非接触式温度测量方法在微尺度实验中的应用

中国工程热物理学会传热传质学第十三届年会论文编号：０４３２８７

非接触式温度测量方法在

微尺度实验中的应用

刘志刚赵耀华

中国科学院工程热物理研究所北京１０００８０

联系电话：０１０－１５２５７３３３４Ｅ－ｍａｉｌｙｈｚｈａｏ＠，ｍａｉｌ．ｅｔｐ．ａｃ．ｃｎ

摘要：本文首次引入非接触式温度测量方法到徽尺度实验中，即采用红外成像仪来测量微管外壁的温度分布。非接触式测量方法不会引起徽管实验段的温度分布的变化且不需要特别的布置，因而在微尺度实验中比一般的接触式温度测量方法—采用热电偶成热电阻来测量温度具有更高的精确度．本文还给出了一组采用红井成像仪所拍摄到徽型钢管外表面的温度分布图及处理后沿徽管轴向的温度分布。关键词：非接触式测量，红外成像仪．噩度分布

１．引言

微尺度下的传热与传质是一个复杂、又有着巨大和广泛应用价值的问题。虽然各国的研究者作了大量的努力。发表了非常多相关文章，但是对其机理的认识仍然极不充分，而且发表在好多国际期刊上的论文的结论大相径庭甚至相互矛盾。造成这一情况的主要因素之一可能就是各国研究者在实验过程中，实验装置测量精度不同而得到不得的结论。正如Ｐｆａｈｌｅｒ等…指出徽尺度实验中测量的相对误差将达到２０％。

温度的测量是微尺度实验中所测量的最重要的参数之一。许多参数测量都和温度直接相关，因此它是否能被精确铡量直接影响到实验的精度甚至实验的结论。然而现在的微尺度实验中，几乎所有的温度测量仍然采用接触式测量—运用热电偶或热电阻来进行测量。由于在微尺度实验中，被测量物体的体积都非常小。一般在几微米到几百微米之间，因此任何测量头与被测量物体的接触都会引起原来被测量物体温度场的明显变化，从而使得测量误差非常大。同时，在现行的微尺度实验中，测量头与被测量物体的连接一般都采用胶粘，布置相当麻烦。同时胶的热阻也会进一步降低了温度测量精度。

许多研究者都注意到这一测量问题，为减少上述所提到温度测量误差，他们在实验中采用直接越来越小的热电偶，有的在实验中所使用的热电偶的偶头直接只有２０ｕｍ。但这只能减少误差而不能去除这种误差，而且热电偶的偶头越小，其布置也越困难。因此非接触式温度测量方法在徽尺度实验中拥有较大的优点．

非接触式温度测量方法一采用红外成像仪测量一没有任何测点和被测量物体相接触，不会破坏被测量物体的原有的温度分布．同时对于布置没有特殊的要求，比较简单方便。但是在使用红外成像仪测量温度时，尤其温度非常小的物体时。测量方法尤其重要．否则也会引起很大的测量误差。

２．红外成像仪的测量方法

红外成像仪是利用被测量物体表面所发出红外线的强度来感知被测物体温度大小的。红外成像仪所感知到被测量物体红外线的强弱除受到被测量物体的表面温度影响

外．还受到被测量物体的表面材质、表面状况、被测量物体的大小及镜头离被测量物体的距离等因素的影响。因此为了较为精确的使用红外测量微小物体的温度，上述的影响必须仔细考虑，否则会引起测量上的误差。

每一种型号的红外成像仪都有箕最小测量长度，当被测量物体长度小于相应型号红外成像仪所能测量到的最小长度时。测量时，就会发生测量失准，这时。测量的所得到的温度根本不可能反应出其真实的温度。例如本文中实验所使用的红外成像仪的型号为ＪＥＯＬ，ＪＴＧ．７３００型，其最小测量长度为０．２４ｒａｍ，在测量长度小于０．２４ｒａｍ物体时，必须加载红外专用放大镜头。

在使用红成像仪测量体积很小的物体时，红外镜头与被测量物体的距离选择很重要。距离太远，所得到的温度场图像太小，而且容易出现测量失准．距离太近，被测量物体的测量范围会很小。因此在测量前应该根据被测量物体大小，所使用的红外专用放大镜头等来推算出大致距离．井在实验中进一步调整。

被测量物体的表面材质及表面状况也是影响红外测量精度的一个重要的因素。被测量物体的表面材质和表面状况影响到其表面红外发射率．现在有专用设备来测量物体的发射率．但在日常运用中。却显得特别麻烦。为此我们通过多次实验，发现如果不考虑被测量物体的材质及表面发射率时，当镜头与被测量物体的距离不变时，被测量物体的真实温度和红外所测量到的温度存在以下关系式，即：

占＝＝＝＝

五一＾正一如五一屯

这里，Ｔｌ、ｎ、Ｔ３…为微管不同位置热电偶显示温度值．ｔｌ、ｔ２、ｔ３…为相应于Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…位置处红外成像仪显示温度值。

红外成像仪镜头对焦也很重要，尤其对于曲面。比如在测量圆管外表面温度时。由于其在各个方向的发射率不一样，所以镜头对准被测量物体哪个区域。红外成像仪只能精确测量那个区域的温度。所以在实验中测量时。红外成像仪的镜头不能移动，被测量物体在精度为０．０２ｍｍ的光炬座上移动。

除了上述因素外，环境如温度、光线强度等也会对测量有一定的影响，但在实验中，发现影响不是很明显。

３．实验结果及分析

本实验使用氮气瓶作为压力源，氮气作为工质。带压力的氮气经过氮气减压阀及精密减压阀后，达到实验所需要的压力．为了过滤氯气中的颗粒杂质。在气瓶与减压阀之问安装了三层过滤器。箕最小滤膜孔径为５埘．本实验对微钢管直接通电进行加热．所使用的电源能提供小电压大电流．连接好各管路后，开始通电源。待稳定后．即；进出口压力与温度不随时间变化。开始记录各种实验数据。

利用红外成像仪加红外专用大镜头拍摄微钢管表面的温度场。由于红外成像仪拍摄速度较慢，所以在拍摄时，实验必须要达到稳定状态。以下就是相同流量下，不同加热功率下。在离进口１０ｍｍ到２４ｍｍ这一段内径为３９９¨ｍ，外径为８００ｐｍ微钢管表面温度场的分布，及相同加热功率下．不同的流量的温度分布．详见圈ｌ：

∞９

１）加热功率为２４４Ｗ时。表面温度场分布２）加热功率为１，３６Ｗ时，表面温度场分布

３）加热功率为Ｏ．６５Ｗ时，表面温度蛹分布４）加热功率为Ｏ．３３Ｗ时．表面温度场分布

图１外径为０．８ｍｍ．内径为０．３９９铜管表面温度・当流量均为９０ｒａｌ／ｒａｉｎ，

姗热功率不同时的温度分布圈

图１采用红外成像仪并借助放大四倍的红外专用镜头所拍摄到的温度分布图。其中红外镜头离微钢管的距离为６１ｍｍ．管中心线对焦（可以在图中央看到一条白线．即为对焦点）。由于未考虑到管表面的材质及管表面的状况，故图中所示每一点的温度值需要修正。修正实验应该在正式实验前完成，图２是修正时所拍摄到的圈．图中Ｎ点为热电偶与微钢管的接触处。Ｎ点处的温度值由红外和热电偶来测量后。再代入公式Ｉ对图中每一点的温度值进行修正。

圈２温度●正实验圈

经过图像软件处理，可以获得图中任何一点的温度值及任何区域的平均温度值。见图３，图３是处理图ｌ中第二张图片，从图３中可以直接得出某一点的温度值及微管中菜一区域的平均温度值．对图ｌ进行图像处理后。由图２和公式ｌ进行修正所得到的沿

微管壁面轴向的温度分布如图４所示．由于可以精确得到沿管壁轴向的导热量；同时测

置出进出口流体的温度。便能更准确的测量出流体与壁面温度豹平均温差，从面更能测量准确的测量出管内部对流的努谢尔特数。

图３处理后温度场分布图（左边为区域的平均温度值，右边为每一点的温度值）

１∞

１２０

１１０

ｈ＇∞

赵

赠９０

８０

７０

∞

５０

柏

Ｘｍ

圈４沿微管的轴向温度分布

校正红外成像仪的热电偶精度为Ｏ．１℃，红外成像仪本身测量精度也为０．１℃，考虑到热电偶与微管的接触热阻，所以由于红外成像仪经校正测量的温度误差最大在士０．３℃，测量精度远高于一般接触式测量方法一热电偶或热电阻测量得到的温度值。４．讨论

由上述实验可知，通过非接触式测量方法—把红外成像仅测量温度运用到微尺度实验中，得到了有较好精度的管壁的连续的温度分布。由此可通过进一步的实验，得到徽管或微槽的局部努谢尔特数的精确测量结果。

参考文献：

【Ｉ】Ｊ．Ｐｆａｈｌｃｒ，Ｊ．Ｈａｒｌｅｙ，Ｈ．Ｂａｕ，Ｌｉｑｕｉｄｍｍｓｐｏｒｔ

Ａ２１－Ａ２３（１９９０），ＰＰ．４３１－４３４

ｉｎｍｉｃｒｏａｎｄｓｕｂｍｉｃｒｏｎｃｈａｎｎｅｌｓ，ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，

６４１