淺談溫度測量的發(fā)展現(xiàn)狀

1、淺談溫度測量的發(fā)展現(xiàn)狀    關鍵詞 溫度測量;發(fā)展現(xiàn)狀;薄膜溫度傳感器0 引言 溫度是表征物體冷熱程度的物理量,是國際單位制中7個基本物理量之一,它與人類生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究有著密切關系。隨著科學技術水平的不斷提高,溫度測量技術也得到了不斷的發(fā)展。 1 溫標的發(fā)展 在生產(chǎn)和科學研究中,為了便于測量結果準確一致,需要給物體冷熱程度以定量的描述。因此,有必要建立適當?shù)臉顺邅砗饬课矬w的冷熱程度,以便科學地描述物體各種性能隨溫度變化的關系。溫標就是溫度的數(shù)值表示方法,它是借助于隨溫度變化而變化的物理量來定義溫度數(shù)值的。各種各樣溫度計的數(shù)值都是由溫標來決定

2、的。所以可以說溫標就是溫度的標尺。溫標是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則,它明確了溫度的單位。溫度測量離不開溫標的概念,溫標是溫度測量中的參照標準。隨著社會生產(chǎn)及科學技術的進步,溫標的復現(xiàn)也在不斷地發(fā)展。大約每20年對溫標作一次較大的修改或更新。1990年國際溫標是根據(jù)第18屆國際計量大會第7號決議的要求,由第77屆國際計量委員會于1989年會議通過的。 本世紀初國際權度局制定的“標準溫標”范圍從0100,其復現(xiàn)性為0.02,隨著科學技術的發(fā)展,標準溫標的復現(xiàn)精度大幅提高,前蘇聯(lián)計量科學研究院在0400范圍內(nèi)溫標定點精度達0.0005,美國標準局水三相點的溫度復現(xiàn)性達0.0001。 2 溫度測量的成果

3、在溫度測量方面各國均取得了許多可喜的成果,其中前蘇聯(lián)的壓電石英頻率溫度計分辨能力可達0.0001,理論上可達0.00001,而且在-40230范圍內(nèi)具有溫度與頻率的線性特性;日本利用所謂石英溫度頻率轉換器-80200的溫度范圍,最大分辨率達0.0001;美國標準局研制的電阻溫度計25歐標準鉑電阻溫度計,電橋分辨0.00002;我國生產(chǎn)的石英溫度傳感器分辨率達到0.0001,誤差在0.05以內(nèi),中國航天工業(yè)總公司702所研制的5901(STP-1000)型粘貼式測溫片,其靜態(tài)測溫精度為0.5%,快速響應時間小于0.013s。 3 溫度測量技術近年來的發(fā)展重點 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻測溫方法以其技術

4、成熟、結構簡單、使用方便等特點,在未來溫度測量領域中,依然能夠廣泛使用。隨著新材料、新工藝以及一些新技術的發(fā)展,其應用范圍更加拓展。 1)薄膜溫度傳感器 在傳感器結構改進方面,出現(xiàn)了薄膜溫度傳感器,它是隨著薄膜技術的成熟而發(fā)展起來的新型微傳感器,其敏感元件為微米級的薄膜,具有體積小、熱擾動小、熱動態(tài)響應時間短、靈敏度高、便于集成和安裝的特點,并且具有耐磨、耐壓、耐熱沖擊和抗剝離的優(yōu)良性能,特別適合于微尺度或小空間溫度測量、表面溫度的測量等場合。近年來發(fā)展的陶瓷薄膜熱電偶,可以測量更高的溫度,克服了金屬薄膜熱電偶的一些催化效應和冶金效應等缺點,在高溫表面溫度測量領域應用更為廣泛。 2)熱電偶材料

5、性能的提高 在熱電偶絲材料方面,一些類型的熱電偶性能得到了提高,并出現(xiàn)了一些新型熱電偶類型。 (1)N型熱電偶越來越受到重視。 與K型熱電偶相比,N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性與使用壽命均明顯提高。目前國外N型熱電偶得到了廣泛的應用,而國內(nèi)應用仍舊不是很普遍,但隨著對加工產(chǎn)品質量控制要求的提高,N型熱電偶使用將會越來越多。 (2)鎢錸熱電偶抗氧化技術得到了發(fā)展,拓寬了其應用領域。主要是采用熱電偶絲材鍍膜或采用高致密保護套管隔絕等技術,可以延長鎢錸熱電偶在氧化氣氛下的使用時間,使之不局限在還原條件下使用,可在一定程度上取代鉑銠等貴金屬熱電偶。 (3)一些非標準分度的金屬、非金屬熱電偶正在研制并逐步得到應

6、用。為了提高溫度測量上限,一些非標準分度的鉑銠、銥銠等貴金屬熱電偶已經(jīng)在工程上得到應用。另外,一些非金屬熱電偶材料得到了人們的重視,其特點有:熱電動勢和微分電勢大;熔點高,測溫上限也高;價格低;選用合適的非金屬材料,可制成抗氧化或抗碳化的熱電偶,用于惡劣條件下溫度的測量。其缺點是復現(xiàn)性和機械性能差。目前,取得進展的非金屬熱電偶有C-TiC (ZrB2、NbC、SiC)、SiC-SiC、ZrB2(NbC)-ZrC、MoSi2-WSi2以及B4C-C等。 3)溫度傳感器保護套管材料 保護套管材料在溫度測量中對敏感元件起著保護作用,對其測量準確度和使用壽命有很大影響,可由金屬、非金屬或金屬陶瓷等材料

7、制成。近年來金屬陶瓷保護套管材料性能得到了很大提高,如Al2O3基、MgO基、ZrO2基和碳化鈦基等幾種金屬陶瓷,具有耐腐蝕、抗熱沖擊、耐高溫性,可以在氧化、還原和中性氣氛下使用,在冶金行業(yè)中可用于高溫金屬熔液溫度的測量。 4)輻射測溫技術 隨著光電和紅外探測器的發(fā)展,出現(xiàn)了多種多樣的紅外測溫儀,紅外測溫技術得到了更多的應用。具體表現(xiàn)在:(1)測溫范圍從高溫、中溫向中、低溫部分拓展;(2)準確度和穩(wěn)定性更高;(3)工作波段多樣化, 可根據(jù)被測對象的特性選擇;(4)從點測量發(fā)展到二維面測量;(5)紅外測溫儀具有小型化和智能化的特點;(6)從測量原理和方法上消除發(fā)射率影響,實現(xiàn)物體的真溫測量。&#

8、160;       多光譜測溫技術也逐步開始在科研和工程領域中得到了應用。其原理是在一個儀器中制成多個光譜通道,利用多個光譜的物體輻射能量信息,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到物體的真實溫度。該方法測量溫度上限和測量準確度高、響應快,受中間介質影響小,非常適合非透明火焰溫度和高溫表面溫度的測量。 5)光 纖測溫技術 黑體空腔式光纖高溫計是由黑體空腔與被測介質達到溫度平衡,通過光纖將黑體腔的輻射能量傳輸給光電探測器件,從而實現(xiàn)溫度測量。如藍寶石黑體空腔式光纖高溫計,具有測溫高、響應快、壽命長的特點,可以部分取代貴金屬熱電偶。還有一種測量鋼水

9、溫度的消耗型光纖溫度傳感器,也是基于以上原理,由普通石英光纖實現(xiàn)測溫,因其價格低、準確度高的特點可以取代消耗型貴金屬熱電偶。 分布式光纖測溫系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng),它是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測量技術。其中,光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體,利用光纖后向喇曼散射的溫度效應,可以對光纖所在的溫度場進行實時測量,利用光時域反射技術(OTDR)可以對測量點進行精確定位。分布式的結構使得該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時快速多點測溫。 光纖布拉格光柵(FBG)是最近十幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一,它是利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性,通過某種工藝方法使外界入射光

10、子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用,導致纖芯折射率沿纖軸方向周期或非周期性地永久性變化,在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。當溫度變化時,光纖的柵距和折射率發(fā)生變化,導致其響應波長的移動,通過檢測響應波長即可確定溫度。它可以在一根光纖上實現(xiàn)多點測量,并能同時測量溫度和應變。利用這些原理制作的光纖多點溫度傳感器,可以應用在油井溫度測量、大壩或地質災害監(jiān)測、飛機蒙皮的健康監(jiān)測方面等場合,具有很好的應用前景,是近幾年溫度測量技術發(fā)展的重點之一。 4 結論 雖然溫度測量方法多種多樣,但在很多情況下,對于實際工程現(xiàn)場或一些特殊條件下的溫度測量,比如對極限溫度、高溫腐蝕性介質溫度、氣流溫度、表面溫度、固體內(nèi)部溫度分布、微尺寸目標溫度、大空間溫度分布、生物體內(nèi)溫度、電磁干擾條件下溫度測量來講,要想得到準確可靠的結果并非易事,需要非常熟悉各種測量方法的原理及特點,結合被測對象要求選擇合適的測量方法才能完成。同時,還要不斷探索新的溫度測量方法,改進原有測量技術,以滿足各種條件下的溫度測量需求。 參考文獻 1劉洋,吳雙,趙永剛.熱電偶溫度傳感器的研究與發(fā)展現(xiàn) 狀J.中國儀器儀表 ,2003(11):104-107 . 2王克軍.國外低溫溫度傳感器的研制現(xiàn)狀J.低溫工程, 2002(5):114-117. 3王