝克(Seeback)效應，即兩種不同的導體兩端連接成回路，如果兩連接端溫度不同，在回路內將產生熱電流的物理現象。

如圖2-1所示，熱電偶由兩根不同導線(稱為熱電極)組成，它們的一端是互相焊接的，形成熱電偶的測量端(也稱工作端)，另一端(稱為參比端或自由端)則與顯示儀表相連。把測量端插入待測溫度的介質中，如果熱電偶的測量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表特指出熱電偶產生的熱電動勢。

熱電偶產生的熱電動勢的大小，與熱電極的長度和直徑無關，只與熱電極的材料和兩端溫度有關。當測量端與參比端的測量端溫差相等時，熱電動勢為零。也就是說，當熱電偶兩個電極的材料確定后，熱電動勢的大小只由兩結點溫度決定，與電極中間溫度無關。如果參比端溫度恒定，熱電偶的熱電動勢僅僅是測量端溫度的單值函數，測量出熱電動勢的大小，就可以得到測量端的溫度，這就是熱電偶的基本工作原理。

熱電偶測溫的主要優點有：

(1)測量精確度高：熱電偶與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響。

(2)熱響應時間快：熱電偶對溫度變化反應靈敏。

(3)測量范圍大：常用的熱電偶從-50～1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(如金鐵一鎳鉻低溫熱電偶)，最高可達3000℃(如鎢一錸熱電偶)。

(4)性能可靠，機械強度好。

(5)使用壽命長，安裝方便。熱電偶通常由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

2.熱電偶的類型

熱電偶的類型及其特征參數見表2-2。

表2-2熱電偶的類型及其特征參數

3.熱電偶的結構

常用熱電偶的結構主要有裝配式和鎧裝式兩種。裝配式熱電偶一般由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等部分組成;鎧裝式熱電偶則是將熱電偶絲、絕緣材料和金屬保護套管三者組合裝配后，經過拉伸加工而成的一種堅實的組合體，如圖2-2歷示。其感溫形式可以分成不露頭式、露頭式和戴帽式三種(見圖2-3)。鎧裝式熱電偶的優點是：體積小、熱慣性小、時間常數小，特別是露頭的鎧裝式熱電偶的時間常數僅為0.05s，適用于動態測溫。另外，其機械強度高，可以做成各種形狀，用于各種復雜的測溫場合。

由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時)，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。不同的熱電偶需要不同的補償導線，帶有補償導線的熱電偶測溫結構如圖2-4所示。需要強調的是，只有當引入的補償導線兩端(點1和點2)溫度相等時，熱電偶的熱電動勢才不會因為補償導線的存在而受到影響。補償導線的分類型號與分度號見表2-3。

熱電偶測量端的A、B兩種金屬絲，一般要求焊接成點，不僅要焊接牢固，還要光潔，無夾雜、裂紋。其焊接方法主要有電弧焊和炭精隱弧焊。