第二章 能源监测技术
第一节 热工监测技术
一、温度测量技术
(一)概述
温度既是人们日常生活中最熟悉的参数，也是科学研究和工农业生产过程中一个很重要的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展都起到非常重要的作用。
温度测量主要是利用各种温度传感器。温度传感器是通过物质随温度变化而改变的某种特性来间接测量温度的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。在温度传感器中，随温度而引起材料性质变化的指标有体积、电阻、电容、电动势、磁阻、频率、光学特性及热噪声等。随着科学技术的发展，新型温度传感器材料还会不断涌现。
按测量时温度传感器与被测量物体或系统的接触方式可以分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温时温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式传感器、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式测温时温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。温度传感器的种类与测温范围见表2-1。
(二)热电偶测温
1.热电偶测温原理
热电偶是最常用的温度传感器。热电偶工作原理是基于赛贝克(Seeback)效应，即两种不同的导体两端连接成回路，如果两连接端温度不同，在回路内将产生热电流的物理现象。
如图2-1所示，热电偶由两根不同导线(称为热电极)组成，它们的一端是互相焊接的，形成热电偶的测量端(也称工作端)，另一端(称为参比端或自由端)则与显示仪表相连。把测量端插入待测温度的介质中，如果热电偶的测量端与参比端存在温度差，则显示仪表特指出热电偶产生的热电动势。
热电偶产生的热电动势的大小，与热电极的长度和直径无关，只与热电极的材料和两端温度有关。当测量端与参比端的测量端温差相等时，热电动势为零。也就是说，当热电偶两个电极的材料确定后，热电动势的大小只由两结点温度决定，与电极中间温度无关。如果参比端温度恒定，热电偶的热电动势仅仅是测量端温度的单值函数，测量出热电动势的大小，就可以得到测量端的温度，这就是热电偶的基本工作原理。
热电偶测温的主要优点有：
(1)测量精确度高：热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响。
(2)热响应时间快：热电偶对温度变化反应灵敏。
(3)测量范围大：常用的热电偶从-50～1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁一镍铬低温热电偶)，最高可达3000℃(如钨一铼热电偶)。
(4)性能可靠，机械强度好。
(5)使用寿命长，安装方便。热电偶通常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。
2.热电偶的类型
热电偶的类型及其特征参数见表2-2。
表2-2热电偶的类型及其特征参数
3.热电偶的结构
常用热电偶的结构主要有装配式和铠装式两种。装配式热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成;铠装式热电偶则是将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体，如图2-2历示。其感温形式可以分成不露头式、露头式和戴帽式三种(见图2-3)。铠装式热电偶的优点是：体积小、热惯性小、时间常数小，特别是露头的铠装式热电偶的时间常数仅为0.05s，适用于动态测温。另外，其机械强度高，可以做成各种形状，用于各种复杂的测温场合。
由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。不同的热电偶需要不同的补偿导线，带有补偿导线的热电偶测温结构如图2-4所示。需要强调的是，只有当引入的补偿导线两端(点1和点2)温度相等时，热电偶的热电动势才不会因为补偿导线的存在而受到影响。补偿导线的分类型号与分度号见表2-3。
热电偶测量端的A、B两种金属丝，一般要求焊接成点，不仅要焊接牢固，还要光洁，无夹杂、裂纹。其焊接方法主要有电弧焊和炭精隐弧焊。
