辐射式温度计

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1、第四节 辐射式温度计第四节 辐射式温度计任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的 形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒 子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有 关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测 物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪 表，通称为辐射式温度计。热辐射的最大热效应出现在红外波段。红外线，它是 一种人眼看不见的光线，位于可见光中红光以外，故称 为红外线。它的波长范围大致在0.751000 m的频谱 范围之内。第四节 辐射式温度计一、辐射测温的基本原理可见光的光谱很窄，其波长仅为0.30.72m；红外光谱分布相对较广，其波长范围为O.

2、72l000m。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.340m。1.红外线分区红外线波长0.751000m。根据红外线与可见光的距离，红外线分为：近红外区（ 13m）、中红外区（36m ）、远红外区（615m ） 、极远红外区（151000m ） 。自然界中所有物体对辐射都有吸收、透射或反射的能力， 如果某一物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何 辐射能量，则称此物体为绝对黑体。 根据基尔霍夫定律，具有最大吸收本领的物体，在其受热 后，也将具有最大的辐射本领。人们称那些对辐射能的吸收(或 辐射)除与温度有关外，还与波长有关的物体为选择吸收体；称 那些吸收(或辐射)本领与波长无关的

3、物体为灰体。绝对黑体的吸收系数L01，反射系数00，理想的绝对 黑体在自然界中是不存在的，人们为科学研究和实验所需已能设 计出吸收系数为0.99土0.01的近似黑体。绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部 辐射能；同时它在任何一个温度上，它向外辐射的辐射出射度( 简称辐出度)亦最大；其它物体的辐出度总小于绝对黑体，定义 全辐射率(或称黑度系数) ，其值在01之间。第四节 辐射式温度计2. 测测温基本原理辐辐射测测温的物理基础础是普朗克(Ptanck)热热 辐辐射定律和斯蒂芬玻耳兹兹曼(StefanBoltzmann)定律。绝对绝对 黑体的光谱辐谱辐 射亮度 L(，T)与其波长长、热

4、热力学温度T的关系由普朗 克定律确定：(3-16)第四节 辐射式温度计如果波长与温度T满足C2(T)1，则可把 普朗克公式简化为维恩(Wien)公式。在温度低于 3000K，对于波长较短的可见光，用维恩公式替 代普朗克公式产生的误差1。第四节 辐射式温度计斯蒂芬玻尔兹曼定律描述物体所辐射出来的 全波段辐射能量与温度的关系，定律表达式为式中 W物体单位面积所发射的辐射功率，数 值上等于物体的全波辐射出射度； 物体表面的法向比辐射率； 斯蒂芬玻尔兹曼常数；T 物体的绝对温度(K)。第四节 辐射式温度计黑体的光谱辐射曲线 第四节 辐射式温度计实验和理论分析表明，黑体的总辐射能力与 温度的关系如下式所

5、示：(3-17) 即在单位时间内，由绝对黑体单位面积上辐 射出的总能量与绝对温度T的四次方成正比。 式(3-17)被称作斯蒂芬一玻耳兹曼定律。第四节 辐射式温度计辐射检测器分光电型和热敏型。3.辐射式测温的特点(1)辐射式测温是非接触测温，特别适合用于较远距离的高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；(2)辐射式测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可测定温度，反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；(3)辐射式测温灵敏度高，由于物体的辐射能量与温度的四次方成正比，因此物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；(4)辐射

6、式测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实，其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；第四节 辐射式温度计(5)辐射式测温范围广泛，可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围；(6)辐射式测温方法，几乎可在所有温度测量场合使用。测例如，各种工业窑炉、热处理炉温度测量、感应加热过程中的温度测量，尤其是钢铁工业中的高速线材、无缝钢管轧制，有色金属连铸、热轧等过程的温度测量等；军事方面的应用如各种运载工具发动机内部温度测量、导弹红外（测温）制导、夜视仪等；在一般社会生活方面如快速非接触人体温度测量，防火监测等等。工程上，测定物体的辐射亮度，相对容易。故目前国

7、内外 使用的辐射式温度计都是根据被测物体的光谱辐射亮度来确定 物体的温度。我国目前生产的光谱辐射温度计有光学高温计、 光电高温计、全辐射高温计、光导纤维高温计和硅辐射温度计 等。 二、光学高温计光学高温计是发展最早、 应用最广的非接触式温度计。 它结构较简单，使用方便，适 用于1000 K3500 K范围的温 度测量，其精度通常为1.0级和 l.5级，可满足一般工业测量的 精度要求。它被广泛用于高温 熔体、高温窑炉的温度测量。 上海自动化仪表厂 WGG2201系列辐射检测器分光电型和热敏型。由于各物体的光谱发射率不同，即使它们 的光谱辐射亮度相同，其实际温度也不会相等； 光谱发射率大的物体的温

8、度比光谱发射率小的物 体的温度为低。因此物体的光谱发射率和光谱辐 射亮度是确定物体温度的两个决定因素，如果同 时考虑这两个因素将给光学高温计的温度刻划带 来很大困难。因此，现在光学高温计均是统一按 绝对黑体刻度。第四节 辐射式温度计所以，用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数 值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对 黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。 亮度温度的定义是：在波长为 、温度为T时。某物体的 辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0 相等，则称TL为 这个物体在波长为时的亮度温度。其数学表达式为式中，(，T)实际物体在温度为T、波长为时的光 谱发射率；T实际物体的

9、真实温度，单位为K;TL黑体温度，也即实际物体的亮度温度，单 位为K。第四节 辐射式温度计物体的真实温度为 对于真实物体总是1，故测得的亮度温度总比 物体的实际温度为低，即TLT。目前，国内工业用光学高温计都采用红色单色光 ，有效波长为0.66土0.01m；与我国温度量值传递系 统规定的基准光学高温计的有效波长一致。基准光学 高温计是国际温标(ITS一90)规定温度在银点以上的标 准仪器。光学高温计通常采用0.66土0.01m的单一波长， 将物体的光谱辐射亮度L 和标准光源的光谱辐射亮度 进行比较，确定待测物体的温度。光学高温计有三种 形式：灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温 计和光电亮

10、度式光学高温计。灯丝隐灭式光学高温计是由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。此种隐丝式光学高温计又称目视光学高温计或简称光学高温计，国产WGGZ型光学高温计就是此类高温计。1.物镜；2.灰色吸收玻璃； 3.灯泡；4.目镜； 5.红色滤光片； 6.显示表头WGG2型光学高温计原理图物镜1和目镜4可前后移动，调节物镜使物体的像落在灯泡3 内的灯丝平面上，调节目镜4，使灯丝和物体的像能清晰地看到 ，然后边比较两者的亮度，边慢慢调节滑动电位器的触点位置， 改变流过灯丝的电流，使灯泡灯丝的亮度作相应的改变。当被测 物

11、体的亮度大于灯丝亮度时，灯丝在背景(对应于被测物体亮度) 上呈现暗丝(背景比灯丝亮)；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度 时,则灯丝在背景中呈亮丝(背景比灯丝暗)；逐渐调节滑动电位器 ，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，此时，灯丝便隐灭在背景中 ；表头6这时指示出(由滑动电位器位置所决定)被测物体的亮度温 度。得到了被测物体的亮度温度，再根据该物体的光谱发射率， 便可获得该物体的真实温度。图中的2是灰色吸收玻璃，其作用是扩大光学高温计的量程 。灯丝在其亮度温度超过1400时，将由于灯丝易过热发生氧化 进而使灯丝的电阻发生改变，致使电流与亮度温度关系偏置原标 定值；同时1400以上的高温，使灯泡的金属丝

12、要升华，将在玻 璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，改变原亮度特性而带来测量误差。 因此，当测量高于1400的亮度温度时，在物镜与灯炮之间安装 吸收率为常量的灰色吸收玻璃，以减弱被测热源的辐射亮度。测 量时，用已经减弱了的热源亮度和灯丝亮度进行比较，这就可以 使原最高亮度温度为1400的钨丝灯，能测量更高的温度。光学高温计通常有两个刻度，一个是不加灰色吸收玻璃的刻 度，其范围为8001400；另一个是加灰色吸收玻璃的刻度 。为能测量更高的温度，有的光学高温计在物镜前再加一块吸收 玻璃，以进一步减弱被测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测 量亮度温度高达3200物体的温度。无论采用何种形式，光学高 温计钨丝

13、本身最高温度均不可超过1400。图6-15中的5是红色滤光片，它的作用是滤除人眼不敏感的 光谱段，仅让中心光谱波长为0.66 m的窄波段通过。此工作 光谱段愈窄效果愈好。对于工业用光学高温计。光谱范围在O.62 O.7m范围所造成的误差可忽略不计。 2.光电高温计光学高温计虽然有结构相对较简单，灵敏度高，测量范围广 ，使用方便等优点；但是光学高温计在测量物体的温度时，由于 要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的“隐灭”，故观察 误差较大，也无法实现自动检测和记录。由于科技不断发展进步 ，依据光学高温计原理制造出来的光电高温计正在迅速替代光学 高温计而广泛用于工业高温测量中。光电高温计克服了光

14、学高温计的主要缺点 ，它采用硅光电池作为 仪表的光敏元件，代替 人眼睛感受被测物体辐 射亮度的变化，并将此 亮度信号按比例转换成 电信号，经滤波放大后 送检测系统进行后续转 换处理，最后显示出被 测物体的亮度温度。 国产WDL型光电高温计工作原理图 1物镜；2光阑，3、5孔，4光电器件；6 遮光板；7调制器；8永久磁钢；9激磁绕组 ，10透镜， 11反射镜，12观察孔，13前 置放大器；14主放大器；15反馈灯；16电位 差计；17被测物体 第四节 辐射式温度计三、光电高温计测量时，从被测物体17的表面发生的辐射能由物镜1聚焦后 。经孔径光阑2和遮光板6上的孔3，透过装于板6内的红色滤光片 ，

15、射到硅光电池4上，反馈灯15发出的辐射能通过遮光板上的孔5 和红色滤光片也照射到硅光电池4上。在遮光板6的前面装有每秒 钟振动50次的光调制器7，它交替地打开和遮住孔3和孔5，使被 测物体的辐射能和反馈灯的辐射能交替地照射到硅光电池4上。 当两个能量不相等时，硅光电池将产生一个与两个辐射亮度差成 正比的脉冲光电流，经前置放大器13放大后，再送由倒相器、差 动相敏放大器和功率放大器组成的主放大器14作进一步放大后， 输出驱动反馈灯15；反馈灯15的辐射能随着驱动电流的改变而相 应变化。以上过程一直持续到被测物体和反射灯照射到硅光电池 上的辐射能相等为止。这时硅光电池4的脉冲光电流接近于零， 而流

16、经反馈灯电流数值的大小就代表了被测物体的亮度温度。此 电流值转换成电压后由电位差计16自动指示和记录被测物体的亮 度温度。图6-16中的透镜l0、反射镜11和观察孔12组成了一个人 工观察瞄准系统，其作用是使光电高温计得以对准被测物体。光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：(1)灵敏度高 光学高温计的灵敏度最佳值为0.5，而光电高 温计却能达到0.005，较光学高温计提高两个数量级；(2)精确度高 采用干涉滤光片或单色仪后，使仪器的单色性能 更好，因此，延伸点的不确定度明显降低，在2000K为 0.25，至少比光学高温计提高一个数量级；(3)使用波长范围不受限制 使用波长范围不受人眼睛光谱敏感度的限制，可见光与红外光范围均可应用，其测温下限可 向低温扩展；(4)光电探测器的响应时间短 光电倍增管可在l0-6s内响应，响应时间很短；(