温度测量方法选择策略

于 洋

（海装重庆局，重庆400030）

温度是国际标准单位制中规定的7个基准物理量之一，是用于表征物体宏观冷热程度的重要物理量。它与人类社会生活的各方面都息息相关。在工业实践中温度测量也是被最大量应用的重要过程测量手段之一。

针对不同的测量对象和测量准确度要求，目前已经发展出来多种基于不同物理机理的温度测量方法。由于温度从微观角度来看可以解释为组成系统的大量微观粒子在无规则热运动中剧烈程度的表现，因此温度也可以近似等效看做分子平均平动动能的度量。当测量温度很低时，分子平均动能较低，因此早期发展出来主要是以接触式为主要特征的一大类温度测量方法，其中又可以大致细分为热体积式、电量式和光色方法式等三种主流类型。随着钢铁、冶金、化工和核能等工业的技术发展，更大量应用于高温特殊场合的测量要求逐渐对温度测量方法提出了更高的要求。由于高温下，物体分子中不同外层电子层接受到外界平动粒子的动能，非弹性碰撞损失掉的动能转化为电子的激发能，当该能量大于原子的第一电离能时会导致电子跃迁到更高能级的电子层，产生电离效应。电离后的正离子对于电子的吸引作用会导致电子进入库仑势阱。当电子被俘获后同时发射出一定波长的光子，这时由于所处温度场的高能粒子存在，接触式测温的传感器材料容易在高能粒子的作用下发生离解，进而改变其原有的分子结构，从而导致测量信号偏差或者结构失效。由此发展出来的非接触式温度测量方法主要包括辐射式、光谱法、激光干涉法和波特性法等几种主流技术。本文针对各类测量方法的原理进行简要的描述，并提出相应的选择应用策略。

1 接触式测温方法

接触式测温方法所采用的测量原理是将被测介质或者物体与测量传感器充分直接接触，使得被测位置的分子动能能够有效地传递到测量传感器结构分子处，当两位置处的分子动能达到统计平衡态时，就体现出宏观稳定的平衡温度。比如采用热体积式的玻璃管温度计、双金属温度计或者压力式温度计，就是将被测温场分子动能等效转换为测量介质或者测量结构的分子动能，由于分子动能的增加导致其分子间距增大，最终导致宏观体积发生变化从而实现温场的度量。

又如电量式的热电偶、热电阻、热敏电阻和石英晶体温度计等，则是利用不同物质分子动能导致电子激发的能级变化差异，或者分子动能差异导致金属内电阻变化，或者分子动能差异导致材料结构弹塑性指标改变并产生宏观谐振频率偏移等效应来实现温度测量的。

使用这种方法时由于测量传感器要进入测量温度场中，对于温度场的分布及瞬态过程可能产生一定的改变。此外，当测量温度较低时，还必须充分考虑由于被测位置与传感器分子动能传递过程中的损耗导致的温度梯度效应影响[1]。比如:当采用热电偶测量小温场内温度时，由于热电偶初始不具有与被测温场相同的宏观温度，为了获得稳定的平衡温度，就需要消耗被测温场的分子动能，如果该被测温场不具有持续的热源，那么这种分子动能的消耗就会导致被测温场本身发生变化而不再保持原有状态。又如:当被测温场宏观温度较低，分子动能较小时，由于单次非弹性碰撞导致的动量传递效率很低，因此获得稳定的、与被测温场宏观一致的测量单元温度可能需要很大的过渡响应时间。由于测量传感器本身具有一定的结构体积或者结构厚度，在最终达到平衡温度之前，会形成一定的温度梯度，如果不能够在测量过程中正确估计响应时间，那么该温度梯度的存在足以导致测量准确度受到影响。

此外，接触式的测量方法高度依赖于测量传感器材料的稳定性。由于接触式测温需要将测量传感器的宏观参数(如体积、热电势值、电阻和谐振频率)变化与事先根据基准试验研究获得的结果进行比对后，根据比对数据差值得到被测温度信息，实际应用中使用的测量传感器特性与基准试验中设置的基准测量传感器是否具有一致稳定的参数响应就成为能否最终获得可靠温场测量结果的关键[2]。比如，当热电偶所使用的材料纯度发生变化时，在测量过程中其材料外层电子迁移的统计量会产生相应的偏离，那么测量产生的热电势值就不能再准确表示被测温场的度量结果。

2 非接触式测温方法

非接触式测温方法主要采集被测温场发射的光子辐射，通过判断其辐射的强度、连续或离散特征波长分布等方式进行被测温场的量化度量。比如采用辐射式测温方法的技术就又可以采用全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计等几种方式。其中，全辐射高温计是将被测温场发生的不同波长的辐射能量通过凹面反射镜汇聚到被测吸收体处，根据该辐射能量导致吸收体处分子动能增加程度度量被测温度[3]。但是，受到不同波长反射特性差异的限制，不可能真正获得连续波长的整体辐射场能量，同时被测吸收体处的测温元件仍然多采用接触式方法，其热惯性影响仍对此处的测量准确度产生影响，因此该方法仅能实现有限带宽小辐射能量度量。而亮度式高温计，如隐丝式高温计，虽然其采用的标准温度灯元件是具有较高稳定性的基准源，但是该方法由于高度依赖于操作人员的直观判断，其信息转换和判断中存在更多的不确定性。上述两种测量法都存在一个致命的缺陷，就是测量方法高度依赖被测温场光子发射的强度。如果被测介质的温度区间与测量设备标准测量范围有所差异，特别是其发射率较低时，辐射的不均匀性和测量传感器的体积效应影响将可能导致不能忽略的附加误差影响，甚至导致测量方法失效。比色式高温计由于采用了对被测温场的辐射能量不同波段的选择性分离和比较运算，能够较好地解决前述两种方法对于被测温场与测量传感器之间的空间介质，如粉尘、烟雾和水蒸气等的影响，同时还能够通过透镜装置集中测试局部狭小区域中的可动体温度[4]。但是，其获得的测量结果仍然高度依赖所使用的光电转换装置稳定性和分离光路的效率。

此外，光谱法的非接触式测量可以采用测量原子发射光谱或者基于拉曼散射频移的方法确定被测物体或者介质的温度，前者多用于天体物理学领域测量外太空天体温度，而后者则更多用于测点试验室中化学介质的温度或者具有较好透光性介质中的温度。目前，基于多光谱计算获得物体温度的方法正逐步取代单一光谱的测温方法。

激光干涉法采用测量入射激光的折射散斑几何参数获得折射率及其一阶或二阶导数信息，而这些折射率相关信息就反映了温度场的存在特征。这种方法可以用于反映三维空间的温度信息[5]。

波特性法则是利用声波、电磁波等在不同温度介质中的传播速度差异以及信号衰减幅度间接反映被测介质的温度信息。

上述测量方法虽然采用了各种不同的高技术手段，实现间接温度测量，但是，其对于被测介质的分布特征，温场均匀性和中间测量路径上的介质影响较接触式测量更为敏感。

3 测温方法选择

根据目前国际上出现的各种测量温度及温场技术手段特点，在实际应用中，选择具体测温手段和方法是应综合考虑被测对象的各种特征后再给予恰当的选择。比如，应该至少考虑如下被测温度场特征参数:被测温度范围，被测温度变化周期，被测温度所需准确度要求，被测对象的体积，被测对象的温度均匀性，被测对象的物理性质（如声学、光学、电磁学等相应特征），被测对象的化学性质（如属于氧化性还是还原性介质），被测对象所处的环境介质特征，被测介质的运动学和动力学特征（如速度、粘度、应力场分布等）以及测量所需持续的时间等具体要求。

对于静止的近距离对象，可以首先尝试接触式测温方法，其测试手段成熟简单，成本较低；对于高速运动物体或者远距离对象，则应首先考虑非接触式测温方法，以便解决测量传感器定位和信号传输问题[6]。

对于测温上限达到小于摄氏度高温的应用，一般不能采用接触式测温方法，因为在该条件下大多数测温传感器均己呈现离子化趋势或者丧失了原有的信号特征，这时采用非接触式测温方法，如光谱法或者干涉法就具有很大的优势[7、8]。

此外，对于需要高响应速度和短周期的温度测量，一般推荐采用非接触式测量方法，因为接触式测温传感器由于具有一定的体积和热容，会导致被测参数信号响应延迟或者对被测信号产生低通滤波效应，从而导致被测温度偏离实际物体的真实温度值。

当然，接触式温度测量方法在一定条件下也要优于非接触式测温的很多特点。对于一些特殊的无法直接采用光学、声学或者电磁学信号到达的部位，还是应该考虑选择接触式的测温方法，比如对于反应堆内部的温度场测量，由于大多数光学、声学和电磁学测试设备都会在高辐射剂量的条件下失效损坏，目前仍然主要采用热电偶测量温度的方法，这是因为某些特殊型号热电偶所采用的金属材料在很高辐射剂量条件下仍然能够保持相对温度的温度信号响应[9]。

被测对象的测量温度准确度和几何尺寸要求是另一个必须充分考虑的重要要求，因为很多条件下可能有不止一种测温方法可以使用，而准确度要求往往是限制大量通用测温方法使用的关键参数。比如:对于某个大平面的温度场测景，如果允许误差在若干度甚至十几度的范围，那么往往可以采用红外热成像的方法，实现一次性测量然后计算得到温场分布的效果。但是，如果要求测量的准确度达到1摄氏度甚至零点几摄氏度[10]，那么红外光学力[11]一法就会由于比对误差和基准偏离等原因难以获得极为准确的测量结果，这时也许采用多点热电阻测温能够更好地解决实际测量问题。

要想在实际工业应用中，良好地解决温度测量的问题，不仅仅需要熟练掌握各种温度测试设备，更需要对不同温度测量的基本原理，测量的前提条件，测量的干扰因素和测量数据的分析方法具有全面和深入的认识。

4 结束语

本文综述了目前国际上出现的各种不同类型的温度测量方法，通过简要描述不同测温方法的基本原理，比较不同测温方法的实现途径和条件要求，进一步提出了在工业实践中应用不同测温方法时所需注意的各种问题。温度测量虽然是一个古老的问题，但是真正解决好实际温度测量的各种具体要求还需要操作人员针对具体问题，理论联系实际，全面系统地设计测温方法，才能够获得理想的测量信号结果。

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