非接觸式測溫原理

1、,,6.4 非接觸式測溫,上一頁,下一頁,返 回,高溫測量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。 任何物體處于絕對零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。 測量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射

2、能，不必達(dá)到被測物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。 非接觸測溫儀表分類：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì),,,,,,,6.4 非接觸式測溫,6.4.1 熱輻射基本定理6.4.2 光學(xué)高溫計(jì)6.4.3 光電高溫計(jì)6.4.4 輻射溫度計(jì)6.4.5 比色溫度計(jì),上一頁,下一頁,返 回,,,6.4.1 熱輻射基本定理,輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一波長范圍：10-3m～10-8m在低溫時(shí)，物體輻射能量

3、很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動(dòng)，在5000C左右時(shí)。輻射光譜包括了部分可見光；到8000C時(shí)可見光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。輻射測溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度，這就是,上一頁,下一頁,返 回,,,,,,熱輻射基本定理,(1) 熱輻射的重要參數(shù)(2) 輻射能的分配(3)

4、 基爾霍夫定律 (4) 黑體輻射定律,上一頁,下一頁,返 回,,,(1)熱輻射的重要參數(shù),①輻射能Q 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，單位為焦耳(J)。②輻射能通量 是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱輻射率： (6.4.1)其單位是瓦特(W)。 ③輻射強(qiáng)度I 在給定方向上的

5、立體角單元內(nèi)，離開點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,,(1)熱輻射的重要參數(shù),④輻射出射度M 離開輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點(diǎn)的輻射出射度，即 (6.4.2)輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。⑤輻射亮度L和光譜輻射亮度 表面一點(diǎn)處的

6、面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實(shí)際上包括所有波長的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長的輻射能量則稱為在此波長下的光譜輻射亮度。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,(2)輻射能的分配,當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射,α―吸收率；τ ―透射率；ρ ―反射率。,上一頁,下一頁,返 回,,,,物體分類：,黑

7、體（絕對黑體）：照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無反射也無透射。 透明體：照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。鏡體、白體：照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體”或者簡稱為“白體”。,上一頁,下一頁,返 回,,,,在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的τ值很小或等于零，而氣體

8、的τ值較大。對于一般工程材料來講， τ＝0而α+ρ =1，稱為灰體 從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體,上一頁,下一頁,返 回,,,,,(3)基爾霍夫定律,各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長的函數(shù),式中：M0(λ,T), M1(λ,T), M2(λ,T) ―物體的單色(λ)輻射出射度； α0(λ,T), α2(λ,T) , α2(λ,T) ―物體的單色(λ)吸收

9、率。,上一頁,下一頁,返 回,,若物體A0絕對黑體，那么α0(λ,T) ，根據(jù)基氏定律,物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對黑體在同樣的溫度下，相同波長時(shí)的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說法。,設(shè)M(λ,T)為物體A在波長為λ ，溫度為T下的輻射出射度。,式中，ε稱為物體A的單色輻射率，或稱為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長下黑體的輻射出射度之比。 基爾霍夫定律說明，物體的

10、輻射能力與它的吸收能力是相同的,上一頁,下一頁,返 回,,在全波長內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長的輻射出射度在全波長內(nèi)的積分,式中，A(T) －物體A在溫度T下的全吸收率， M0(T) －黑體在溫度T下的全輻射出射度。,基氏定律的積分形式為,它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的εT<1， εT越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。,上一頁

11、,下一頁,返 回,,,(4)黑體輻射定律,① 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)② 維恩公式③ 斯蒂芬－波爾茲曼定律 （全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）,上一頁,下一頁,返 回,,,①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律),溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為的輻射出射度為,式中，c―光速； h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；

12、 k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K； C1―第一輻射常數(shù)，＝3.7418×10-16W·m2； C2―第二輻射常數(shù)，＝1.4388×10-12m·K； T―絕對溫度。,公式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它對于低溫與高溫都是適用的,上一頁,下一頁,返 回,,,,②維恩公式,理論上說明了黑體在各種溫度下能量波長分布的規(guī)律,公式簡單，但是僅

13、適用于不超過3000K的溫度范圍,黑體的輻射本領(lǐng)是波長和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即,上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測溫的理論根據(jù),上一頁,下一頁,返 回,,,,③斯蒂芬－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，四次方定律）,溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。,式中，σ―斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，5.66961×10-3W/(m2

14、83;K4)。,上式就是輻射式溫度計(jì)測溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長內(nèi)積分的結(jié)果。,上一頁,下一頁,返 回,,,,6.4.2 光學(xué)高溫計(jì),精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測試；標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測定中使用。光學(xué)高溫計(jì)可用來測量800～32000C的高溫。由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。光學(xué)高溫計(jì)測量的溫度稱為亮度溫度

15、(TL)，被測對象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,,工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類,隱絲式利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏鳎?dāng)燈絲的亮度與被測物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。恒定亮度式利用減光楔來改變被測物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都

16、優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,隱絲式光學(xué)高溫計(jì),光學(xué)系統(tǒng)紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測系統(tǒng) 包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測量電路 原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。,上一頁,下一頁,返 回,,,WGG2-20

17、1型光學(xué)高溫計(jì),1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻,上一頁,下一頁,返 回,,,亮度溫度,為了校正光學(xué)高溫計(jì)測量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。定義：當(dāng)被測物體為非黑體，在同一波長下的光譜輻射亮度同絕對黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱為被測物體在波長為時(shí)的亮度溫度。,左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度,上一

18、頁,下一頁,返 回,,,根據(jù)維恩公式有,對上式兩邊取對數(shù)，并加以整理，得,式中，ελT―被測物體在溫度為，波長為時(shí)的單色黑度系數(shù)； T―被測物體的真實(shí)溫度； TL―被測物體的亮度溫度。,已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過亮度溫度求出物體的真實(shí)溫度。,上一頁,下一頁,返 回,,,6.4.3 光電高溫計(jì),光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來完成亮度平衡工作的，其測量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連

19、續(xù)測量和記錄，當(dāng)被測溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對亮度無法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測量的目的。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,主要特點(diǎn)：,①采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來代替人眼的觀察；②采用一參考輻射源與被測物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長范圍內(nèi)的亮度

20、自動(dòng)跟蹤被測物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測量值；③在平衡式測量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對測量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測量的特性；④設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度；⑤采用新型光敏元件，測量范圍寬，約為200～16000C。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,,WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理,1－物鏡；2－同步信號(hào)發(fā)生器；3

21、－調(diào)制鏡；4－微電機(jī)；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測元件,上一頁,下一頁,返 回,,,(1)瞄準(zhǔn)光路,由物鏡對0.5m～處被測物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過目鏡組可清晰地觀察到被測物體的瞄準(zhǔn)部位,1－調(diào)制鏡；2－微電機(jī)；3－反光鏡；4－可變光闌；5－聚光鏡組； 6－參比燈；7-目鏡組8、9-保護(hù)窗；10－物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13－探測元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17－透鏡玻

22、璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃,上一頁,下一頁,返 回,,(2)檢測光路物鏡將被測物體的輻射能量會(huì)聚，經(jīng)過衰減玻璃及與物鏡光軸成450角的調(diào)制鏡的反射，進(jìn)入視場光闌孔中，由探測元件接收。(3)參比光路參比燈輻射的能量經(jīng)聚光燈組會(huì)聚后，通過可變光闌，由反射鏡反射 ，再穿過調(diào)制鏡葉片的空間，進(jìn)入視場光闌孔中，經(jīng)濾波片也由探測元件接收。隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制鏡，對兩路輻射通量作切換調(diào)制，使其交替被探測元件接收。 在參比

23、光路中的可變光闌用作黑度系數(shù)的手動(dòng)修正。,上一頁,下一頁,返 回,,,儀器的工作光譜范圍由光學(xué)系統(tǒng)和探測元件決定。量程范圍在400～8000C及以下各量程，采用硫化鉛光敏電阻作探測元件，并配合鍺濾光片。光譜范圍短限由鍺濾光片確定，長限由光學(xué)玻璃材質(zhì)的物鏡確定，約在1.8～2.7。峰值由探測元件確定，約為2.5。量程范圍600～10000C及以上各量程，采用硅光電池作探測元件，并配合HB850有色玻璃濾光片。光譜范圍的短限

24、也由濾光片確定，長限和峰值由探測元件確定。光譜范圍約在0.8～1.1，峰值約為0.95，均在紅外線波長范圍內(nèi)。儀器的量程范圍用光學(xué)衰減的方式改變。各種量程都保持參比燈工作電流在某一固定范圍內(nèi)變化，即在量程上限時(shí)工作電流不超過250mA。 對于低溫量程，將參比燈的輻射能量衰減； 對于高溫量程，則將被測輻射能量進(jìn)行衰減。探測元件為硫化鉛光敏電阻時(shí)，衰減玻璃選用GRB1隔熱玻璃。探測元件為硅光電池時(shí)，采用LB6綠色玻璃。,

25、上一頁,下一頁,返 回,,,,,6.4.4 輻射溫度計(jì),根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測量的。組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分可用于測量400～20000C的高溫，多為現(xiàn)場安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測量的溫度稱為輻射溫度，被測對象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,熱電堆

26、結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌,(a):1－云母基片；2－受熱靶面；3－熱電耦絲；4－引出線(b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片,上一頁,下一頁,返 回,WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu),1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒軸,上一頁,下一頁,返 回,,,輻射溫度,對于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對黑體的輻射能為基準(zhǔn)對儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測出的值稱為輻射溫

27、度。輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：,因?yàn)榉呛隗wεT <1，則TF<T因此用輻射溫度計(jì)測出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。,上一頁,下一頁,返 回,,,,,6.4.5 比色溫度計(jì),原理：通過測量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度。特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。因?yàn)閷?shí)

28、際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對同一物體的不同波長的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計(jì)測得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實(shí)溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正。,上一頁,下一頁,返 回,,,比色溫度計(jì)原理結(jié)構(gòu),上一頁,下一頁,返 回,,,比色溫度,定義：黑體輻射的兩個(gè)波長λ1和λ2的光譜輻射亮度之比等于非黑體的相應(yīng)的光譜輻射亮度之比時(shí)，則黑體的溫度即為這個(gè)非黑體的比色溫度TS。