温度测量技术发展与应用专题(三)温度测量技术的应用——物体表面温度测量

　　在工程应用和科学研究的很多场合中需要测量物体的表面温度,比如在钢铁制造行业中钢板表面温度的测量,在节能监测中窑炉外表面温度的测量,在航空航天科研中飞行器表面温度测量等。物体表面温度的测量可以采用接触式测量方法和非接触式测量方法,它不仅与测温传感器和测量方法有关,还受被测表面性能和环境状况的影响,是一个相互作用的复杂系统。

　　1　接触式表面温度测量方法

　　1·1　接触式表面温度测量方法的误差来源

　　用接触式方法来测量物体表面温度时,可以采用热电偶或铂电阻表面温度传感器。设被测表面同周围气体介质接触并处于热稳定状态,且其表面的温度θt高于环境温度θa。当传感器接触被测物体表面时,由于沿传感器导热产生热量损失会干扰物体表面原温度场分布,使被测表面和周围气体介质的等温线发生畸变,如图1所示。

　　可以将引入的测量误差分为三部分:

　　1)当传感器同被测表面接触时,由于传感器的导热使得在测点处从表面导出的热流更集中,使物体表面温度从原来值θt下降到θ′。将原温度场变形引起的温度差Δθ1=θ′-θt称为第一部分误差。

　　2)传感器测量端和被测表面之间总存在热阻Wc,它是由非理想热接触所引起的,由此引起的温度降Δθ2=θ″-θ′称为第二部分误差。

　　3)任何接触式传感器都存在一个感温点S(见图1),该点与被测表面距离为l′,感温点处温度θT不同于θ″,差值Δθ3=θT-θ″称为第三部分误差,它与传感器的结构有关。此外,测量误差还受到被测物体本身属性的影响。

　　被测材料影响测量结果的热性能参数主要是导热系数λb,导热系数越大,测量误差越小,这就是非金属材料的表面温度比金属材料测量起来更为困难的原因。

　　1·2　减小接触式表面温度测量误差的方法

　　1·2·1　减小Δθ1的方法

　　1)增加传感器和被测对象之间的接触面积,减小通过该截面的热流密度,可以减小原始温场的畸变。

　　2)应尽可能减小通过传感器从测量接触点传导出的热流,包括减小传感器引线的直径,并将其沿等温线方向布置。

　　3)将传感器头部焊接在一个高导热系数的薄片上,该薄片与被测表面具有相近的发射率,此结构可以大大减小Δθ1。

　　1·2·2　减小Δθ2的方法

　　该项误差是由于传感器和被测表面的热阻引起的,由于该热阻与被测表面的光滑洁净程度、测量时施加在传感器上的力的大小、传感器和被测材料的刚性有关,是很难用理论来计算的。施加在传感器上的力越大,温度测量的偏差越小,但到一定程度后改善的效果会越来越不明显,因此可以通过实验确定一个折中的量值。另外清除接触表面的氧化物、油脂和别的污染物,在传感器和被测表面涂覆高导热性介质都可以减小两者之间的热阻,提高测量的准确度。