过程参数检测及仪表课件第4章非接触测温

1、第四章 非接触测温方法和仪表,感受件不需要与被测介质接触，称非接触测温方法 基本原理：黑体的辐射出射度与温度有单值函数关系，通过测全辐射体的辐射出射度对应出温度（辐射高温计）。 优点： 仪表不破坏被测介质的温度场 感温件不必和被测介质达到平衡，仪表滞后小。 理论上仪表测温上限不受限制。感受元件不必与被测介质达到同样温度值，因此测温部件不被高温破坏。 输出信号大，灵敏度高，准确度高,第四章 非接触测温方法和仪表,主要内容 第一节 辐射测温的基本原理 第二节 单色辐射高温计 第三节 辐射温度计 第四节 比色高温计 第五节 红外温度计,第一节 辐射测温基本原理,一、黑体的光谱辐射出射度M0和辐射出射

2、度M0 1光谱辐射出射度M0 1） 全幅射体的辐射出射度M0（单位：w/m3）与波长和温度T有关（普朗克定律） 为波长；c1 ，c2为普朗克第一，第二辐射常数3.7413*10-16(w.m2) 1.4388*10-2(m.K) 2） 使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%,维恩公式,第一节 辐射测温基本原理,规律：a )T上升， M0增大 。 b) T高， M0的峰值对应的波长变短。 M0的峰值处的辐射波长m 与T的关系遵循维恩偏移定律： mT=2897 m.k,3）光谱辐射出射度M0图,一、黑体的光谱辐射出射度M0和辐射出射度M0 1

3、光谱辐射出射度M0,第一节 辐射测温基本原理,2 黑体辐射出射度M0 1） M0与M0的关系 M0是波长 从0 之间全部光谱辐射出射度的总和 2 ）M0的公式（斯忒潘玻耳兹曼定律:) 物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比 斯忒藩波尔兹曼常数,5.67032*10-8 W/(m2.K4),一、黑体的光谱辐射出射度M0和辐射出射度M0,第一节 辐射测温基本原理,二、灰体的光谱辐射出射度M和辐射出射度M 1 ）灰体的定义：如果物体的辐射光谱是连续的，且在所有波长下 常数，则该物体称为灰体。 2）灰体的发射率 ： 灰体的辐射出射度和同一温度下全辐射体的辐射出射度之比， 3）灰体的M （普朗克定律）

4、 M（斯忒潘玻耳兹曼定律）,是小于1的常数。,第一节 辐射测温基本原理,由于实际存在的物体，其特性并不完全像灰体，所以需修正： 1）光谱辐射出射度M（普朗克定律）： 2）辐射出射度M（斯忒潘玻耳兹曼定律） 注意：光谱发射率和发射率，其值在0-1之间,都不是常数, 用实验的方法测定。 与温度、该物体的特性和表面情况有关， 则按基尔霍夫定律还与有关。,三、实际物体的光谱辐射出射度M和辐射出射度M,第一节 辐射测温基本原理,四、单色辐射高温计和辐射温度计 1）应用普朗克定律制作的单色辐射高温计 2）应用辐射定律制作的辐射高温计 3）当温度变化时，光谱辐射出射度的增长要比辐射出射度的增长要快得多。单色

5、辐射高温计的灵敏度高,第二节 单色辐射高温计,光学高温计 光电高温计,一、光学高温计,由普朗克定律知道，物体的光谱辐射出射率M与温度有关，而物体在高温下会发光，称亮度，因亮度L与光谱辐射出射率M成正比，故通过测物体亮度L可求物体的温度。 L=cM=c M0 c-比例常数。 2 由亮度标注温度时需解决的问题：亮度温度 1）问题提出：同样亮度L，由于物体不同，所以物体对应的温度是不同。因此某一亮度下仪表应对应标注何种温度？ 2）解决办法：仪表标注的是黑体对应的温度Ts ，即亮度温度，实际物体的真实温度要进行修正。,第二节 单色辐射高温计,1 基本工作原理：,3)亮度温度Ts ：当物体在辐射波长为

6、，温度为时T，其光谱辐射亮度L和黑体在辐射波长为 ，温度为Ts时的光谱辐射亮度L0相等，则把Ts称为这个物体在波长下的亮度温度。 4)由亮度温度Ts如何求物体的真实温度T 已知物体的辐射发射率，将维恩公式代入：,一、光学高温计,第二节 单色辐射高温计,2 由亮度标注温度时需解决的问题：亮度温度,两者的亮度相等，故：,注：0 1,测得的亮度温度总是低于真实温度， 越小，亮度温度与真实温度的差别越大。,第二节 单色辐射高温计,二、光学高温计的结构和工作原理,1 结构,1）测量时，如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度低，则灯丝就在这个背景下呈现出暗的弧线 2）如如灯丝亮度比辐射热源（被测物体）亮度高

7、，则灯丝就在较暗的背景下呈现出亮的弧线 3）如两者亮度一样，则灯丝就隐灭在发光背景里 4）由毫安计的读数就是被测物体的亮度温度 这种光学高温计叫“隐丝式光学高温计”。,2 工作原理,第二节 单色辐射高温计,二、光学高温计的结构和工作原理,(1)问题：由于亮度超过14000C时，钨丝易发生升华，（电阻值改变，且在灯泡玻璃上形成薄膜，改变了灯丝的温度亮度特性），造成测量误差。 (2)灰色吸收玻璃的作用：加入吸收玻璃，在14000C以上时，可减弱热源进入仪表的亮度后，再和灯丝比较，加大光学高温计的测量范围。,二、光学高温计的结构和工作原理,第二节 单色辐射高温计,3 一些元器件的作用,1) 灰色吸收

8、玻璃,通过吸收玻璃后的光谱辐射亮度,观测者看到的光谱辐射亮度,由于,故,知道、T，可求T1,2)红色滤光片的作用： 造成窄的光谱段，使其在波长范围0.6-0.7m内进行亮度比较。好处:在于当被测温度变化时，对于一般的工业用光学高温计，可认为波长变化被忽略，一般 0.66 m 4 光学高温计的测温下限 由于人眼是感受件，只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于700,二、光学高温计的结构和工作原理,第二节 单色辐射高温计,3 一些元器件的作用,（1） 减少的影响： 光谱发射率不是常数，给测量带来误差。尽量创造全辐射体的辐射条件。 例如测量炉膛温度，可插入一根细长而有底的陶瓷管l/d10，在

9、充分受热后，从管口看进去管子的底部就可近似认为是全辐射体。,三、使用光学高温计时的注意事项,第二节 单色辐射高温计,（2）由于中间介质的影响：光学高温计不要距离被测物体太远，一般应在12m之内比较合适。 光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾、二氧化碳等对辐射都有吸收作用，造成误差。 （3）光学高温计不宜测反射光很强的物体，容易造成大 误差 （4） 光学高温计的测量准确度比热电偶、热电阻低，并不能测物体内部温度。,三、使用光学高温计时的注意事项,第二节 单色辐射高温计,四、光电高温计,1 光学高温计的问题：测量时要手动平衡亮度；人判定平衡点，平衡点还可能因人而易；故它不是连续性测量仪表，应用受限

10、制。 2 其工作原理：光电器件代替人眼，作为仪表的感受件感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号。此信号经电子放大器放大后被测量，其大小对应被测物体的温度。光电高温计时自动连续测温仪表。,第二节 单色辐射高温计,四、光电高温计,WDH-II光电高温计的调制原理,第二节 单色辐射高温计,3 缺点：光学元件互换性很差，更换元件时，整个仪表要进行重新调整和分度。 4 优点 （l）无 700的下限。因光电器件可感受可见光，红外光波长 （2）分辨率高，光学高温计最高为0.5，而光电高温计可达0.010.05； （3）精确度高，由于采用性能良好的单色器 （4）可连续自动测量，响应快。,第二节 单

11、色辐射高温计,四、光电高温计,第三节 辐射温度计,根据全辐射定律制成的温度计，即全部波长的辐射能M0, 温度T 。,被测物体的辐射能经物镜聚焦在铂箔上，使铂箔温度升高，由热电堆测其温度输出热电势信号。热电堆由几支同样的热电偶同向串联，其目的是增加输出的热电势，提高灵敏度。,一、基本工作原理,二、辐射温度计的结构和原理,热电堆的作用？,第三节 辐射温度计,1）问题：由于物体的的不同，同一辐射出射度M，在不同物体对应不同温度，所以显示仪表上标注的是仪表是辐射温度（绝对黑体对应的温度） 2）辐射温度：被测物体真实温度为T，其对应的辐射出射度M，绝对黑体在温度Tp 时的辐射出射度M 0，M=M0, 温

12、度Tp称为“辐射温度” 3)辐射温度低于被测物体的实际温度。 为被测物体发射率,三 辐射温度,第三节 辐射温度计,四 辐射温度计使用时的注意事项： （1） 影响。尽量创造全辐射体的辐射条件 （2）中间介质的影响，测量距离不可太远 （3）热电偶冷端温度影响。 （4）按规定D/L（被测物体的直径，被测物体与温度计之间的距离）的范围，否则会引起较大的误差。 L太大，被测物体在热电堆上成像太小，不能全部覆盖住热电堆十字平面，使热电堆接受的辐射能减小，指示偏低。 L太小，物像照到光阑边缘和接近热电堆的其它零件上，使冷端温度升高，造成热电势下降，指示偏低，且中间介质影响大，也造成指示偏低。,第四节 比色高

13、温计,一、比色高温计的原理 二、双色比色高温计实例 三、三色比色高温计,第四节 比色高温计,一 原理：根据维恩偏移定律工作的温度计。通过测物体两个不同波长下的光谱辐射出射度的比值推得温度。 1 推导过程（黑体） 通过测波长1，2下的光谱辐射亮度 两式相除后取对数，整理后：,比色温度,第四节 比色高温计,2 实际物体的温度 （1）比色温度： 实际物体（温度T）在两个波长 1，和2的相应亮度比值等于绝对黑体（Ts）在两个波长 1，和2的亮度比，绝对黑体的温度Ts就称为实际物体的比色温度。 （2）实际物体的温度公式： 根据定义，用维恩公式，可导出： 1 2为实际物体的在波长 1，和2时的光谱发射率,第四节 比色高温计,二 比色高温计的特点： 1）对于绝对黑体T=Ts，因为 1= 2=1 ；灰体同样T=Ts，由于 1= 2 1 ； 一般物体TTs由于 1 2 对于金属物体，一般是短波1的 1，大于长波2的 2 ， 1 2则 0， TTs比色温度高于物体实际温度。 对于其它物体，视 1 和 2 的大小而定。,2 ）比色高温计和单色辐射高温计、辐射温度计相比较，测量准确度更高。 因为实际物体一般 1和 2的比值变化相对要比 和 的单位变化小得多， 3）比色高温计可在周围环境较恶劣下测温 中