目前,物体表面温度的测量在很多行业的科学研究和工程应用场合中都有应用,如加热炉内工件的表面温度,在飞机壁面的温度测量,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方法有接触法和非接触法。用接触法来测量物体表面温度时,假设被测表面同周围介质接触并处于热稳定状态,且其表面的温度高于环境温度。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,使得被测表面和周围介质的等温线发生畸变,引入测量误差,该误差可分为三部分[1,2,3,4]:

( 1) 原温度场变形引起的第一部分误差: 当传感器与被测表面接触时,由于传感器的导热使得在测点处从表面导出的热流比其他地方更集中,以致物体表面温度下降而产生误差,将该误差称为第一部分误差。减小该误差的方法有增加传感器和被测对象之间的接触面积,减小通过传感器从测量接触点传导出的热流等。

( 2) 由传感器和被测表面热阻引起的第二部分误差: 由于传感器测量端和被测表面之间存在热阻,这主要由非理想热接触所引起,由此引起温度降而产生的误差称为第二部分误差。 该误差引起的主要因素是传感器和被测表面的热阻,该热阻大小与被测表面的洁净和光滑程度、被测表面与传感器材料的刚性以及测量时施加在传感器上力的大小有关,理论计算很难。 减小该部分误差的主要措施有: 增加施加在传感器上的力,清除接触表面的油脂、氧化物或其他污染物,在传感器或被测表面涂覆高导热性介质等。

( 3) 由感温点与被测点不同引起的第三部分误差: 由于接触式传感器都存在一个感温点,该感温点与被测表面之间通常有一定距离并非完全贴合,致使感温点处温度与被测点温度不尽相同,将这部分误差称为第三部分误差。该误差主要与传感器的结构有关,减小该部分误差的主要措施有: 提高传感器材料的导热系数,减小传感器的接点和被测表面的距离。

用接触式方法来测量物体表面温度时,目前工业通常采用热电偶或铂电阻表面温度传感器。该种温度传感器是将普通铠装热电偶或铂电阻焊接在一个金属薄片上,金属薄片通过粘合剂与测量位置紧密粘合,从而测量表面温度。该种表面温度传感器使用简单,成本较低,通过焊接金属薄片可以降低上述第一部分误差,但同时也有以下几个问题:

( 1) 由测量端和被测表面之间接触热阻引起的第二部分误差较大由于该种温度传感器焊接了金属薄片并使用高传热系数的粘合剂进行粘合,但金属薄片本身、粘合剂以及焊接处还是会增加接触热阻从而引入一定的误差[5],导致第二部分误差较大。

( 2) 由感温点与被测表面距离引起的第三部分误差较大。由于该种温度传感器焊接了金属拨片并使用高传热系数的粘合剂进行粘合,但金属薄片本身具有一定厚度,粘合剂也会带来一定厚度,再加上焊接以及热电偶或铂电阻本身测量点和焊接处的距离,导致第三部分较大。

( 3) 响应较慢。该种温度传感器在普通热电偶或铂电阻的基础上又增加了金属薄片、粘合剂等,使得响应时间增大,无法使用在响应时间要求较高的场合。

( 4) 安装有一定的局限。该种温度传感器大多安装在一些温度不太高、焊接或粘合方便、较少腐蚀或较少湿气的地点,尤其适合外表面温度测量; 现在,随着工业的不断发展,测量温度的需求越来越纷杂,出现了一些现有工业表面测温传感器不宜安装的场合需要测量表面温度,比如测量某板内表面温度,该板内表面不易开槽、有腐蚀且温度较高、不易焊接,则普通热电偶和普通表面测温传感器很难安装使用。

除此之外,该种工业常用的表面温度传感器只是是将普通热电偶或铂电阻与拨片焊接起来,二者之间焊接的接触面积很有限,因而,这种结构减小第一部分误差也很有限。

除这种常用的接触式表面温度传感器外,还有一些在特定行业或场合专用的,飞机试验飞行期间对各种结构上表面温度测量使用的柔性温度传感器、锅炉管表面测温使用的刚性带夹具表面温度传感器,都具有专用场合,并且也存在上述问题中的一个或多个。

该易安装密封面接触式热电偶根据前面误差理论分析,结合现在工业常用接触式表面温度传感器的局限性和不足设计, 其结构如图1所示。

该设计中,普通热电偶偶丝穿过绝缘套,焊接在前面的金属薄圆感温片上,两根偶丝分别跟感温片焊接一定长度后焊接来进一步减小第一部分误差,绝缘套将金属保护铠与接触测量面的感温片隔开。

( 1) 有效降低温度场变形引起的第一部分误差。该热电偶使用了一种薄金属片作为感温片,并将两根偶丝分别跟感温片焊接一定长度,可有效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,再加上使用了绝缘套将金属保护铠与感温片隔开,有效降低了在保护铠上的热损失,由此, 接触式表面温度测量温度场变形引起的第一部分误差可有效降低。

( 2) 有效降低测量端和被测表面之间接触热阻引起的第二部分误差。由于该热电偶将热电偶偶丝直接焊接在金属感温片上,该感温片非常薄且导热性能很好,从而使得测量端和被测表面之间的接触热电偶较前面提到的工业常用的接触式表面温度传感器有所降低,由此引起的第二部分误差也有效降低。

( 3) 有效降低由感温点与被测表面距离引起的第三部分误差。由于该热电偶将热电偶偶丝直接焊接在金属感温片上,该感温片非常薄,从而使得测量端和被测表面之间的距离较前面提到的工业常用的接触式表面温度传感器有所减少,由此引起的第三部分误差也有效降低。

( 4) 响应较快。该热电偶将热电偶偶丝直接焊接在金属感温片上,该感温片非常薄且导热性能很好,相对普通的结壳式热电偶而言,该热电偶与被测面的接触面积增大,有点接触变成了面接触; 相对工业常用的接触式表面温度传感器而言,该热电偶节省了导热粘合剂、普通铠装热电偶绝缘部分等对响应时间的影响,使得响应时间较小。

( 5) 与普通热电偶通用的安装性能。该热电偶与普通的铠装热电偶、接壳热电偶的区别主要在于感温端,固定、密封等可参考或使用普通热电偶的方式。该热电偶尤其适用于测量较厚金属板的内表面温度,特别是一些在内表面不易开槽的,该热电偶安装可安装密封在测量外表面,安装时只需要打直孔至测温位置,不需要在内表面开槽。

使用T型热电偶偶丝制作8支易安装密封面接触式热电偶,抽选6支按照JJG 368 - 2000《工作用铜 - 铜镍热电偶检定规程》中规定操作方法,使用二等标准铂电阻作为标准温度计, 参考端为0℃ ,将制成的热电偶与标准温度计一起置入恒温槽内,读取温度值并计算误差,共取40℃ 、80℃ 、120℃ 、150℃ 、 200℃ 5个温度点,1个测量循环内每个温度点测量次数为4次,取其平均值,以此得到的误差如表所示。

另外两只送至华东过量计量测试中心进行检定,检定温度点同上,以此得到的误差如表2所示。

由表1、表2校验和检定误差结果可以看出,该已安装密封面接触式热电偶误差在T型热电偶Ⅰ级精度要求范围之内,精度较高。

将制作好的8只易安装密封面接触式热电偶安装在一个桶装装置底板上,该装置内径800 mm,底板为具备一定厚度的紫铜平面板,底板打直孔,距离内表面1 mm,在桶内通入常温水,稳定一段时间,读取各热电偶在注入水前和注入水稳定后所测温度值如表3所示。

在注入水前,各热电偶所测温度为室温下该底板稳定后的温度,各热电偶所测数值中最大值与最小值最大差为0. 173; 注入水稳定后,各热电偶所测数值中最大值与最小值差为0. 124。 在注入水前和注入水后的稳定状态下,可以认为铜板表面各处温度相同,这种情况下各面接触热电偶的最大相互偏差为0. 173,一致性较好。

( 1) 目前常用的面接触式热电偶存在响应慢、由测量端和被测表面之间接触热阻引起的误差较大、由感温点与被测表面距离引起的误差较大、安装具有一定局限性等缺陷。

( 2) 易安装密封面接触式热电偶通过将热电偶丝与金属感温片具有一定长度的焊接、使用绝缘套将感温片与铠装热电偶隔离开的方法来实现降低温度场变形引起的第一部分误差、由测量端和被测表面之间接触热阻引起的第二部分误差、由感温点与被测表面不一致引起的第三部分误差,使得响应变快,同时可使用常用热电偶的固定安装密封方式进行固定安装和密封。