热工测量仪表知识课件

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1、热工测量仪表,非接触测温方法和仪表,高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。,全辐射（黑体）的辐射出射度与其温度有单值函数关系，因此测量全辐射体的辐射出射度就可知道其温度。 感受件不需与被测介质相接触非接触式测温辐射式高温计。,优 点,1）仪表不会破坏被测介质的温度场。 2）测温上限不会受到感受件材料熔点的限制 3）感受件不必和被测介质达到热平衡，所以仪表的滞后小，辐射温度计的输出信号大，灵敏度高，准确度高，因此1990年国际温标（ITS-90）规定，从961.78摄氏度以上采用单色辐射高温计（光电高温计）作为标准仪器。 辐射式高温计通常

2、用来测量高于700摄氏度（用红外技术测温时，下限可达100摄氏度或更低）的温度。,固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。,原 理,例子：低温火炉辐射能集中在红光。 高温物体辐射能集中在绿、蓝色。,炉火纯青,1、热辐射,热辐射体中原子和分子不发生运动状态变化；,热辐射能量来自物体的热运动；,在任何温度下（不是绝对零度）辐射连续光谱。,发射本领和吸收本领 发射本领（单色辐射出射度）： 是用来描述辐射物体发射能量的能力的物理量。,一、热辐射及相关定律,(2)辐射出射度(简称辐出度)MO(T):

3、,温度为T的热辐射体,单位时间单位面积, 向2立体角辐射出的所有波长的能量.,(3)吸收本领 A(,T):,入射到物体上的辐射通量 , 一部分被物体散射或反射(对透明物体,还会有一部分透射), 其余的为物体所吸收.,吸收本领定义为:,吸收,入射,(4)基尔霍夫定律:,物体的单色辐出度和吸收本领的比值与物体性质无关。对于所有物体，这个比值是波长和温度的函数，可表示为:,是与物体性质无关的普适函数.,上式是基尔霍夫定律的数学表达式。,2. 黑体辐射 黑体辐射定律,能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射的物体称绝对黑体，简称黑体.参见下图！,(1) 黑体,由基尔霍夫定律，对黑体也应有:,能全部吸收各

4、种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体。简称黑体,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。因为黑体的单色幅出度仅与波长和温度有关，与材料表面情况无关。它反映了辐射本身的规律。,黑体模型,因为有:,黑体辐射的单色辐出度与物体 热辐射普适函数有相同的形式。,人们研究热辐射，需要找出这个普适函数的数学形式。研究黑体辐射，就是寻找普适函数的一个有效途径。,T,热电偶,平行光管,绝对黑体,三棱镜,黑体的经典辐射定律,测定黑体辐出度按波长分布实验的实验装置图,1700K,1500K,1

5、300K,1100K,0 1 2 3 4 5,绝对黑体的辐出度按波长分布曲线,实验曲线,（1）斯忒藩（Stefan)玻尔兹曼定律,斯忒藩常数,维恩位移定律:,维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时， 单色辐出度最大值向短波方向移动。,（2）维恩（Wien)位移定律,1、维恩经验公式:,问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式 ？,这个公式与实验曲线短波长处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。,2、瑞利-金斯经验公式:,这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近， 但在短波区，按此公式， 将随波长趋向 于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”。,维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理

6、学 的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不 符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实 验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。 为了解决上述困难，普朗克提出了一个著名的能量子假设。,普朗克的量子假说 普朗克公式,普朗克在能量子假说的基础上，利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来， 提出并确立了一个新的公式：,普朗克常数 ！,这一公式称为普朗克公式。它与实验结果符合得好 ！ 参见上图。,普朗克公式还可以用频率表示为：,普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现：必须

7、使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。,能量子假说： 1.辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。 2.这些谐振子的能量不能连续变化（象经典物理学所允许的可具有任意值）。只能取一些分立值，这些分立值是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：1, 2, 3, . n。n为正整数,称为量子数。,频率为的谐振子最小能量为：,能量,量子,经典,振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式。,能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要

8、规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918年诺贝尔物理学奖。,普朗克公式从理论上说，不论温度高低都是适用的，但计算是很不方便。在温度低于3000k，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克公式，误差不超过1%。维恩公式如下： 式中所有符号与普朗克定律中的一样，维恩公式的计算较为方便，但在3000k以上就不大准确了，所以它只应用在3000k以下，并作为光学高温计的理论根据。,3、真实物体的辐射,黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。 理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于1。,抛光的铜镜表面：,一般金属

9、表面：,煤烟：,灰体：吸收(或辐射)本领与波长无关,选择吸收体：对辐射能的吸收(或辐射)除与温度有关外，还与波长有关,发射率,把灰体的辐射出射度和同一温度下全辐射体的辐射度相比 较，就得到物体的另一个特征参数，叫做“发射率” 。 发射率是一个小于1的常数。根据热力学中的基尔霍夫定 律，在热平衡状态下，灰体的吸收比和发射率是相等的。,光谱发射率 和发射率 都不是常数，其值在0与1之间。 与温度、该物体的性质和表面情况有关； 则按基尔霍夫定律还与 有关， 和 都要用实验方法确定 。,二、单色辐射高温计,由普朗克定律或维恩公式可知，物体在某一波长下的光谱辐射出射度与温度有单值函数关系，而且光谱辐射出

10、射度随温度增长的速度非常快。根据这一原理制作的高温计称单色辐射高温计。我国生产的单色辐射高温计有光学高温计和光电高温计两种，下面分别介绍之。 A、光学高温计 物体在高温状态下会发光，也就是说它具有一定的亮度。物体的光谱辐射亮度 和它的光谱辐射出射度 是成正比的，即 式中 c比例常数（ ）。,由于 与温度有关，所以受热物体的亮度大小也反映了物体温度的高低。但因为各种物体的光谱发射率 是不相同的，因此即使它们的亮度相同，它们的温度也是不相同的。这就使得按某一物体的温度刻度的光学高温计不可以用来测量光谱发射率不同的另一物体的温度。 为了解决这一问题，仪表按全辐射体温度刻度。当测量实际物体的温度时，所

11、测量出的结果，不是物体的真实温度，而是相当全辐射体的温度，即所谓被测物体的亮度温度，然后通过修正求得被测物体的真实温度。,亮度温度的定义是：当物体在辐射波长为 ，温度为T时，其光谱辐射亮度 和全辐射体在辐射波长为 ，温度为 时的光谱辐射亮度 相等，则把 称为这个物体在波长为 时的亮度温度。将维恩公式代入（710），得到物体和全辐射体的亮度公式，分别为：,假如两者的亮度相等，就得到,式中,光谱（单色）辐射的波长，对于红光,=0.66,亮度温度,在已知物体的辐射发射率 和高温计测得的亮度温度 之后，就可用式（713）求出物体的真实温度T。由上式看出 越小，亮度温度与真实温度间的差别越大。因 ，因此

12、测得的亮度温度总是低于真实温度的。 光学高温计的结构示意如图73所示。物镜1和物镜2都可以沿轴向移动，调节目镜的位置，使从目镜看去可以清晰地看到灯丝4。调节物镜1的位置，使在灯丝平面上清晰地看到被测物体的像，目镜2前放着红色滤光片3。灯丝4和变阻器6与电源及毫安计8相串联。调节变阻器6可以调整流过灯丝的电流，也就调整了灯丝的亮度。一定的电流对应灯丝的一定亮度，因而也就对应一定的温度。,灯丝隐灭式光学高温计,原理：保持灯丝的电流不变、发出的亮度恒定，而采用一片颜色由浅逐渐变深的环形吸收玻璃作为减光楔，放置于物镜后面，转动减光楔即可改变吸收光能的数量，平衡时被测对象与灯泡发出的亮度一致，此时由减光

13、楔的转角指示出被测对象的温度。这也是一种常用的光学高温计。,B、恒亮式光学高温计,使用光学高温计时应注意下述事项,（1）非全辐射体的影响：被测物体往往是非全辐射体。而且物体的光谱发射率 不是常数，它和波长 、物体的表面情况及温度的高低有关系。物体光谱发射率的变化有时是很大的。这给测量带来很不利的影响。为了消除 变化的影响，可以认为地创造全辐射体辐射的条件，譬如测量炉膛温度，可以插入一根细长而有底的陶瓷管，在充分受热以后，从管口看进去的管子的底部就可以近似地把它认为是全辐射体了，为得到足够的光谱发射率，管子的长度与管子的内径之比不得小于10。,使用光学高温计时应注意下述事项,（2）中间介质的影响

14、：光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾和二氧化碳等气体对辐射会有吸收作用，因而造成测量误差。在实际测量时很难做到没有灰尘，因此关学高温计不要距离物体太远，一般应在12米之内比较合适。 光学高温计不宜测量反射光很强的物体，否则要产生测量误差。 光学高温计在实际使用中由于受上述诸因素的影响，测量的准确度要比热电偶、热电阻低，并且不能测物体内部温度,三、光电高温计,光学高温计测量时要手动平衡亮度，要用人眼来判断平衡状态，这种平衡状态还会因人而异，所以光学高温计不是连续测温仪表，应用到工业生产中就要受到一定的限制。 光电高温计可以自动平衡亮度，它是在光学高温计的基础上发展起来的自动连续测温仪表。光电高

15、温计用光电器件作为仪表的感受件，代替人的眼睛来感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号，此信号经电子放大后被测量，其大小相应于被测物体的温度。由于电子技术的进步的进步，光电高温计可以做得很准确，因此ITS90国际温标中规定961.78摄氏度以上温度采用它作为标准仪器。,光电高温计能自动测量温度，使用方便，还可以避免操作者的主观误差，光电高温计的读数可自动记录和远距离传送，有利于参数集中检测，另外光电高温计中的光电器件可接受可见光，也可接受红外光，这使高温计的测量范围不受人眼光谱敏感度的限制，可向低温方面扩展。上述几点是光电高温计比光学高温计优越的方面。 光电高温计在使用中应注意的事项

16、和光学高温计一样，此外反馈灯及光电器件等元件特性的分散性大，元件的互换性很差，在更换反馈灯或光电器件时必须对整个仪表重新进行调整和分度，这是使用光电高温计需要特别注意的一个问题。,四、辐射温度计,辐射温度计过去也称为全辐射温度计或全辐射高温计，其实任何光学系统都不可能完全透过或反射全部波长的辐射能，因此，还是称其为辐射温度计比较确切。 辐射温度计是根据全辐射定律制作的温度计。由式（75）看出，当知道全辐射体的辐射出射度 后，就可以知道温度T。现在生产的辐射温度计的示意见图78。,物体的辐射线由物镜聚焦后经光阑是焦点落在镍箔热电堆上。热电堆是由四支镍铬康铜热电偶串联而成，四支热电偶的热端被夹在十字型的镍箔内，镍箔表面涂铂黑以增家其吸收热辐射能