CGWC43輻射式溫度計01

高等職業(yè)教育數字化學習中心連鑄自動化崗位培訓輻射式溫度計任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內部帶電粒子在分子和原子內振動產生的，其中與物體本身溫度有關傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進行檢測，進而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。熱輻射的最大熱效應出現(xiàn)在紅外波段。紅外線，它是一種人眼看不見的光線，位于可見光中紅光以外，故稱為紅外線。它的波長范圍大致在0.75～1000μm的頻譜范圍之內。輻射式溫度計概述一、輻射測溫的基本原理可見光的光譜很窄，其波長僅為0.3—0.72μm；紅外光譜分布相對較廣，其波長范圍為O.72—l000μm。輻射式溫度計的感溫元件使用的波長范圍為0.3—40μm。1.紅外線分區(qū)紅外線波長0.75～1000μm。根據紅外線與可見光的距離，紅外線分為：近紅外區(qū)（1～3μm）、中紅外區(qū)（3～6μm）、遠紅外區(qū)（6～15μm）、極遠紅外區(qū)（15～1000μm）。輻射式溫度計自然界中所有物體對輻射都有吸收、透射或反射的能力，如果某一物體在任何溫度下，均能全部吸收輻射到它上面的任何輻射能量，則稱此物體為絕對黑體。根據基爾霍夫定律，具有最大吸收本領的物體，在其受熱后，也將具有最大的輻射本領。人們稱那些對輻射能的吸收(或輻射)除與溫度有關外，還與波長有關的物體為選擇吸收體；稱那些吸收(或輻射)本領與波長無關的物體為灰體。絕對黑體的吸收系數L0＝1，反射系數β0＝0，理想的絕對黑體在自然界中是不存在的，人們?yōu)榭茖W研究和實驗所需已能設計出吸收系數為0.99土0.01的近似黑體。絕對黑體在任何溫度下都能全部吸收輻射到其表面的全部輻射能；同時它在任何一個溫度上，它向外輻射的輻射出射度(簡稱輻出度)亦最大；其它物體的輻出度總小于絕對黑體，定義全輻射率(或稱黑度系數)，其值在0～1之間。輻射式溫度計2.測溫基本原理輻射測溫的物理基礎是普朗克(Ptanck)熱輻射定律和斯蒂芬－玻耳茲曼(Stefan—Boltzmann)定律。絕對黑體的光譜輻射亮度L(λ，T)與其波長λ、熱力學溫度T的關系由普朗克定律確定：

(3-16)輻射式溫度計如果波長λ與溫度T滿足C2／(λT)≥1，則可把普朗克公式簡化為維恩(Wien)公式。在溫度低于3000K，對于波長較短的可見光，用維恩公式替代普朗克公式產生的誤差＜1％。輻射式溫度計斯蒂芬—玻爾茲曼定律描述物體所輻射出來的全波段輻射能量與溫度的關系，定律表達式為式中W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率，數值上等于物體的全波輻射出射度；ε

——物體表面的法向比輻射率；σ——斯蒂芬—玻爾茲曼常數；T——物體的絕對溫度(K)。 輻射式溫度計

黑體的光譜輻射曲線輻射式溫度計實驗和理論分析表明，黑體的總輻射能力與溫度的關系如下式所示：

(3-17)

即在單位時間內，由絕對黑體單位面積上輻射出的總能量與絕對溫度T的四次方成正比。式(3-17)被稱作斯蒂芬一玻耳茲曼定律。輻射檢測器分光電型和熱敏型。輻射式溫度計3.輻射式測溫的特點(1)輻射式測溫是非接觸測溫，特別適合用于較遠距離的高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量；(2)輻射式測溫反應速度快，它不需要與物體達到熱平衡的過程，只要接收到目標的紅外輻射即可測定溫度，反映時間一般都在毫秒級甚至微秒級；(3)輻射式測溫靈敏度高，由于物體的輻射能量與溫度的四次方成正比，因此物體溫度微小的變化，就會引起輻射能量較大的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測出來；(4)輻射式測溫準確度較高，由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實，其測量準確度可達到0.1℃以內，甚至更?。惠椛涫綔囟扔?5)輻射式測溫范圍廣泛，可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍；(6)輻射式測溫方法，幾乎可在所有溫度測量場合使用。測例如，各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測量、感應加熱過程中的溫度測量，尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過程的溫度測量等；軍事方面的應用如各種運載工具發(fā)動機內部溫度測量、導彈紅外（測溫）制導、夜視儀等；在一般社會生活方面如快速非接觸人體溫度測量，防火監(jiān)測等等。輻射式溫度計工程上，測定物體的輻射亮度，相對容易。故目前國內外使用的輻射式溫度計都是根據被測物體的光譜輻射亮度來確定物體的溫度。我國目前生產的光譜輻射溫度計有光學高溫計、光電高溫計、全輻射高溫計、光導纖維高溫計和硅輻射溫度計等。二、光學高溫計光學高溫計是發(fā)展最早、應用最廣的非接觸式溫度計。它結構較簡單，使用方便，適用于1000K～3500K范圍的溫度測量，其精度通常為1.0級和l.5級，可滿足一般工業(yè)測量的精度要求。它被廣泛用于高溫熔體、高溫窯爐的溫度測量。上海自動化儀表廠WGG2－201系列輻射式溫度計由于各物體的光譜發(fā)射率ελ不同，即使它們的光譜輻射亮度相同，其實際溫度也不會相等；光譜發(fā)射率大的物體的溫度比光譜發(fā)射率小的物體的溫度為低。因此物體的光譜發(fā)射率和光譜輻射亮度是確定物體溫度的兩個決定因素，如果同時考慮這兩個因素將給光學高溫計的溫度刻劃帶來很大困難。因此，現(xiàn)在光學高溫計均是統(tǒng)一按絕對黑體刻度。輻射式溫度計所以，用光學高溫計測量被測物體的溫度時，讀出的數值將不是該物體的實際溫度，而是這個物體此時相當于絕對黑體的溫度，即所謂的“亮度溫度”。亮度溫度的定義是：在波長為λ、溫度為T時。某物體的輻射亮度L與溫度為TL的絕對黑體的亮度L0λ相等，則稱TL為這個物體在波長為λ時的亮度溫度。其數學表達式為式中，ε(λ，T)——實際物體在溫度為T、波長為λ時的光譜發(fā)射率； T——實際物體的真實溫度，單位為K; TL——黑體溫度，也即實際物體的亮度溫度，單位為K。輻射式溫度計物體的真實溫度為對于真實物體總是ελ＜1，故測得的亮度溫度總比物體的實際溫度為低，即TL＜T。目前，國內工業(yè)用光學高溫計都采用紅色單色光，有效波長為0.66土0.01μm；與我國溫度量值傳遞系統(tǒng)規(guī)定的基準光學高溫計的有效波長一致。基準光學高溫計是國際溫標(ITS一90)規(guī)定溫度在銀點以上的標準儀器。光學高溫計通常采用0.66土0.01μm的單一波長，將物體的光譜輻射亮度Lλ和標準光源的光譜輻射亮度進行比較，確定待測物體的溫度。光學高溫計有三種形式：燈絲隱滅式光學高溫計、恒定亮度式光學高溫計和光電亮度式光學高溫計。輻射式溫度計燈絲隱滅式光學高溫計是由人眼對熱輻射體和高溫計燈泡在單一波長附近的光譜范圍的輻射亮度進行判斷，調節(jié)燈泡的亮度使其在背景中隱滅或消失而實現(xiàn)溫度測量的。此種隱絲式光學高溫計又稱目視光學高溫計或簡稱光學高溫計，國產WGGZ型光學高溫計就是此類高溫計。1.物鏡；2.灰色吸收玻璃；3.燈泡；4.目鏡；5.紅色濾光片；6.顯示表頭WGG2型光學高溫計原理圖輻射式溫度計物鏡1和目鏡4可前后移動，調節(jié)物鏡使物體的像落在燈泡3內的燈絲平面上，調節(jié)目鏡4，使燈絲和物體的像能清晰地看到，然后邊比較兩者的亮度，邊慢慢調節(jié)滑動電位器的觸點位置，改變流過燈絲的電流，使燈泡燈絲的亮度作相應的改變。當被測物體的亮度大于燈絲亮度時，燈絲在背景(對應于被測物體亮度)上呈現(xiàn)暗絲(背景比燈絲亮)；當被測物體的亮度小于燈絲的亮度時,則燈絲在背景中呈亮絲(背景比燈絲暗)；逐漸調節(jié)滑動電位器，使燈絲亮度和背景亮度達到一致，此時，燈絲便隱輻射式溫度計滅在背景中；表頭6這時指示出(由滑動電位器位置所決定)被測物體的亮度溫度。得到了被測物體的亮度溫度，再根據該物體的光譜發(fā)射率，便可獲得該物體的真實溫度。圖中的2是灰色吸收玻璃，其作用是擴大光學高溫計的量程。燈絲在其亮度溫度超過1400℃時，將由于燈絲易過熱發(fā)生氧化進而使燈絲的電阻發(fā)生改變，致使電流與亮度溫度關系偏置原標定值；同時1400℃以上的高溫，使燈泡的金屬絲要升華，將在玻璃泡上沉積形成灰暗的薄膜，改變原亮度特性而帶來測量誤差。因此，當測量輻射式溫度計高于1400℃的亮度溫度時，在物鏡與燈炮之間安裝吸收率為常量的灰色吸收玻璃，以減弱被測熱源的輻射亮度。測量時，用已經減弱了的熱源亮度和燈絲亮度進行比較，這就可以使原最高亮度溫度為1400℃的鎢絲燈，能測量更高的溫度。光學高溫計通常有兩個刻度，一個是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范圍為800℃～1400℃；另一個是加灰色吸收玻璃的刻度。為能測量更高的溫度，有的光學高溫計在物鏡前再加一塊吸收玻璃，以進一步減弱被測物體輻射亮度；這樣輻射式溫度計可使光學高溫計測量亮度溫度高達3200℃物體的溫度。無論采用何種形式，光學高溫計鎢絲本身最高溫度均不可超過1400℃。圖6-15中的5是紅色濾光片，它的作用是濾除人眼不敏感的光譜段，僅讓中心光譜波長為＝0.66μm的窄波段通過。此工作光譜段愈窄效果愈好。對于工業(yè)用光學高溫計。光譜范圍在O.62～O.7μm范圍所造