非接触式温度测量技术

非接触式温度技术讲义非接触式测温仪表接触式测温仪表是工业上应用最广泛的测温仪表，它具有测量精度高、使用方便等优点。但在某些工业生产过程中，受到测温现场条件的限制，如高温、腐蚀等恶劣环境、运动物体、微小目标、热容量小的对象以及不允许因测温而破坏被测对象温度场等情况下的温度测量，都得用非接触式测温仪表才能实现。近20年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。与接触式测温法相比，它具有如下特点：非接触式测温仪表1）传感器和被测对象不接触，不会破坏被测对象的温度场，故可测量运动物体的温度；2）由于传感器或热辐射探测器不必达到被测对象同样的温度，故仪表的测温上限不受传感器材料熔点的限制，从理论上说仪表无测温上限；3）在检测过程中传感器不必和被测对象达到热平衡,故检测速度快、响应时间短,适于快速测温；物体受到热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。热辐射式测温仪表就是根据这种热辐射原理制成的。常用的热辐射式测温仪表有：辐射式测温仪和红外测温仪等。其中辐射式测温仪分为全辐射高温计、单辐射高温计（光学高温计和光电高温计）、比色温度计。物体热辐射与温度的关系任何物体都会以电磁波形式向外放射能量，这就是热辐射。如果物体能全部吸收外界辐射到其表面的辐射能，该物体就称为绝对黑体，简称黑体。实验证明，吸收辐射能力强的物体，其辐射能力也强。物体在单位时间内每单位面积辐射出的所有波长的总辐射能称为物体的全辐射力。而每一定波长的辐射能称为物体的单色辐射力，因此，物体全辐射力是各单色辐射力的积分。普朗克定律：在一定温度下，不同波长的单色辐射力不同，温度上升时的单色辐射力增大，但不同波长其增大的幅度不同。物体热辐射与温度的关系全辐射定律（波尔兹曼定律）：黑体的全辐射力与其绝对温度的四次方成正比，即E=σT4。式中σ—波尔兹曼常数，也称为黑体辐射常数。这一结论不仅对黑体是正确的，而且对任何实际物体（即非黑体或灰体）也是成立的。所不同的是，实际物体的全辐射力要低于相同温度的黑体全辐射力。实际物体的全辐射力为：E=εσT4。式中ε—实际物体的总发射率；辐射高温计辐射高温计是根据全辐射定律实现测温的仪表。它以热电堆作检测元件，由于热电堆对不同波长辐射能的响应率是均匀的，因此该仪表被称为全辐射高温计。其结构原理如下图。当通过目镜6及物镜1瞄准被测对象时，对象的辐射能通过物镜聚焦，再经光阑2投射到玻璃泡内的热电堆3上。热电堆由四支热电偶串联构成，其热端集中加在玻璃泡中心的铂箔4上。铂箔涂以黑色，以增大黑度，加强对辐射的吸收能力，经铂箔吸收的辐射能，通过热电堆转变为热电势输出，送至显示仪表7指示出温度值。在聚焦时灰色滤光片可以减弱辐射以保护人眼。1243567辐射高温计由于辐射高温计只能规定被测对象为黑体时的辐射-温度关系刻度。如果被测对象不是黑体，则仪表显示将偏低。若被测对象黑度已知，则可根据黑度修正偏差。使用辐射高温计应注意以下几点：⑴被测对象为非黑体时若不知其黑度,则可以在被测对象内加装窥视管,窥视管长度为其直径的10倍以上，因此管底近似于黑体，故可减少测量误差。⑵中间介质的影响：被测对象与仪表之间的空间含有其它介质，如灰尘、水蒸气、二氧化碳等，们对辐射能有所吸收，从而使仪表显示偏低，为了减少误差，安装距离一般不超过1米。辐射高温计⑶环境温度的影响：仪表内热电堆的冷端温度随环境温度而变化，为此仪表内部采用了由双金属片控制的补偿光阑，以达到自动补偿的目的。但仪表内的环境温度不宜超过100℃，必要时应装设水冷套。光学高温计物体温度变化时，某些单色辐射力的变化比全辐射力的变化更为显著，因此利用单色辐射力与温度的关系实现测温时，仪表灵敏度较高。光学高温计是利用λ=0.65μm单色辐射力与温度的关系实现测温的，但由于单色辐射力测量很困难，实际上在光学高温计中，是采用了单色亮度的比较法。光学高温计的特点是结构简单，价格便宜，使用方便，它是通过人眼瞄准和亮度比较来实现测温的，测量结果带有人为的主观误差。光学高温计的原理结构如下图：光学高温计测温时，用眼通过目镜4和物镜1瞄准被测对象。调节目镜使眼睛清晰地看到仪表中的钨丝灯灯丝后，再调节物镜，使对象成像于灯丝平面上，以便与灯丝亮度进行比较，这时可调节滑线电阻6，待灯丝顶端亮度与被测对象亮度相等时（看上去好像灯丝中断一样），此时电流表7指示出测量值。8为灰色吸收玻璃，用于扩展仪表量程。18625734abc红外基础理论几百年前，人们发现太阳光（白光）可分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年，英国物理学家威廉姆.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线。他在研究各种色光的热量时，有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住，并在板上开了一个矩形孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时，便被分解为彩色光带，并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。试验中，他偶然发现一个奇怪的现象：放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。

红外线温度计一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量,从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布—与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。目前应用红外技术的测量设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。红外线温度计的测温原理：波长在0.8~100μm的辐射称为红外辐射。红外辐射能被物体吸收并转换成热能。并且在一定波长下，红外辐射强度与温度T(K)及波长λ(μm)之间的关系，仍然由普朗克定律来描述。这样可通过一定波长下的红外辐射强度来确定物体的温度。红外线温度计原理1、物镜；2、滤光片；3、调制盘；4、微电机；5、反射镜；6、聚光灯；7、参比灯；8、探测元件24813567前置放大差值放大相敏检波放大调节线性调整温度显示输出转换增益控制4~20mA红外线温度计原理

红外线温度计由感温器和显示仪表两部分组成。被测物体的表面辐射能量由物镜会聚，经调制盘（又称切光片）反射到滤光片，一定波长的红外线透过滤光片到达探测元件上而被吸收。仪器中用作参考辐射源—参比灯的辐射能量通过另一路聚光镜6，经反射镜5反射到调制盘并被调制后，也到达探测元件上被吸收。被测物体辐射能量和参比灯辐射能量是交替的被红外探测元件吸收的，从而产生两个相位相差180°的电信号。从探测元件输出的脉冲信号是这两个信号的差值。此信号经放大，相敏检波成直流信号，再经直流放大处理，以调节参比灯工作电流，使其辐射能量与被测能量相平衡。参比灯的辐射能量始终精确跟踪被测辐射能量，保持平衡状态，再将参比灯的电参数经过电子线路进一步处理，输出4~20mADC统一信号送显示仪表，指示、记录被测的温度值。红外线温度计的选择确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。产品覆盖范围为-50℃-+3000℃，每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。确定目标尺寸：红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。如果目标尺寸小于视场，背景辐射能量就会进入测温仪干扰测温读数，造成误差。对于比色测温仪，其温度是由两个独立的波长辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都不对测量结果产生重大影响。

确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由D：S之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学分辨率越高，即增大D：S比值，测温仪的成本也越高。确定波长范围：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长，在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用0.8～1.0μm。测量玻璃内部温度选用1.0μm，2.