大连大学建筑环境测试技术6

1、大连大学建筑工程学院2022-5-211建筑环境测试技术建筑环境测试技术大连大学建筑工程学院2大连大学建筑工程学院3大连大学建筑工程学院4大连大学建筑工程学院5大连大学建筑工程学院6第五次课复习第五次课复习7接触电势接触电势温差电势温差电势 通常称为通常称为热电势热电势： ),(0TTEAB3.3 3.3 热电偶测温热电偶测温u温度传感器：将温度传感器：将温度信号温度信号电势（电势（mVmV）信号。信号。 若材料若材料A A和和B B已定，则已定，则 只只是温度的单值函数。是温度的单值函数。)()(),(00TfTfTTEABu一、测温原理一、测温原理),(0TTEAB8CTfTTEAB )(

2、),(0 如果冷端温度如果冷端温度T T0 0保持恒定，这保持恒定，这个热电势就是热端温度个热电势就是热端温度T T （被测（被测温度）的单值函数温度）的单值函数，即：即：u工程上所使用的各种类型热电偶均把工程上所使用的各种类型热电偶均把E(t)和和t的关系制的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度热电偶的分度表表。（。（见见335页附表页附表1）9)0()(),(0fTfTTEAB u热电偶分度表是在热电偶分度表是在冷端温度为零冷端温度为零情况下得出的。情况下得出的。),(0TTEABCT 00置于零度置于零度单值关系单值关系10（一）均质导体

3、定则（一）均质导体定则 （二）（二）中间导体定则中间导体定则 u二、热电偶的应用定则二、热电偶的应用定则热热端端测量显示表测量显示表冷冷端端（三）中间温度定则（三）中间温度定则 应用：接入测量显示仪表。应用：接入测量显示仪表。mV)0 ,(),()0 ,(NABNABABTETTETE 应用：应用：1.1.利用热电偶的分度表（在冷端保持为利用热电偶的分度表（在冷端保持为00条件下得条件下得出的），可以出的），可以求得冷端在任意实际温度下（例如冷端在室求得冷端在任意实际温度下（例如冷端在室温温T T0 0时），被测温度的实际值时），被测温度的实际值。 2.2.用补偿导线延长热电偶到温度稳定的地方

4、用补偿导线延长热电偶到温度稳定的地方。A BNT11铂铑铂铑1010铂热电偶铂热电偶; ;分度号分度号S S v正极是铂铑合金，其成分为铂正极是铂铑合金，其成分为铂90%90%与铑与铑10%10%v负极由纯铂制成。负极由纯铂制成。 镍铬镍铬镍硅热电偶镍硅热电偶 分度号分度号K Kv正极为镍铬，负极为镍硅。正极为镍铬，负极为镍硅。铜康铜热电偶铜康铜热电偶 分度号分度号T Tv正极为铜，负极为康铜。正极为铜，负极为康铜。铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶热电偶 分度号分度号B B三、常用标准化热电偶三、常用标准化热电偶(P75(P75表表3.3.1)3.3.1)￥2450！1213铠装式热电偶铠

5、装式热电偶1-1-金属套管；金属套管；2-2-绝缘材料；绝缘材料；3-3-热电极热电极 铠装式热电偶断面铠装式热电偶断面结构图结构图 14薄膜式热电偶薄膜式热电偶薄膜式热电偶示意图薄膜式热电偶示意图 1-1-热电极热电极 2-2-热接点热接点3-3-绝缘基板绝缘基板4-4-引出线引出线v薄膜状热电偶，其热端接点既小且薄，薄膜状热电偶，其热端接点既小且薄，约为约为0.010.010.10.1m m。v适于适于壁面温度壁面温度快速测量，响应快，时快速测量，响应快，时间常数可达微秒级，因而可测瞬变的间常数可达微秒级，因而可测瞬变的表面温度。测温范围一般在表面温度。测温范围一般在300300以下。以下

6、。15四、热电偶测温系统四、热电偶测温系统( (一）热电偶参考端（冷端）的处理一）热电偶参考端（冷端）的处理 已知：已知： )()(),(00TfTfTTEAB 只有当冷端温度恒定的情况下，热电偶的热电势是被只有当冷端温度恒定的情况下，热电偶的热电势是被测热端温度的单值函数。测热端温度的单值函数。理论修正法理论修正法补偿导线法补偿导线法冷端补偿器法冷端补偿器法机械零位法机械零位法冰浴法冰浴法 保持冷端温度恒定方法有以下几种：保持冷端温度恒定方法有以下几种：161.1.补偿导线法补偿导线法 采用一种特殊的导线采用一种特殊的导线（称为补偿导线）代替部（称为补偿导线）代替部分热电偶丝作为热电偶的分热

7、电偶丝作为热电偶的延长。延长。 补偿导线补偿导线（中间温度定则的应用）（中间温度定则的应用） 图图3.3.8 3.3.8 补偿导线只能与相应型号的补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用热电偶匹配使用；连接；连接时时切勿将补偿导线极性接反；切勿将补偿导线极性接反；172.2.计算修正法（中间温度定则应用）！计算修正法（中间温度定则应用）！ 热电偶的分度（分度表）是在冷端保持为热电偶的分度（分度表）是在冷端保持为00条件下条件下进行的。在实际使用条件下，若冷端温度不能保持为进行的。在实际使用条件下，若冷端温度不能保持为00，则所测得的热电势为相对于则所测得的热电势为相对于t t0 0温度下的热电势

8、，即温度下的热电势，即E EABAB(t,t(t,t0 0) )。 )0 ,(),()0 ,(NABNABABTETTETE 测量显示表的刻度是按分度表刻度的！测量显示表的刻度是按分度表刻度的！ 若能将热电偶冷端置于若能将热电偶冷端置于已知的恒温已知的恒温( (假设假设 ) )条件下，得到稳定的温度，则根据中间温度定则公式，条件下，得到稳定的温度，则根据中间温度定则公式，可得到被测温度的实际值。可得到被测温度的实际值。NT18)0 ,(),()0 ,(NABNABABTETTETE 若已知被测温度，在任意冷端温度情若已知被测温度，在任意冷端温度情况下，况下，欲求得测量仪表显示值欲求得测量仪表显

9、示值，上式应，上式应如何变化如何变化？)0 ,()0 ,(),(NABABNABTETETTE 补偿导线补偿导线NT 例如在校验热电例如在校验热电偶测量精度时。偶测量精度时。中间温度定则的应用：中间温度定则的应用：193.3.冷端恒温法（冰浴法）冷端恒温法（冰浴法） 1-1-冰水混合物；冰水混合物； 2-2-保温瓶；保温瓶； 3-3-油类油类或水银；或水银； 4-4-蒸馏水；蒸馏水；5-5-试管；试管； 6-6-盖；盖； 7-7-铜导线；铜导线； 8-8-热电势测量仪表热电势测量仪表 这是一种精度最高的处这是一种精度最高的处理办法，可以使理办法，可以使t t0 0稳定地稳定地维持在维持在恒温恒

10、温00。实验室用。实验室用。20 r r1 1、r r2 2、r r3 3阻值相同且基阻值相同且基本不随温度变化。本不随温度变化。 4.4.补偿电桥法（冷端补偿器法补偿电桥法（冷端补偿器法 ） r rcucu在平衡点温度（规在平衡点温度（规定在环境温度定在环境温度2020）时）时r rcucu=r=r1 1=r=r2 2=r=r3 3。指示仪表指示仪表补偿导线补偿导线热电偶热电偶铜导线铜导线 当冷端温度引起当冷端温度引起r rcucu变化时，桥路失去平变化时，桥路失去平衡，输出不平衡电压，衡，输出不平衡电压，反映温度的变化。反映温度的变化。图图3.3.9 3.3.9 R RS S5.5.机械零

11、位法机械零位法21WR系列热电偶冷端补偿器一、技术指标 1. 配用热电偶分度号：K、E、S、B、J、T、N由用户指定。 2. 温度补偿范围：050。 3. 补偿误差：1。 4. 使用条件：温度050 相对湿度：90% 5. 供电电源：AC220V10%，50Hz2.5Hz 6. 安装方式：平装或挂装5X2 孔距：124mm 7. 外形尺寸：1447260mm 二、安装及接线 三、校验方法 1、 校验时，将端子、断开，从端子、接入标准电阻箱，按Cu50分度表输入050电阻值。在端子、应输出相应温度的热偶分度号所对应的电势，此时端子为电势正极。 2、 由于本补偿器是从0开始补偿，所以配用动圈仪表时

12、仪表指针应调在0点。 22 测温点的选择测温点的选择 热电偶的安装位置热电偶的安装位置, ,即测温点的选择即测温点的选择是最重要的。是最重要的。 （三）热电偶的使用与安装（三）热电偶的使用与安装1. 1. 使用注意事项使用注意事项 P89;P89;2. 2. 安装原则安装原则P89 P89 图图3.5.23.5.23.3.热电偶变送器热电偶变送器 P81P81+-+-4-20mA P81 P81 图图3.3.113.3.11热电偶变送器接线原理图热电偶变送器接线原理图23本次课开始新内容24 导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成电阻温度感

13、温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电电阻温度感温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。阻温度计。 优点：优点：测温准确度高，信号便于传送。测温准确度高，信号便于传送。 缺点：缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。一、热电阻的特性一、热电阻的特性l热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。铂热电阻铂热电阻和和铜热电阻铜热电阻属国际电工委员会推荐的，也是属国际电工委员会推荐的，也是我国国标化的热电阻。我国国标化的

14、热电阻。3.4 3.4 热电阻测温热电阻测温 P81P8125 物体物体的电阻一般随温度而变化，通常用电阻温度系数的电阻一般随温度而变化，通常用电阻温度系数来描述。来描述。 定义：在某一温度间隔内，定义：在某一温度间隔内，当温度升高当温度升高1时，其电阻值时，其电阻值的相对变化量，单位为的相对变化量，单位为1 。可表示为：可表示为： Rt 温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值； Rt0 温度为温度为 t0时的电阻值；时的电阻值； 式中式中 0000()ttttRRRRttRt（3.4.1）00100100 RRR （3.4.2） 如令如令t=100, to=0时，则时，则可表示为：可表示为：2

15、6 Rt 温度为温度为t时金属导体的电阻；时金属导体的电阻； R0 温度为温度为0时金属导体的电阻；时金属导体的电阻； A、B、C 与金属材料有关的常数。与金属材料有关的常数。 大多数大多数金属热电阻金属热电阻具有正的电阻温度系数具有正的电阻温度系数，其阻值其阻值随其随其温度升高而增加温度升高而增加，当温度升高，当温度升高1时，其阻值约增时，其阻值约增加加0.4%-0.6%0.4%-0.6%，称具有正的电阻温度系数。电阻值，称具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与与温度温度t（）的关系可表示为：）的关系可表示为：)1 (320CtBtAtRRt式中式中 常用热电组温度关系曲线如图常用热电组温度关系

16、曲线如图3-163-16。 铂电阻铂电阻铜电阻铜电阻27热电阻的结构28二、常用热电阻二、常用热电阻1.1.铂热电阻铂热电阻 29u铂的纯度用铂的纯度用百度电阻比百度电阻比W（100）表示，即）表示，即W（100）= R100 / R0式中，式中，R100 100时铂电阻值；时铂电阻值； R0 0时铂电阻值。时铂电阻值。 铂丝纯度是决定温度计精度的关键。铂丝纯度越高其铂丝纯度是决定温度计精度的关键。铂丝纯度越高其稳定性越高、复现性越好、测温精度也越高。稳定性越高、复现性越好、测温精度也越高。 标准铂电阻温度计，规定纯度不小于标准铂电阻温度计，规定纯度不小于1.39251.3925；对于工；对于

17、工业用铂电阻温度计纯度为业用铂电阻温度计纯度为1.3911.391。 国产工业用铂电阻温度计主要有三种：国产工业用铂电阻温度计主要有三种： Pt50,Pt100Pt50,Pt100,Pt300,Pt300。! 标准化热电阻分度表标准化热电阻分度表 P342 P342 附录附录4 4302.2.铜热电阻铜热电阻 我国统一生产的铜电阻温度计主要有两种：我国统一生产的铜电阻温度计主要有两种： Cu50,Cu100!Cu50,Cu100!u特点特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的数也比较大，而且材料易

18、提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。电阻率低，易于氧化。标准化热电阻分度表标准化热电阻分度表 P342 P342 附录附录4 4313. 3. 镍热电阻镍热电阻l特点：灵敏度高、线性好、稳定性好、价格低廉。特点：灵敏度高、线性好、稳定性好、价格低廉。32热电阻分度号热电阻分度号温度温度电阻值电阻值Cu50Cu100Pt10Pt10085134-140-15568.19157.384.38737.624.4.标准化热电阻分度表标准化热电阻分度表 P342 P342 附录附录4 4练习练习33电阻值电阻值R RT T与热力学温度与热力学温度T T的关系可用经验公式表示：的关系可用经验公式

19、表示：P83 图3.4.1半导体热敏电阻温度特性4.4.半导体热敏电阻半导体热敏电阻(P83) (P83) )(2T （3.4.9） 大多数大多数半导体热敏电阻具有负的电阻温度系数，半导体热敏电阻具有负的电阻温度系数，阻值阻值随温度升高而减小，当温度升高随温度升高而减小，当温度升高11时，其阻值约减小时，其阻值约减小3%-3%-6%-6%。 )/(TBTAeR （3.4.10）式中：式中：T-T-热力学温度热力学温度R RT T - -温度温度T T时的电阻值；时的电阻值；A A、B - B - 与半导体材料有关的常数。与半导体材料有关的常数。34 优点优点: :负电阻温度系数大，因此负电阻温

20、度系数大，因此灵敏度高灵敏度高。电阻率大电阻率大，可作成可作成体积小体积小而电阻值大的电阻元件，这就使之具有热惯而电阻值大的电阻元件，这就使之具有热惯性小和可测量点温度或动态温度。性小和可测量点温度或动态温度。 缺点：同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性缺点：同种半导体热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差、精度大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差、精度较低。较低。 半导体热敏电阻通常用铁、镍、锰、钴、钼、钛、半导体热敏电阻通常用铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等复合氧化物高温烧结而成。镁、铜等复合氧化物高温烧结而成。 半导体热敏电阻的特点：半导体热敏

21、电阻的特点：35 WZP2-240/A级级3线线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻隔爆热电阻 WZC-111/12*1000mm Cu50铜热电阻铜热电阻 WZPK2-103/B级级6*515mm(0-300)铂热电阻铂热电阻36热敏电阻热敏电阻1. 铠装热电阻铠装热电阻2. 薄膜铂热电阻薄膜铂热电阻3. 厚膜铂热电阻厚膜铂热电阻三、特殊热电阻三、特殊热电阻37热敏电阻体温表原理38四、热电阻测温电路四、热电阻测温电路 P84-3.4.4测量方法多采用测量方法多采用不平衡电桥不平衡电桥和和自动平衡电桥自动平衡电桥。 平衡电桥原理图平衡电桥原理图R0EnAR3R2R1Rt+ 电桥平衡时

22、电桥平衡时312RRRRt )(231RRRRt 1RRt 测温热电阻（一）平衡电桥测温（一）平衡电桥测温当当 时，测温电桥重新平衡。时，测温电桥重新平衡。1RRt 39电桥输出不平衡电压为电桥输出不平衡电压为 )(2313ttabcdRRRRRRUU流过流过RM的电流的电流IM为为 )(2313ttMabMcdMRRRRRRRURUI（二）不平衡电桥测温（二）不平衡电桥测温显示表指示出被测温度值。显示表指示出被测温度值。 测温热电阻下限温度电桥平衡40l热电阻元件和温度指示仪的连接有热电阻元件和温度指示仪的连接有两种典型的接线两种典型的接线方式方式二线制和三线制二线制和三线制 两线制两线制连

23、接的导线电阻（连接的导线电阻（r r2 2、r r3 3) )全部接入一个桥臂中。全部接入一个桥臂中。显示表头显示表头1241见图见图3.4.3连接的导线电阻（连接的导线电阻（r r2 2、r r3 3) )分别接入不同桥臂中。分别接入不同桥臂中。三线制三线制1242以不平衡电桥原理为基础的以不平衡电桥原理为基础的XCZ-102XCZ-102型动圈式温度指示仪型动圈式温度指示仪 显示表头显示表头见图见图3.4.443自动电子平衡电桥自动电子平衡电桥 442. 2. 热电阻测温系统的误差分析热电阻测温系统的误差分析 P87P87主要是热电阻线路电阻变化产生的误差主要是热电阻线路电阻变化产生的误差

24、 热电阻测温点的选择、安装位置、插入深度、保温热电阻测温点的选择、安装位置、插入深度、保温等与热电偶相似。等与热电偶相似。 问：问：热电阻和热电偶相比，那一个要求插入深度应稍微热电阻和热电偶相比，那一个要求插入深度应稍微越过中心线？越过中心线？ 45小节 膨胀式温度计 热电偶 热电阻夸夸父父逐逐日日 463.6 3.6 非接触测温非接触测温 P91P91利用物体的利用物体的热辐射能随温度变化热辐射能随温度变化的原理测定物体温度。的原理测定物体温度。特点特点: : 不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。热惯性小。 从原理上看，测温无

25、上限。通常用来测定从原理上看，测温无上限。通常用来测定10001000以上以上的的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。 光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，因此各种光学系统和检测元件对辐射光谱均有选择性，因此各种辐射测温系统一般只接收波长范围内的辐射能。辐射测温系统一般只接收波长范围内的辐射能。47非接触式辐射测温常用方法有四种：非接触式辐射测温常用方法有四种：分别有：单色高温计、全辐射高温计、比色高温计、分别有：单色高温计、全辐射高温计、比色高温计、红外红外高温计等等。高温计等等。l 比色法比色法：按：按物体两个波长的光谱辐射亮度之比物体两个波长的光

26、谱辐射亮度之比推算温推算温度。度。l 全辐射全辐射法：按物体法：按物体全波长范围全波长范围的辐射亮度推算温的辐射亮度推算温度。度。l 多色法多色法：按物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射：按物体多个波长的光谱辐射亮度和物体发射率随波长变化的规律来推算温度。率随波长变化的规律来推算温度。l 亮度法亮度法：按物体的光谱或：按物体的光谱或部分连续波长部分连续波长辐射亮度推辐射亮度推算温度。算温度。48物体在任何温度下都向外辐射电磁波。物体在任何温度下都向外辐射电磁波。物体具有稳定温度物体具有稳定温度发射电磁辐射能量发射电磁辐射能量吸收电磁辐射能量吸收电磁辐射能量相等相等这种电磁波是由物体内部带电粒子

27、在分子和原子内振动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，称为射，称为热辐射热辐射。一、热辐射测温的基本原理一、热辐射测温的基本原理49112510 TcecE 式中式中物体发出的辐射波长；物体发出的辐射波长； T T热力学温度；热力学温度； C C1 1普朗克第一辐射常数；普朗克第一辐射常数； C C2 2普朗克第二辐射常数。普朗克第二辐射常数。绝对黑体的绝对黑体的单色辐射强度单色辐射强度由普朗克定律确定：由普朗克定律确定： 辐射测温的物理基础是普朗克辐射测温的物理基础是普朗克(Pta

28、nck)(Ptanck)热辐射定律和热辐射定律和斯蒂潘斯蒂潘- -玻耳兹曼玻耳兹曼(Stefan(StefanBoltzmann)Boltzmann)定律。定律。(3.6.1)能全部吸收投射来的各种波长的热辐射线 50 在温度低于在温度低于3000K3000K时，对于波长较短的可见光，用维时，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恩公式替代普朗克公式产生的误差1 1。TcecE 2510 图图3-243-24是根据普朗克公式制成的绝对黑体在不同温度是根据普朗克公式制成的绝对黑体在不同温度下的光谱辐射曲线，每条曲线代表一个固定的温度。下的光谱辐射曲线，每条曲线代表一个固定的温度

29、。 从图中可以看到如下一些规律：从图中可以看到如下一些规律：每条曲线均有一个每条曲线均有一个极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方极大值，而且这个极值是随着温度升高而向波长短的方向移动。向移动。112510 TcecE (3.6.2)51绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线0 1 2 3 4 5 6(m)1100K),(0Te 520 1 2 3 4 5 6(m)1300K1100K),(0Te 绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线530 1 2 3 4 5 6(m)1500K1300K1100K),(0Te 绝

30、对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线540 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线绝对黑体的单色辐射强度按波长分布曲线55l 不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长不同温度下的曲线，其曲线峰值点的波长 m和温度和温度T均均满足满足维恩位移定律维恩位移定律：最大值所对应的波长为最大值所对应的波长为),(0Te m 峰值波长峰值波长bTm Kmb 31089. 2l维恩位移定律说明维恩位移定律说明：当绝对黑体的温度升高时，单色辐当绝对黑体的温度升高时，单色辐射度最大值向短波方向移动。（越

31、热，其辐射谱的波长越射度最大值向短波方向移动。（越热，其辐射谱的波长越短）短）),(0Te m 56 斯蒂芬斯蒂芬- -玻耳兹曼定律表明：玻耳兹曼定律表明：绝对黑体的全辐射能量绝对黑体的全辐射能量与其热力学温度的四次方成正比。与其热力学温度的四次方成正比。l 斯斯蒂芬蒂芬（Stefan)Stefan)玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 由实验及理论得到斯由实验及理论得到斯蒂芬蒂芬- -玻尔兹曼定律，给出了黑玻尔兹曼定律，给出了黑体的总辐射能量为：体的总辐射能量为：400151000)1(2TdecdEETc 42801067.5 KmW - -斯斯蒂芬蒂芬常数常数0 400TE (3.6.3)57112

32、510 TcecE 绝对黑体的绝对黑体的单色单色辐射强度：辐射强度：40TE 绝对黑体的绝对黑体的全部辐射能量全部辐射能量： 两者随温度变化的曲两者随温度变化的曲线如图所示。线如图所示。1000 1200 1400 1600 1800 2000T(k)1000/ EE101100103102104 0E0E 温度升高时，单色辐射强温度升高时，单色辐射强度的度的增长增长要快很多。即高温要快很多。即高温计比全辐射高温计灵敏度高、计比全辐射高温计灵敏度高、测量准确度高。测量准确度高。l单色单色辐射强度和辐射强度和全辐射能量与温度的关系曲线全辐射能量与温度的关系曲线58 二、单色辐射高温计二、单色辐射

33、高温计 依据物体光谱辐射强度或辐射亮度和其温度依据物体光谱辐射强度或辐射亮度和其温度T T的关的关系，可以测出物体的温度系，可以测出物体的温度。工程上，直接测定物体光。工程上，直接测定物体光谱辐强度比较困难，而测定物体的辐射亮度，则相对谱辐强度比较困难，而测定物体的辐射亮度，则相对容易得多。故目前国内外使用的光谱辐射温度计都是容易得多。故目前国内外使用的光谱辐射温度计都是根据被测物体的根据被测物体的光谱辐射光谱辐射亮度亮度来确定物体的温度。这来确定物体的温度。这就是辐射测量的基本原理之一。就是辐射测量的基本原理之一。 59 光速光速=波长波长 ( ) x频率频率 = 3 x 108 m/s 在

34、真空中在真空中 波数波数 = 1/波长波长 ( cm-1) 频率频率 in GHz (1 Hz = sec 1) 电磁波频谱电磁波频谱Energy波长波长60物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度1400 K800 K1000 K1200 K固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化例子：低温火炉辐射能集中在红光。例子：低温火炉辐射能集中在红光。 高温物体辐射能集中在蓝、绿色。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。61400500600700波長（nm）紫外辐射红外辐射可见光谱可见光谱 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于辐射式温度计的感温元件通常工

35、作在属于可见光和可见光和红外光的波长区域红外光的波长区域。 可见光的光谱很窄，其波长仅为可见光的光谱很窄，其波长仅为0.30.30.72m0.72m；红；红外光谱分布相对较广，其波长范围为外光谱分布相对较广，其波长范围为O.72O.72l000ml000m。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.30.340m40m。621000 1200 1400 1600 1800 2000T(k)1000/ EE101100103102104 0E0E 已知单色辐射高温计比全辐射高温计灵敏度高、测量已知单色辐射高温计比全辐射高温计灵敏度高、测量准确度高。准确度高。

36、 当物体温度高于当物体温度高于700700时，会明显地发出可见光，时，会明显地发出可见光，具有一定的亮度具有一定的亮度。物体在波长物体在波长的亮度的亮度B B和它的辐射和它的辐射强度强度E E成正比成正比，即，即 cEB (3.6.4)63 根据维恩公式，根据维恩公式，绝对黑体绝对黑体在波长为在波长为的亮度的亮度B B00与温与温度度T Ts s的关系为：的关系为：sTceccB 2510 (3.6.5) 实际物体实际物体在波长为在波长为的亮度的亮度B B与温度与温度T T的关系为：的关系为：TceccB 251 (3.6.6) 可见，用同一种测量亮度的单色辐射高温计来测量可见，用同一种测量亮

37、度的单色辐射高温计来测量单单色黑度系数色黑度系数不同的物体温度，即使它们的亮度不同的物体温度，即使它们的亮度B B相相同，其实际温度也会因同，其实际温度也会因而不同。而不同。64 这使得按某一物体的温度刻度的单色辐射高温计，这使得按某一物体的温度刻度的单色辐射高温计，不能用来测量黑度系数不同的另一物体的温度。不能用来测量黑度系数不同的另一物体的温度。 为使光学高温计具有通用性，为使光学高温计具有通用性，规定单色辐射高温规定单色辐射高温计的刻度按照绝对黑体（计的刻度按照绝对黑体（=1=1）的温度进行刻度。）的温度进行刻度。用这种刻度的高温计去测量实际物体（用这种刻度的高温计去测量实际物体（1 1

38、）时，）时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体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，即所谓的此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温亮度温度度” 。65 亮度温度定义：亮度温度定义：在波长为在波长为的单色辐射中，若物体的单色辐射中，若物体在温度为在温度为T T时的亮度时的亮度B B和绝对黑体在温度为和绝对黑体在温度为T Ts s的亮度的亮度B B00相等，则称绝对黑体的温度相等，则称绝对黑体的温度T Ts s为被测物体在波长为为被测物体在波长为时时的亮度温度。的亮度温度。 1ln112CTTS 根据式根据式3.6.53.6.5和和3.6.63.6

39、.6可推导出被测物体的可推导出被测物体的实际温实际温度度T T和亮度温度和亮度温度T TS S之间的关系之间的关系为：为：（3.6.7）这样，物体的真实温度为这样，物体的真实温度为 22lnCTTCTSS 66 对于真实物体总是对于真实物体总是l l，故测得的亮度温度总，故测得的亮度温度总比物体的实际温度为低，即比物体的实际温度为低，即T TS ST T 。 目前，国内工业用光学高温计都采用目前，国内工业用光学高温计都采用红色单色光，红色单色光，有效波长为有效波长为0.660.66土土0.01m0.01m；与我国温度量值传递系统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

40、高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温计是国际温标(ITS(ITS一一90)90)规定温度在银点以上的标准规定温度在银点以上的标准仪器。仪器。67光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计。结构较简单，使用方便，适用于计。结构较简单，使用方便，适用于1000 K1000 K3500 K3500 K范范围围的温度测量，其精度通常为的温度测量，其精度通常为1.01.0级和级和l.5l.5级，可满足一级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温炉膛的温度测量。炉膛

41、的温度测量。1.1.光学高温计光学高温计 光学高温计通常采用光学高温计通常采用0.660.660.01m0.01m的单一波长，的单一波长，将物体的光谱辐射亮度将物体的光谱辐射亮度B B和标准光源的光谱辐射亮度进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。光学高温计目前有三种行比较，确定待测物体的温度。光学高温计目前有三种形式：形式：灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温计灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温计和光电亮度式光学高温计和光电亮度式光学高温计。681.物镜；2.灰色吸收玻璃；3.灯泡；4.目镜；5.红色滤光片；6.显示表头灯丝隐灭式光学高温计是由人眼对热辐射体和高温计

42、灯泡在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，国产学高温计又称目视光学高温计或简称光学高温计，国产WGGZWGGZ型型光学高温计就是此类高温计。光学高温计就是此类高温计。WGGZWGGZ型光学高温计的原理示意图如图型光学高温计的原理示意图如图3-263-26所示。所示。 图中的图中的2是灰色吸收玻璃，其作用是扩大光学高温计的量

43、程。灯丝在其亮度温度超是灰色吸收玻璃，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，使灯泡的金属丝要升华，将在玻以上的高温，使灯泡的金属丝要升华，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，以减弱的亮度

44、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以使原最高亮度温度为1400的钨丝灯，能测量更高的温度。的钨丝灯，能测量更高的温度。 调节物镜调节物镜1使物体的像落在灯泡使物体的像落在灯泡3内的灯丝平面上，调节目镜内的灯丝平面上，调节目镜4，使灯丝和，使灯丝和物体的像能清晰地看到，比较两者的亮度。调节电位器触点，改变流过灯丝电物体的像能清晰地看到，比较两者的亮度。调节电位器触点，改变流过灯丝电流，使灯丝亮度作相

45、应的改变。流，使灯丝亮度作相应的改变。 当被测物体的亮度大于灯丝亮度时，灯丝在背景当被测物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对应于被测物体亮度)上上呈现暗丝呈现暗丝(背景比灯丝亮背景比灯丝亮)；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度时；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度时,则灯丝在背景则灯丝在背景中呈亮丝中呈亮丝(背景比灯丝暗背景比灯丝暗)；调节电位器，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，此调节电位器，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；时，灯丝便隐灭在背景中；表头表头6将指示出被测物体的亮度温度。得到了被测将指示出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

46、体的光谱发射率，便可获得该物体的真实温度。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。 691.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 图中的图中的5 5红色滤光片造成单色光，它的作用是滤除人眼不敏红色滤光片造成单色光，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感的光谱段，仅让中心光谱波长为0.66 m0.66 m的窄波段通过。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。光谱范围在围在O.62O.62O.7mO.7m范围所造成的误差可忽略不计。范围所造成的

47、误差可忽略不计。70光学高温计通常有两个刻度，一个是不加灰色吸收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，其范围为玻璃的刻度，其范围为80080014001400；另一个是加灰；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测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测量亮度温度高达高达32003200物体的温度。无论采用何种形式，光学高物体的温度。无论采用何种形式，光学高温计钨丝本身最高温度均不

48、可超过温计钨丝本身最高温度均不可超过14001400。 71辐射式温度计辐射式温度计72光学高温计光学高温计732.2.光电高温计光电高温计 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；但光学高温计在测量物体的范围广，使用方便等优点；但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，由眼睛判别灯温度时，由于要靠手动调节灯丝的亮度，由眼睛判别灯丝的丝的“隐灭隐灭”，故观察误差较大，也无法实现自动检测，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和记录。由于科技不断发展进步，依据

49、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。用于工业高温测量中。74光电高温计采用光电高温计采用硅硅光电池光电池作为仪表的光敏作为仪表的光敏元件，代替人眼睛感受元件，代替人眼睛感受被测物体辐射亮度的变被测物体辐射亮度的变化，并将此亮度信号按化，并将此亮度信号按比例转换成电信号，经比例转换成电信号，经滤波放大后送检测系统滤波放大后送检测系统进行后续转换处理，最进行后续转换处理，最后显示出被测物体的亮后显示出被测物体的亮度温度。图度温度。图3-283-28是国产是国产WDLWDL型光电高温计的工型光电高温计的工作

50、原理示意图。作原理示意图。图3-28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 75光电高温计与光学高温计相比，主要优点有：光电高温计与光学高温计相比，主要优点有： 1.1.灵敏度高灵敏度高 较光学高温计提高两个数量级；较光学高温计提高两个数量级； 2.2.精确度高精确度高 采用干涉滤光片或单色仪后，使仪器采用干涉滤光片或单色仪后，使仪器的单色性能更好，至少比光学高温计提高一个数量级；的单色性能更好，至少比光学高温计提高一个数量级；

51、 3.3.使用波长范围不受限制使用波长范围不受限制 使用波长范围不受人眼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，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；其测温下限可向低温扩展； 4.4.光电探测器的响应时间短光电探测器的响应时间短 光电倍增管可在光电倍增管可在l0l0-6-6s s内响应，响应时间很短；内响应，响应时间很短； 5.5.便于自动测量与控制便于自动测量与控制 可自动记录或远距离传送。可自动记录或远距离传送。 76三、三、全辐射全辐射高温计高温计 根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效

52、应进行工作的。进行工作的。 通常由通常由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置辅助装置等几大部分组成。辐射温度计是最古老、等几大部分组成。辐射温度计是最古老、最简单、较常用的非接触式高温检测仪表。虽然此最简单、较常用的非接触式高温检测仪表。虽然此种仪器有能聚集被测物体辐射能于敏感元件的光学种仪器有能聚集被测物体辐射能于敏感元件的光学系统，但实际上任何实际的光学系统都不可能全部系统，但实际上任何实际的光学系统都不可能全部透过或全部反射所有波长范围的全部辐射能，所以透过或全部反射所有波长范围的全部辐射能，所以把它直接称之为辐射温度计，似乎更合理一些。把它直接称

53、之为辐射温度计，似乎更合理一些。 77 辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，度时，仪表上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。由此，我们我们称该温度为此被测物体的辐射温度。由此，我们可以给辐射温度定义为：黑体的总辐射能量等于被测可以给辐射温度定义为：黑体的总辐射能量等于被测非黑体的总辐射温度。其数学表达式为非黑体的总辐射温度。其数学表达式为44pTT 式中式中 T T被测物体

54、的真实温度；被测物体的真实温度； T Tp p被测物体的辐射温度；被测物体的辐射温度； 被测物体的全发射率。被测物体的全发射率。亦即亦即41 pTT (3.6.8)78 由于由于0 01 1，所以，辐射温度，所以，辐射温度T Tp p总要低于物体总要低于物体的真实温度，表中是部分常用材料在给定温度范围内的真实温度，表中是部分常用材料在给定温度范围内的全发射率。的全发射率。T 名 称 温度范围 () 全发射率 名 称 温度范围 () 全发射率 磨光的纯铁 磨光的熟铁 氧化铸铁 氧化的熟铁 磨光的钢 碳化的钢 氧化的钢 磨光的铝 明亮的铝 氧化的铝 磨光的铜 镍 260538 260 260538

55、 260 260538 260538 93538 93538 148 93538 260538 10001400 0.080.13 0.27 0.660.75 0.95 0.100.14 0.530.56 0.880.96 0.050.11 0.49 0.200.33 0.050.18 0.0560.069铬 镍铬合金KA25 镍铬合金NCT3 镍铬合金NCT6 氧化的锡 未氧化的钨 磨光的银 氧化的锌 磨光的银 未氧化的银 氧化的银 铝 260538 260538 260538 260538 100 100500 260 260 260538 100500 200500 200600 0.1

56、70.26 0.380.44 0.900.97 0.89 0.05 0.0320.0710.03 0.11 0.020.03 0.020.035 0.020.038 0.110.19T一些材料在给定温度范围内的全发射率79 图3-29 全辐射高温计的构造示意图1.物镜；2.光阑；3.铜壳；4.玻璃泡；5.热电堆；6.铂黑片；7.吸收玻璃；8.目镜；9.小孔；10.云母片辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类。 光电型光电型 常用的有常用的有光电倍增管、硅光电池、锗光电二极管光电倍增管、硅光电池、锗光电二极管等。等。这类敏感元件的特点是响应速度

57、极快，而同类元件光电特性曲线这类敏感元件的特点是响应速度极快，而同类元件光电特性曲线一致性不是很好，故互换性较差。一致性不是很好，故互换性较差。 (2) (2)热敏型热敏型 常用有常用有热敏电阻、热电堆热敏电阻、热电堆( (由热电偶串联组成由热电偶串联组成) )等。等。特点是对响应波长无选择性，灵敏度高，同类元件的热电特性曲线特点是对响应波长无选择性，灵敏度高，同类元件的热电特性曲线一致性好，响应时间常数较大，通常为一致性好，响应时间常数较大，通常为0.01s0.01s1s1s。80 维思位移定律指出：当温度升高时，绝对黑体辐维思位移定律指出：当温度升高时，绝对黑体辐射能量的光谱分布要发生变化

58、。一方面辐射峰值向波射能量的光谱分布要发生变化。一方面辐射峰值向波长短的方向移动，另一方面长短的方向移动，另一方面光谱分布曲线的斜率将明光谱分布曲线的斜率将明显增加；斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比显增加；斜率的增加致使两个波长对应的光谱能量比发生明显的变化发生明显的变化。 四、比色温度计四、比色温度计 由维恩位移定律可知、若能测出黑体光谱辐射亮由维恩位移定律可知、若能测出黑体光谱辐射亮度最大时的对应波长度最大时的对应波长mm，便可方便得到黑体的温度。，便可方便得到黑体的温度。工程中，常用的比色温度计就是基于这一原理，通过工程中，常用的比色温度计就是基于这一原理，通过对黑体光谱辐射亮度的测量实现非接触测温的。对黑体光谱辐射亮度的测量实现非接触测温的。 81 所以，比色温度可定义为：绝对黑体辐射的两个所以，比色温度可定义为：绝对黑体辐射的两个波长波长1 1和和2 2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的亮度比时，绝对黑体的温度就称为这个被测辐射体的比色温度。的比色温度。 根据测量两个光