第二章 能源監(jiān)測(cè)技術(shù)

第一節(jié) 熱工監(jiān)測(cè)技術(shù)

一、溫度測(cè)量技術(shù)

(一)概述

溫度既是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ膮?shù)，也是科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)很重要的測(cè)量參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起到非常重要的作用。

溫度測(cè)量主要是利用各種溫度傳感器。溫度傳感器是通過(guò)物質(zhì)隨溫度變化而改變的某種特性來(lái)間接測(cè)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(dāng)多。在溫度傳感器中，隨溫度而引起材料性質(zhì)變化的指標(biāo)有體積、電阻、電容、電動(dòng)勢(shì)、磁阻、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型溫度傳感器材料還會(huì)不斷涌現(xiàn)。

按測(cè)量時(shí)溫度傳感器與被測(cè)量物體或系統(tǒng)的接觸方式可以分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。接觸式測(cè)溫時(shí)溫度傳感器需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行充分的熱交換而達(dá)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(jié)溫度傳感器等。非接觸式測(cè)溫時(shí)溫度傳感器無(wú)需與被測(cè)介質(zhì)接觸，而是通過(guò)被測(cè)介質(zhì)的熱輻射傳到溫度傳感器，以達(dá)到測(cè)溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測(cè)溫傳感器。溫度傳感器的種類與測(cè)溫范圍見(jiàn)表2-1。

(二)熱電偶測(cè)溫

1.熱電偶測(cè)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(yīng)，即兩種不同的導(dǎo)體兩端連接成回路，如果兩連接端溫度不同，在回路內(nèi)將產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。

如圖2-1所示，熱電偶由兩根不同導(dǎo)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(cè)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(cè)量端插入待測(cè)溫度的介質(zhì)中，如果熱電偶的測(cè)量端與參比端存在溫度差，則顯示儀表特指出熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)的大小，與熱電極的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電極的材料和兩端溫度有關(guān)。當(dāng)測(cè)量端與參比端的測(cè)量端溫差相等時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)為零。也就是說(shuō)，當(dāng)熱電偶兩個(gè)電極的材料確定后，熱電動(dòng)勢(shì)的大小只由兩結(jié)點(diǎn)溫度決定，與電極中間溫度無(wú)關(guān)。如果參比端溫度恒定，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅僅是測(cè)量端溫度的單值函數(shù)，測(cè)量出熱電動(dòng)勢(shì)的大小，就可以得到測(cè)量端的溫度，這就是熱電偶的基本工作原理。

熱電偶測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1)測(cè)量精確度高：熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

(2)熱響應(yīng)時(shí)間快：熱電偶對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏。

(3)測(cè)量范圍大：常用的熱電偶從-50～1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(如金鐵一鎳鉻低溫?zé)犭娕?，最高可達(dá)3000℃(如鎢一錸熱電偶)。

(4)性能可靠，機(jī)械強(qiáng)度好。

(5)使用壽命長(zhǎng)，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(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

2.熱電偶的類型

熱電偶的類型及其特征參數(shù)見(jiàn)表2-2。

表2-2熱電偶的類型及其特征參數(shù)

3.熱電偶的結(jié)構(gòu)

常用熱電偶的結(jié)構(gòu)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(hù)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(hù)套管三者組合裝配后，經(jīng)過(guò)拉伸加工而成的一種堅(jiān)實(shí)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(jiàn)圖2-3)。鎧裝式熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、熱慣性小、時(shí)間常數(shù)小，特別是露頭的鎧裝式熱電偶的時(shí)間常數(shù)僅為0.05s，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)溫。另外，其機(jī)械強(qiáng)度高，可以做成各種形狀，用于各種復(fù)雜的測(cè)溫場(chǎng)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(shí))，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到儀表端子上。不同的熱電偶需要不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，帶有補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電偶測(cè)溫結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，只有當(dāng)引入的補(bǔ)償導(dǎo)線兩端(點(diǎn)1和點(diǎn)2)溫度相等時(shí)，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)才不會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償導(dǎo)線的存在而受到影響。補(bǔ)償導(dǎo)線的分類型號(hào)與分度號(hào)見(jiàn)表2-3。

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