CGWC43辐射式温度计01

高等职业教育数字化学习中心连铸自动化岗位培训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0.75～1000μm的频谱范围之内。辐射式温度计概述一、辐射测温的基本原理可见光的光谱很窄，其波长仅为0.3—0.72μm；红外光谱分布相对较广，其波长范围为O.72—l000μm。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0.3—40μm。1.红外线分区红外线波长0.75～1000μm。根据红外线与可见光的距离，红外线分为：近红外区（1～3μm）、中红外区（3～6μm）、远红外区（6～15μm）、极远红外区（15～1000μm）。辐射式温度计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)本领与波长无关的物体为灰体。绝对黑体的吸收系数L0＝1，反射系数β0＝0，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0～1之间。辐射式温度计2.测温基本原理辐射测温的物理基础是普朗克(Ptanck)热辐射定律和斯蒂芬－玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann)定律。绝对黑体的光谱辐射亮度L(λ，T)与其波长λ、热力学温度T的关系由普朗克定律确定：

(3-16)辐射式温度计如果波长λ与温度T满足C2／(λT)≥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％。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；ε

——物体表面的法向比辐射率；σ——斯蒂芬—玻尔兹曼常数；T——物体的绝对温度(K)。 辐射式温度计

黑体的光谱辐射曲线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。辐射检测器分光电型和热敏型。辐射式温度计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；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。辐射式温度计工程上，测定物体的辐射亮度，相对容易。故目前国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1000K～3500K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WGG2－201系列辐射式温度计由于各物体的光谱发射率ελ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。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λ、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L0λ相等，则称TL为这个物体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为式中，ε(λ，T)——实际物体在温度为T、波长为λ时的光谱发射率； T——实际物体的真实温度，单位为K; TL——黑体温度，也即实际物体的亮度温度，单位为K。辐射式温度计物体的真实温度为对于真实物体总是ελ＜1，故测得的亮度温度总比物体的实际温度为低，即TL＜T。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0.01μm；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0.01μm的单一波长，将物体的光谱辐射亮度Lλ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度式光学高温计。辐射式温度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辐射式温度计物镜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，灯丝便隐辐射式温度计灭在背景中；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，当测量辐射式温度计高于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800℃～1400℃；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；这样辐射式温度计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＝0.66μm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.7μm范围所造