第六章-非接触测温方法和仪表

第六章非接触式测温仪表1热辐射基本定理2单色辐射高温计（光学高温计）3光电高温计4辐射温度计5比色温度计特点感温元件不与被测介质接触，因而不破坏被测对象的温度场，也不受被测介质的腐蚀等影响。不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温，测温上限不受限制。动态特性好，可测量处于运动状态的对象温度和变化的温度。辐射温度计的输出信号大，灵敏度高，准确度高，从961.78℃以上采用单色辐射高温计作为标准仪器。上一页下一页返回高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计一、热辐射测温的基本原理普朗克定律维恩公式维恩位移定律绝对黑体的全辐射定律四次方定律绝对黑体实际物体1.热辐射基本定理辐射换热：是三种基本的热交换形式之一波长范围：10-3m～10-8m在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000C左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就是上一页下一页返回热辐射基本定理(1)热辐射的重要参数(2)辐射能的分配(3)基尔霍夫定律(4)黑体辐射定律上一页下一页返回(1)热辐射的重要参数①辐射能Q以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。②辐射能通量是辐射能随时间的变化率，又称辐射率：其单位是瓦特(W)。③辐射强度I在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。dtdQ上一页下一页返回(1)热辐射的重要参数④辐射出射度M离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。⑤辐射亮度L和光谱辐射亮度表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。dSdM上一页下一页返回(2)辐射能的分配当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射RDAQQQQQQQQQQRDA1α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。上一页下一页返回物体分类：黑体（绝对黑体，或全辐射体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。上一页下一页返回在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的τ值很小或等于零，而气体的τ值较大。对于一般工程材料来讲，τ＝0而α+ρ=1，称为灰体从传热学角度看，可以人为制造黑体上一页下一页返回(3)基尔霍夫定律各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，和物体的性质无关，是物体的温度和发射波长的函数),(...),(),(),(),(),(),(221100TfTTMTTMTTM式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物体的单色(λ)辐射出射度；α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物体的单色(λ)吸收率。上一页下一页返回若物体A0绝对黑体，那么α0(λ,T)，根据基氏定律),(...),(),(),(),(02211TMTTMTTM物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。设M(λ,T)为物体A在波长为λ，温度为T下的辐射出射度。),(),(),(),(0TTTMTM式中，ε称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的上一页下一页返回在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分)()(),()(),(),(),()(000000TMTAdTMTAdTMTdTMTM式中，A(T)－物体A在温度T下的全吸收率，M0(T)－黑体在温度T下的全辐射出射度。基氏定律的积分形式为TTATMTM)()()(0它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的εT1，εT越接近1,表明它与黑体的辐射能力越接近。上一页下一页返回(4)黑体辐射定律①普朗克定律(单色辐射强度定律)②维恩公式③斯蒂芬－波尔兹曼定律（全辐射强度定律，也称为四次方定律）上一页下一页返回①普朗克定律(单色辐射强度定律)温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为1511520)1()1(2),(2TCTkhceCehcTM式中，c―光速；h―普朗克常数，6.626176×10-34J·s；k―波尔兹曼常数，1.38066244×10-23J/K；C1―第一辐射常数，＝3.7418×10-16W·m2；C2―第二辐射常数，＝1.4388×10-12m·K；T―绝对温度。公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的上一页下一页返回②维恩公式理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律TCeCTM2510),(公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即)(),(0TfTM上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据上一页下一页返回③斯蒂芬－波尔兹曼定律（全辐射强度定律，四次方定律）温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。0443245151000152)1(),()(2TThckdeCdTMTMTC式中，σ―斯蒂芬－波尔兹曼常数，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。上一页下一页返回④维恩位移定律最大辐射波长与温度的关系热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系2897mTmKm光谱辐射出射度等增长要比辐射出射度的增长快得多，这就是根据普朗克定律（或维恩定律）制作得单色辐射高温计比根据辐射定律制作得辐射高温计的灵敏度要高得多得原因2单色辐射高温计（光学高温计）精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量800～32000C的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。上一页下一页返回亮度温度为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。)(00LTTTTLL左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度上一页下一页返回根据维恩公式有LTCTCTee22对上式两边取对数，并加以整理，得TLCTT1ln112式中，ελT―被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数；T―被测物体的真实温度；TL―被测物体的亮度温度。已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度，求出物体的真实温度。上一页下一页返回工业用光学高温计分类隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。上一页下一页返回光学高温计构成原理灯丝隐灭式光学温度计（示意图）优点：结构简单，使用方便，测温范围广（700~3200℃），一般可满足工业测温的准确度要求。缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，且测量结果带有主观性。隐丝式光学高温计光学系统红色滤波片，造成一个较窄的有效波长吸收玻璃，目的是扩展量程目镜和物镜是一套光学系统电测系统包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。上一页下一页返回工作波长范围工作光谱段重心位置的波长为0.66µm，采用红色虑光片可实现要求的波长WGG2-201型光学高温计1－物镜；2－吸收玻璃；3－灯泡；4－红色滤波片；5－目镜；6－指示仪器；7－滑线电阻；E－电源；K－开关；R1－刻线调整电阻上一页下一页返回使用光学温度计应注意的事项非全辐射体的影响：被测物体往往是非全辐射体，而且物体的光谱发射率不是常数，与波长、温度及物体表面特性有关，很难准确确定物体的辐射发射率，因此可以认为创造全辐射体辐射条件。例如：测炉膛温度时插入细长而有底的陶瓷管等中间介质的影响：光学高温计与被测物体间的灰尘、烟雾和而氧化碳等气体对辐射有吸收作用，而以造成测量误差，测量距离不宜太远实际光学高温计比热电偶和热电阻的测量准确度要低2光电高温计光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。上一页下一页返回主要特点：①采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；②采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；③在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；④设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；⑤采用新型光敏元件，测量范围宽，约为200～16000C。上一页下一页返回WDL-31型光电高温计的工作原理1－物镜；2－同步信号发生器；3－调制镜；4－微电机；5－反光镜；6－聚光镜；7－参比灯；8－探测元件上一页下一页返回(1)瞄准光路由物镜对0.5m～处被测物体调焦成像在分划板上。通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位1－调制镜；2－微电机；3－反光镜；4－可变光阑；5－聚光镜组；6－参比灯；7-目镜组8、9-保护窗；10－物镜；11-入射光瞳；12-衰减玻璃；13－探测元件；14-滤光片；15-保护光阑；16-分划板；17－透镜玻璃；18-出射光阑；19-保护玻璃上一页下一页返回(2)检测光路物镜将被测物体的辐射能量会聚，经过衰减