原创 热电偶与红外测温方法比较研究

热电偶与红外测温方法比较研究
测试和认证在北美市场占有重要地位。经认证并具备权威认证标志的产品将受到消费者的青睐。在北美市场出售的众多工控、电源以及电气产品等都要求进行温度测量，确保产品的安全。本文将着重介绍两种测量方法，即热电偶与红外测温，并对这两种方法进行比较和概括。通过对北美标准对测温方法要求的要求，来更多的帮助国内厂商了解相关规范，为其产品的生产和出口提供建议。

一、温度测量的基本概念

        温度是度量物体冷热程度的物理量，在生产和科学试验中占有极其重要的地位，是国际单位制（SI）中7个基本物理量之一。从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量发布状况的物理量；从热平衡观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量；从微观上看，温度标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度，温度高的物体，分子平均动能大，温度低的物体，分子平均动能小。

        早期人们以人的器官感觉出发，凭感觉到的或接触到的冷热程度区别温度的高低。这样得出的结果往往不可靠、不准确。研究表明，几乎所有物质的性质都与温度有关，例如尺寸、体积、密度、硬度、弹性横量、破坏性强度、电导率、导磁率、光辐射强度等，利用这些性质及其随温度变化规律可进行温度测量。也就是说，温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

二、主要测温方法介绍

        温度测量方式有接触式和非接触式两大类。

1． 将传感器置于与物体相同的热平衡状态中，使传感器与物体保持同一温度的测温法，即为接触式测温法。例如利用介质受热膨胀的原理的水银温度计、压力式温度计和双金属温度计等。还有利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度。例如热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等。

接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。

2. 非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触。实现这种测温方法可利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度。有全辐射法、部分辐射法、单一波长辐射功率的亮度法及比较两个波长辐射功率的比色法等。非接触式仪表测温的测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

三、标准要求

        基本上所有的CSA和UL电气产品标准都要求进行温升测试，而且会详细要求测试条件，例如产品的输入电源、负载要求和测试环境等；测试方法，例如安装位置和使用测温方法等；测试时间；判断准则，温升的最大值和附带测试等。在测试方法中，会对测温的方法进行规定，通常有对热电偶的要求是30AWG（0.51平方厘米）,铁－康铜（分度号J）或铜－康铜（分度号T）和相配合的记录仪器

        例如标准CSA C22.2 No 0 General Requirements – Canadian Electrical Code, Part II., 6.2。5 条款有如下要求：

        “Thermocouples shall have No. 30 AWG conductors,… If referee temperature measurements are necessary, thermocouples having No. 30 AWG conductors shall be used. Thermocouples with gauge sizes smaller than No. 30 AWG may be used for measurement of miniature circuitry and components.”

例如标准UL1492 Audio-Video Products and Accessories，68.6条款就有如下要求：

“…When thermocouples are used in the determination of temperatures, it is common practice to use thermocouples consisting of No. 30 AWG iron and constantan wires and a potentiometer-type instrument…”

四、热电偶测温原理，方法和适用范围

1．热电偶测温基本原理 ：
将两种不同材料的导体(或半导体)A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导体和的两个接点T1和T2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。

热电偶原理图

2．热电偶的种类
热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。

标准化热电偶。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

3．热电偶的结构形式
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： ①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

4．优点：
热电偶是实验室最常用的温度检测元件之一，为接触式。其优点是：
a 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。
b 测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）
c 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。．

五、红外测温原理，方法和适用范围

1．红外测温原理
物体处于绝对零度以上时，因为其内部带电粒子的运动，以不同波长的电磁波形式，向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区，但主要处于0.8-0.15μm的近、中、外红外区。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

2．红外测温仪器结构
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

3．红外测温仪器种类
红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于比色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标，比色测温仪是最佳选择。这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通道上传输光辐射能量。

红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中，激光瞄准器只做瞄准使用。其性能说明下表。

测温范围 -32℃--400℃ 显示分辩率 0.1℃(<199.1℃时 )
精度 23 ℃时±1% 工作环境温度范围 0--50 ℃
重复性 23 ℃时±1% 相对湿度 30 ℃时 10—95%
响应时间 500ms 电源 9V
响应光谱 7 -18micron 尺寸 137 × 41 × 196mm
最大值显示 Have 重量 270g
发射率 0.95Preset ―― ――

六、热电偶测温和红外测温比较

测温方法 测温原理 传感器和仪表 特点 测温范围（℃）
接触式 金属热电偶的热电势 铜－康铜（分度号T） 0－200℃是最准确的，精度高，低温灵敏度高 －200—350
  铁－康铜（分度号J） 100℃以下线性好，有较高灵敏度。 －40—600
非接触式 热辐射能量变化 部分辐射法 由光电池、光敏电阻及其它红外探测元件作热敏元件，因它们有一定的光谱选择性，故非全光谱的 因仪表的工作波段可选择，因此可以避开中间介质的吸收峰 -50--3000
  比色法 比较二个光波辐射能量之比 反应速度快，接近真实温度，受中间介质的影响小 50—2000

七、结论

        综上所述，接触式测温仪表测温仪表（热电偶测温方法）比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温（红外测温方法）是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。由于非接触式仪表测温（红外测温方法）测试时受外界的影响比较大，加上不能测量内部温度。在CSA和UL标准中，只是规定了接触式测温方法（热电偶和电阻法）进行温升测试。

        但是非接触式仪表测温（红外测温方法）可快速提供温度测量，在用热电偶读取一个渗漏连接点的时间内，用红外测温仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于红外测温仪坚实、轻巧、安全，它能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度，你可以在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行，即达到测试的目的又保护了人身安全。希望在不久的将来，标准可以把这种测温方法列入标准，允许其在某些特定设备和特定场合使用。